Perséphone : l'intégration du biogaz dans la nouvelle bioéconomie

1. Chef de file :
Intégration de la filière biogaz dans la
nouvelle bioéconomie
Juillet 2016 – juin 2019
Perséphone :
Production d’Energies RenouvelableS, Engrais et Produits
Harmonieux d’Origines NaturElles

2. Projet européen INTERREG VA
• Cofinanceurs :
• Budget :
 4 121 359,92 € avec taux de cofinancement FEDER de 60 %

3. Partenariat :
• 1 chef de file :
• 6 partenaires scientifiques :
• 5 installations :
• 2 partenaires industriels :
• 2 partenaires méthodologiques :

4. P E R S E P H O N E
Impact économique – Faisabilité – Horizon 2020-2030
Communication – Dissémination – Utilisateurs finaux – Centre de Compétence Biogaz en Grande Région
Coordination - Gestion
Digestion
anaérobie
Partenariat
scientifique
et technique
Prototype H2
Biogaz enrichi
Action 3
Electricité
renouvelable
Biogaz
Culture d’algues
Prototype raffinage
Fractionnement
Eau + N + P + K
Fractions solides
Fractions liquides
Action 4
Action 3
CH4
Liquide
Fuels
Protéines
Alimentation
animale
Bioplastiques
Impact environnemental (air-eau-sol)
Protection des sols et des nappes phréatiques
Fertilisants
Parcelles en Grande Région (BE – DE – FR – LU)
Lysimètres (conditions contrôlées)
 Qualité de l’eau dans les sols
Action 5
H2 + CO2
Lipides
Matières organiques
Biopolymères
Economie
circulaire
Bio économie
2020 - 2030
E
N
E
R
G
I
E
Action 1
Action 2
Action 7
Action 6
M
A
T
I
E
R
E
SDigestat
Digestat
Chaleur

5. Digestion anaérobie
Bioraffinage
Biogaz
Nutriments
Matière fertilisante
Energie renouvelable
Productions agricoles
Alimentation
Industrie PERSEPHONE
2030

6. A3: Intégration de la filière biogaz dans le mix
énergétique
• Production
renouvelable
Intermittente
• Conversion des
crètes  CH4
H2 + CO2 CH4
(Sabatier)
Microbiology
14 500 unités en Europe
300 injectent le bio-CH4
+ieurs mois de stockage !

7. Biométhanisation et énergie : ajout H2 dans les réacteurs
Deux laboratoires dédiés (sécurité et H2) chez ENSAIA (FR)
et LIST (LU) sont opérationnels.
ENSAIA: 1 pilote 100 L, 1 nouvelle technologie (fonds
propres)
LIST: 4 pilotes de 5 L pour tester différentes configurations
de matériaux favorisant le transfert de l’H2 directement
vers les microbes (transfert Hydroschell vers Perséphone)
2018 : sélection de la meilleure technologie/configuration
pour développement du pilote dédié aux tests sur sites
agricoles par un effort conjoint LIST et ENSAIA.
3. Diversification des installations : H2 et raffinage du digestat
List-UL Ensaia-Ama Mundu Technologies
7

8. A3: Intégration de la filière biogaz dans
l’économie bio-basée
Raffinage du digestat:
Engrais organiques formulés
Eau
Bio-composés ?

9. 3. Diversification des installations : H2 et raffinage du digestat
Raffinage du digestat
Liquid digestate:
Mass = 454 g
N-NH4 = 2,52 g L-1
pH = 7,63
Concentrate:
Mass = 320 g (70%)
N-NH4 = 0,48 g L-1 (13%)
pH = 8,44
Condensate:
Mass = 134 g (30%)
N-NH4 = 6,3 g L-1 (84%)
pH = 9 ,41
One working hour:
• Essais de fractionnement de l’eau et de
l’ammoniac
• Développement banc d’essai évaporateur –
batch de 5 L
• Etat de l’art techniques d’évaporation sous-
vide. Applications sur digestats
• Développement évaporateur de laboratoire
en circulation forcée (évaporation flash,
ultra-sons)
• Cible de 30 % atteinte ; bonne séparation N-
NH4
• Upscaling des ultra-sons ???
Au laboratoire
Digestate
feedstock
Hygenized
P, K, Ca,
Mg, C
concentrate
Water
stock
NH3
Accumula
tion
Digestate line
(liquid fraction)
retentate
line
Evaporator
70 to 80°C
- 0,5 to -
0,85 bar
Heat source
mist
Cold source
Vapour/vacuum
line
Condensator
12°C
- 0,5 to -0,85
bar
NH3
concentrated
solution
Vapour/vacuum
line
Vacuum unit
Venturi
CO2/biogas source
High CH4 biogas
NH4HCO3
trap
9

