GAZ NATUREL RENOUVELABLE : UN BOND POUR L’ÉNERGIE PROPRE

Last updated on juin 18th, 2021 at 08:07 pm

La réduction des émissions de gaz à effet de serre et l’introduction de technologies neutres ou non en carbone sont devenues des priorités mondiales. Dans cette optique, les scientifiques développent de nouvelles technologies innovantes telles que les thermoplongeurs électriques. Les réchauffeurs électriques, dont l’empreinte environnementale est réduite et qui ne perdent rien de leur efficacité, contribuent à la réalisation de ces objectifs dans toutes les grandes industries. Cela tient en grande partie à leur compatibilité et à leur efficacité avec les options d’énergie renouvelable.

Les énergies propres sont particulièrement importantes pour le secteur agricole. Selon l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA), l’agriculture est responsable de 11 % des émissions de gaz à effet de serre. Les principales émissions agricoles concernent le bétail, la gestion du fumier, les décharges, le traitement des eaux usées et la combustion des déchets agricoles. Ces activités jouent un rôle majeur dans les émissions de gaz à effet de serre. Les gaz à effet de serre se composent principalement de méthane avec en plus :

• l’oxygène
• l’hydrogène
• l’azote
• le dioxyde de carbone
• le monoxyde de carbone

Les émissions de méthane ne proviennent pas uniquement de l’agriculture. Il est également extrait, par exemple, dans le cadre du processus d’exploration pétrolière et gazière et constitue une source d’énergie précieuse pour les consommateurs domestiques et commerciaux. Les émissions de la plupart des activités et processus commerciaux et résidentiels dépendent de la consommation d’énergie. Le passage à une planète plus verte implique de s’orienter vers une énergie propre grâce à des procédés tels que l’épuration du biogaz.

Le biogaz, un sous-produit des processus d’émission agricole, peut être utilisé pour générer du gaz naturel renouvelable (GNR). Des innovations technologiques permettent à ce traitement de rester économe en énergie tout en réduisant l’empreinte écologique. À ce titre, ils sont pratiques et faciles à déployer dans les exploitations agricoles, les installations de traitement des eaux usées et les décharges existantes. Cela a conduit au développement et à l’adoption du procédé d’adsorption modulée en pression (PSA). 

Qu’est-ce que le PSA ?

L’adsorption modulée en pression (PSA) tire parti de l’« affinité » que certaines molécules de gaz ont de s’adsorber sur certains matériaux adsorbants solides. Le processus se déroule à haute pression. Au fur et à mesure que la pression diminue, la séparation de la molécule de gaz de la surface solide se produit. Cette opération se déroule à des températures proches de la température ambiante, mais le contrôle de la température est toujours nécessaire pour fournir des pressions élevées pour le processus d’adsorption. 

La surface adsorbante solide piège les molécules de gaz cibles sur la surface poreuse de l’adsorbant, tandis que les autres molécules de gaz traversent le lit adsorbant sans être gênées. Ces derniers sont alors disponibles pour l’extraction sur la sortie ou l’échappement. 

Les matériaux adsorbants, tels que la zéolite, ont une affinité pour l’azote à haute pression. À basse pression, l’azote se sépare de la zéolite, ce qui entraîne la régénération de l’adsorbant. La technologie PSA lie physiquement les molécules de gaz à l’adsorbant. Cette liaison dépend de divers facteurs tels que la pression partielle du gaz, les températures de fonctionnement et la polarité de la molécule de gaz et du matériau adsorbant. Les thermoplongeurs électriques jouent un rôle crucial dans le contrôle de ces facteurs.

Adsorption modulée en température (AMT) pour la régénération

Le matériau adsorbant, après un certain nombre de cycles, perd son affinité avec les molécules de gaz. Ceci est dû au fait que les pores sont remplis de gaz d’affinité. Cela peut également être dû à l’absorption d’humidité lors d’un fonctionnement à des températures proches de la température ambiante. La dégradation de la couche adsorbante est principalement due à l’humidité. 

