Évaluation des limites d'un digesteur biogaz pour une utilisation flexible dans un réseau local de production d'énergie

Evaluation of biogas plant limits for a flexible production in a local power generation network

• Auteur / Autrice : Wendy Laperrière
• Direction : Jean-Philippe Steyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 28/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Marc Héran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Steyer, Sylvie Gillot, André Pauss, Claire Dumas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Gillot, André Pauss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conservation de l'énergie

Méthanisation

Biogaz

Mots clés libres

Biogaz

Flexible

Énergie à la demande

Gestion des substrats

Biogas

Flexible

On-Demand energy

Feed management

Résumé

Avec l’augmentation de la part des énergies renouvelables intermittentes (solaire et éolien) dans les mix énergétiques, des problèmes dans la stabilité de la fourniture d’électricité peuvent se présenter. La solution pour compenser ces fluctuations réside dans la production flexible de biogaz. Le biogaz peut en effet être stocké puis utilisé en période de demande; sa production doit donc être assurée de manière flexible, contrairement à ce qui est fait actuellement sur la majorité des digesteurs. L’objectif de la thèse était d’étudier et de déterminer les limites de digesteurs biogaz en fonctionnement flexible. Trois réacteurs de 15L, alimentés avec trois mélanges différents de deux substrats solides, ont été alimentés pendant 550 jours en fonctionnement flexible. Il a été démontré au cours de cette thèse que le fonctionnement flexible avec des surcharges organiques ponctuelles n’avait aucune incidence négative à long terme sur la production de méthane. La flexibilité instantanée a été définie comme la marge entre le maximum de production sur un réacteur et sa production de base. Elle a été fortement influencée par la charge de base du réacteur et par les cinétiques de dégradation des substrats utilisés en surcharge, mais très peu par l’intensité des surcharges appliquées. L’utilisation de substrats rapidement dégradables en surcharge a permis d’atteindre un maximum de production de 1 à 1,2 LCH4/Lréacteur.j dans les premières 24 heures, même sur des réacteurs alimentés de base avec du fumier, conduisant à des flexibilités allant de +92 à +150%. Ce plafond dépend de la vitesse d’hydrolyse des substrats et il peut être relevé en utilisant des composés plus simples à dégrader en surcharge (type glycérol). Un mode opératoire prêt à être validé sur des installations pilote a été défini ; il précise la démarche à suivre pour la détermination du maximum de production et le niveau de la charge de base à adopter, pour une flexibilisation optimale de la production de méthane sur les CSTR. Un modèle simple, basé sur deux vitesses de dégradation, a également été développé et proposé pour simuler un fonctionnement flexible sur un réacteur.

With the increasing share of intermittent renewable energies in the electricity mix, some stability problems are expected in the grid. The solution consists in using biogas as buffer energy. Biogas can be stored, then used on-demand. As the storage is limited, biogas production should be flexible. The aim of this thesis was to study and determine the limits of anaerobic reactors in a flexible operation. Three 15L reactors, fed with three different mixtures of two solid substrates, were fed for 550 days in flexible operation. It was demonstrated in this thesis that flexible operation with one-off overloads had no negative impact on methane production on long-term. The flexibility was defined as the margin between the maximum production on a reactor and its baseload production. It was strongly influenced by the baseload of the reactor and the substrates used in overloads, but not by the intensity of the overloads applied. The use of readily degradable substrates in overloads allowed a maximum production of 1 to 1.2 LCH4/Lreactor.d to be achieved in the first 24 hours, even in reactors fed mainly with manure, leading to flexibility ranging from +92 to + 150%. This ceiling depends on the rate of hydrolysis of the substrates. It can be increased by using compounds that are of a simpler structure (glycerol for example). An operational strategy ready to be validated on pilot plants has been defined; it specifies the approach for the determination of the maximum production and the level of the baseload to be adopted, for an optimal flexibilization of the methane production on CSTRs. A simple model, based on two degradation rates, has also been developed to simulate flexible operation of anaerobic reactors.