10. 3. Diversification des installations : H2 et raffinage du digestat
Digestate origin Temperature (°C)
Vacuum Pressure
(bars) repetitions
Mass reduction
after 180 min (%)
Standard
deviation of mass
reduction
Biopower
Tongeren liquid
phase
80
-0.6 1 5.16
-0.55 1 2.21
-0.5 1 1.81
Faascht liquid
phase
70
-0.8 1 29.71
-0.75 1 5.19
-0.7 1 0.84
80
-0.75 1 52.12
-0.7 5 39.31 14.24
-0.65 7 27.04 13.31
-0.6 2 13.60 14.77
Kehlen liquid
phase
70
-0.8 1 26.41
-0.75 2 2.61 0.93
80
-0.7 2 26.40 3.23
-0.6 2 1.80 2.55
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Mass,NandN-NH3cumulativereductionrate(%)
Time (min
Digestat phase liquide de Kehlen, P = -0,7 bars,T= 80°C
mean N cumulative reduction mass cumulative reduction N-NH3 cumulative reduction
Fractionnement eau et ammoniac
Essais de combinaisons Température-vide-digestat
Raffinage du digestatAu laboratoire
10

11. 3. Diversification des installations : H2 et raffinage du digestat
• Etat de l’art des techniques en préparation de la création du pilote d’évaporation
Contraintes liées au digestat = substrat d’évaporation complexe
• Concentration élevée en particules solides
• TKN élevé : haute concentration protéique
 Risque d’encrassement des parois/échangeurs
 Phénomène de mousse
• Ammoniac corrosif
• Viscosité : liquide non newtonien. Diversité de viscosité
• Alcalinité élevée
• Dégazage important, fatigue pompe, mousse
• Technologies identifiées
• Évaporateur sous vide couplé aux ultra-sons (US)
 Up-scaling : problème de sécurité (1500 W/unité US)
• Évaporateur à film fin mélangé
• Flash-détente
• Combinaison Flash-détente/évaporateur
Raffinage du digestat
parameter range comments
Dry weight (%) 5-12 Fouling, crusting, precipitation
Organic matter (%) 3-7,5 Crusting, foaming
pH 8,1-8,6
Dynamic viscosity
(mPa.s)
18-443
200-186000
Non Newtonian fluid
Thixotropic or viscoplastic
behaviour
F(DW, OM/DW)
Limit viscosity
(mPa.s)
6-36
Total ammonia
nitrogen (TAN) (g L-1)
0,52-3,41
4,37 (liquid
phase)
Corrosion hazards in
condensates
Alkalinity (gCaCo3 L-1) 7,23-19,28 Strong degassing and foaming
Total Kjeldahl (g L-1) Crusting of proteins, foaming
Critères de sélection : réduction du volume/séparation de l’azote
Performance/coût en cours
Au laboratoire
11

12. Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
• Unité industrielle de fractionnement d’Ama Mundu Technologies pour produire des
concentrats pour les essais de cultures de microalgues (Action 4) et les essais de
fertilisation (Action 5)
3. Diversification des installations : H2 et raffinage du digestat
List-UL Ensaia-Ama Mundu Technologies
Sur le terrain
Digestat
Phase solide
Nanofiltration Osmose inverse
Eau
Phase
liquide
Séparation
liquide/solide
2 m3/h
Concentrat NF
Concentrat OI
• Deux phases de production (Faascht) :
27-29 mars 2017
12-30 juin 2017 12

13. A5: Intégration de la filière biogaz dans la production
de fertilisants durables (NPK)
• Nitrogen – N NG = 1 000 m3 / t NH3
• synthetized from atmospheric N2 with natural gas = 60-100 years of BAU
• NG reserves are shared for 50% by the triangle Russia (26%) Iran (18%) Qatar (13%)
• The actual WWTP are a global non-sense !
• Half of the world population lives thanks to the Haber-Bosch process !!!
• Phosphorous - P
• mostly not recycled, 86 % of the mined P ends up in the oceans
• World stocks = 100 – 260 years of BAU
• Morocco (70%), China (5%), Algeria, Syria, Finland (3% each), others < 2% !!!
• Potassium - K
• Mines are mainly located in two spots
• World stocks = 200-300 years of BAU
• Canada (46%) and Russia (35%)
L’Europe est dépendante
 Fermer les cycles