L’adsorption modulée en température (AMT) permet de régénérer l’adsorbant. La température est portée de la température ambiante à 200 ˚C, ce qui entraîne l’évaporation de l’humidité. Ce procédé, associé à un processus PSA à basse pression, libère l’humidité et les gaz absorbés, ce qui régénère le lit adsorbant. 

Rôle du PSA dans la purification du biogaz

Le procédé PSA joue un rôle essentiel dans la purification du biogaz. En raison de sa forte teneur en impuretés, ce dernier est inutilisable pour toute activité de production d’énergie. Le biogaz est introduit à haute pression dans la cuve remplie du lit adsorbant. Le flux gazeux est purifié lorsque certaines molécules (N2, O2, CO, H2S ou CO2) sont absorbées par le lit adsorbant. Il en résulte une extraction de méthane pur à 97 %-98 %. 

Dans le flux de biogaz arrivant à l’entrée de la cuve, les composants très volatils du gaz comme H2 (hydrogène) et CH4 (méthane), de faible polarité, ne sont pratiquement pas adsorbables dans le lit adsorbant garni de couches de zéolite (pour l’azote), de charbon actif (pour les composés organiques), d’alumine active (pour H2S), de gel de silice (pour l’eau) et de tamis moléculaires. À contrario, les molécules de gaz comme N2, O2, H2S, H2O et CO2 sont adsorbées par les adsorbants et le méthane pur est extrait à la sortie. 

Figure 1 : Procédé PSA pour le gaz naturel renouvelable (GNR)

Efficacité élevée du procédé PSA

Pour améliorer l’efficacité du PSA, un système de soupapes rotatives est utilisé ainsi qu’un groupe de réservoirs adsorbants. Le système comporte une soupape rotative d’alimentation, connectée au fond des réservoirs adsorbants PSA. Ainsi qu’une soupape rotative connectée au sommet des réservoirs, appelée soupape rotative de produit. 

Ce réseau de réservoirs adsorbants multiples reliés par la tuyauterie augmente l’efficacité du procédé PSA. Lorsqu’un réservoir atteint sa capacité d’adsorption, la soupape rotative d’alimentation commute le gaz d’alimentation sous pression vers la colonne ou le réservoir adsorbant suivant. Dans le même temps, la soupape rotative de produit bascule vers ce réservoir. Ainsi, la pression sur le premier réservoir de l’adsorbant est réduite pour libérer les gaz adsorbés, régénérant l’adsorbant et rendant ce réservoir prêt pour le prochain cycle d’adsorption. Le réseau de réservoirs d’adsorption, avec deux soupapes tournant ensemble et la commutation du flux de gaz d’une cuve à la suivante, assure un fonctionnement quasi continu du système. Le temps de fonctionnement et l’efficacité globale du processus PSA s’en trouvent encore améliorés.

Conclusion

Le procédé PSA est en passe de devenir la méthode de choix pour le déploiement mobile sur site de systèmes de production de gaz naturel renouvelable (GNR). Il est particulièrement utile dans les décharges, les exploitations agricoles avec gestion du fumier et les stations de traitement des eaux usées. L’efficacité du système dépend de la concentration et du type d’adsorbant utilisé, des pressions partielles du flux de biogaz, des températures de fonctionnement et du niveau des contaminants (H2O, composés organiques volatils COV, sulfure d’hydrogène). 

Bien que les systèmes PSA et les composants associés soient conçus pour des niveaux spécifiques de contaminants dans le flux d’alimentation en biogaz, des concentrations plus élevées de contaminants, y compris les liquides de toute sorte qui peuvent adhérer au lit adsorbant, peuvent réduire la capacité de travail. Le GNR issu de ce processus peut être injecté dans le réseau gazier national pour remplacer les gaz de combustibles fossiles. Il peut aussi être utilisé comme combustible primaire pour alimenter le processus de reformage générant de l’hydrogène ou un autre combustible. Il s’agit donc d’un processus très efficace et intégré qui réduit notre empreinte écologique.