14. • Autarcie et fertilisants
• Observations de terrain
• Résistance à la sécheresse
• Bon rapport trèfle/monocots
• Pénétration dans le sol
• L’azote dans les digestat =
Norg et N-NH4
+
• Le sol ne retient pas le NO3
-
• L’absorption et assimilation du NO3
-
coûte de l’énergie à la plante
• La racine stimulée par NH4
+ va chercher
cette forme d’azote dans le sol
• La concentration en NH4
+ dans la racine
contrôle l’assimilation des deux formes
NO3
- et NH4
+
Pourquoi le digestat ?

15. ECOBIOGAZ – INTERREG IVA
Au long terme ???
 Perséphone

16. Days
0 10 20 30 40 50
CH4Nm3/tFM
0
10
20
30
40
50
60
Fresh: CH4 = 55 Nm3/t FM
Old: CH4 = 24 Nm3/t FM
6 14
Stockage du fumier: GES et Corg !
• 50% perte en BMP pendant le stockage !!! = CH4 et CO2 = GES
• Cinétique de degradation ralentie t50 = 14 vs. 6 jours
Biométhaniser le fumier le plus jeune possible !
1 t de fumier:
(MS=20%, MOS=73%) = 145 kg de MOS
produit 52 Nm3 de biogaz (60% CH4 40% CO2)
Produit 22 kg de CH4 et 41 kg de CO2 = 63 kg de biogaz
La matière organique digestible = 63 / 145 = 43%
57 % de la MO est indigestible et est restituée au sol
Près de 30% de cette fraction contribue à l’humus.
+ CO-DIGESTION de substrats organiques  bilan +

17. • Mise en place des vitrines agricoles en GR (192 parcelles) en GR avec 9 à 17 variantes de
fertilisation :
• Protocoles des vitrines
A. Fertilisation
I. Législation
II. Pratiques agricoles
B. Echantillonnage
I. Agra-Ost: paramètres agronomiques
II. Ulg-Arlon: caractérisation des sols
III. List: diversité de la flore microbienne
IV. UL-Ensaia: activité microbienne
Consensus sur le Protocol
Agra Ost – ULg Arlon – List – UL Ensaia et fermes pilotes
5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
17

18. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
5.A Législation
• Le PGDA belge en prairie a été pris comme référence :
 230 kg N/ha fertilisation organique
 350 kg N/ha fertilisation chimique
 Période d’interdiction d’épandage du 1.10 au 15.1
18

19. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
5.B La pratique agricole
Efficacité de l'azote du lisier (moyenne de 93-94-96-97-98)
-2
0
2
4
6
8
10
12
lisier en
automne
lisier en hiver lisier au
printemps
lisier après la
1re coupe
lisier après la
2me coupe
lisier après la
3me coupe
kgM.S./kgNtotépandu
9/11 19/2 10/4 27/5 8/7 21/8 19

20. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
5.B La pratique agricole
CroissancejournalièreenkgMS/ha
printemps été automne
Croissance journalière au max. en printemps
=> absorption de nutriment proportionnel à la croissance 20

21. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
Répartition de l’azote sur l’année
230 kg Ntot/ha
(100/45/40/45)
350 kg Ntot/ha
(100/100/100/50)
Interdiction d’épandage
Fertilisation (+ quantité de N) 21

22. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
5.B La pratique agricole
Réduction de l’activité de minéralisation en été /
Rückgang der Mineralisierung im Sommer
22

23. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Répartition de l’azote chimique sur l’année
230 kg total
Org. : 170 kg Ntot/ha
(100/35/0/35)
Chem. : 60 kg Ntot/ha
(0/10/40/10)
350 kg total
Org : 230 kg Ntot/ha
(100/45/40/50)
Chem. : 120 kg Ntot/ha
(0/55/60/5)
Azote chimique épandu en été
23

24. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols et la qualité des eaux
Variantes de fertilisation
Quantité d’azote
total/ha
Attert Emmels Erpeldange La Bouzule Steinborn
Témoin 0 X X X X X
Digestat brut
230
X X X X X
Phase liquide X
Phase solide X
Concentrât nanofiltration X X
Concentrât osmose inverse X X
Digestat séché X
Digestat brut + NH4NO3 X X
Digestat brut + (NH4)2SO4 X X
Digestat brut + urée X X
Digestat local X X X X X
Lisier brut X X X X X
NH4NO3 X X X X X
Urée X
24

25. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Variantes de fertilisation Quantité d’azote
total/ha
Attert Emmels La Bouzule
Digestat local
350
X X X
Digestat brut + NH4NO3 X
Digestat brut+ ammonium X
Digestat brut+ urée X
Ammonium X
Nitrate X
urée X
NH4NO3 X
25

26. 5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
Echantillonnage (2017)
• Analyse de sol
Analyse classique /
(pH, Humus, P, K,
Ca, Mg, Na)
Analyse activité
microbienne
Analyse APL/ Nmin
Récolte de fourrage
Interdiction d’épandage 26

27. Essais en laboratoire
• Prélèvement et caractérisation des sols de 3 sites expérimentaux :
St Vith, Grendel, La Bouzule
• Culture en pots (ray-grass italien)
• Témoin plus fertilisation avec l’équivalent de 20 m³/ha avec les
digestats des 5 installations partenaires :
• 63 variantes (3 répétitions)
• Suivi de la production de biomasse
• Suivi des émissions de gaz à effet de serre
5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
27

28. Approche lysimétrique
• Les lysimètres sont en cours de construction (60 unités)
• Ils seront installés sur le site de NGK
• 3 types de sols seront étudiés : St Vith, Grendel, La Bouzule
• 6 variantes (3 répétitions): 54 Lysimètres (6 rechanges)
 1. Témoin
 2. Dig. brut Faascht à 230 UN
 3. Lisier bovin local à 230 UN
 4. Dig. brut Faascht à 170 UN + NH4NO3* à 60 UN
 5. Dig. brut Faascht à 170 UN + (NH4)2SO4* à 60 unités N
 6. Dig. brut Faascht à 170 UN + Urée à 60 UN
5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
28

29. Bougies poreuses• 2 sites seront suivis :
 La Bouzule
 St Vith
• 4 variantes de fertilisation avec 4 répétitions :
 Témoin
 Digestat brut à 350 unités N
 Nitrate d’ammonium à 230 unités N
 Digestat brut à 170 unités N + nitrate d’ammonium à 60 unités N
• Planning :
 Installation hiver 2017
5. Le digestat en substitution aux engrais chimiques : impact sur les sols
et la qualité des eaux
29

30. Sustain Water-Agria Lorraine
4. Production d’algues dans la GR pour de nouveaux marchés
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
Electricité
Chaleur
Biogaz
CO2
Extrait de digestat
(nutriments)
Intrants
Cogénération
Biométhanisation
Filtration membranaire
Digestat
Culture de
microalgues
Eau épurée Biomasse algale 30

31. • Mise en place de trois réacteurs pour la culture d’algues en serre :
Sustain Water-Agria Lorraine
4. Production d’algues dans la GR pour de nouveaux marchés
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
31

32. Sustain Water-Agria Lorraine
4. Production d’algues dans la GR pour de nouveaux marchés
• Premier essai avec fraction osmose inverse
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
2500 mg/l N-NH4
72 mg/l P-PO4
3500 mg/l DCO
Rétentat osmose inverse
Fractionnement du digestat brut par Ama Mundu
32

33. Sustain Water-Agria Lorraine
4. Production d’algues dans la GR pour de nouveaux marchés
Biométhanisation, digestat et productions agricoles durables
Augmentation progressive
des doses de rétentat
Actuellement 2l/jour
Pilote témoin
(solution synthétique)
Pilote test
(rétentat osmose + P)
Rétentat Eau du chenal
Eau du chenal
N-NH4 traité : 2,5 g/jour/m2
Productivité : 5,1 g/jour/m2
(poids sec)
33

34. Merci de votre attention

35. La biométhanisation
peut gérer à elle seule
près de 10% des
émissions globales de
gaz à effet de serre !
Dante Gabriel Rossetti (1828-1882)
8% 2-3% 10%