Study and design of a biogas upgrading and biomethane liquefaction system

La consommation mondiale en énergie qui augmente progressivement a favorisé la recherche de ressources alternatives renouvelables. L’Europe a mis le développement de la filière de biogaz comme une priorité pour valoriser la matière organique et produire une énergie durable et un carburant propre. Plusieurs technologies ont été développées afin de produire le bio-méthane et ensuite le liquéfier. Cryo Pur a développé un procédé cryogénique où le biogaz est refroidi progressivement à 3 niveaux de température :-40 °C ; -75 °C et -120 °C. Dans un premier temps, la vapeur d’eau est extraite à -40 °C et à -75 °C, le biogaz sec ne contient plus alors que du méthane à une concentration de 65 % et du CO2 à 35 %. Le biogaz est alors refroidi jusqu’à -120 °C dans un système frigorifique en cascade intégrée pour capter le dioxyde de carbone jusqu’à une concentration résiduelle de 2 %. Une fois ce bio-méthane obtenu, il est liquéfié. A une pression de 15 bara et une température de -120 °C. Une étude énergétique et exergétique est menée et prend comme référence le pilote d’épuration et de liquéfaction Cryo Pur installé à la sortie de méthaniseurs de la station d’épuration de Valenton. Le CO2 est capté par givrage sur les ailettes d’échangeurs frigorifiques ; le dégivrage est effectué par un débit diphasique prélevé à l’étage -40 °C de la cascade intégrée. La thèse compare l’énergie récupérée par un dégivrage en phase liquide du CO2 avec donc une remontée en température jusqu’à -56 °C (température du point triple du CO2) et un dégivrage par sublimation du CO2 à une température bien inférieure à -56 °C qui fait l’objet d’une optimisation énergétique. La thèse mène aussi une étude énergétique et exergétique du procédé complet d’épuration de biogaz et de liquéfaction de bio-méthane avec récupération d’énergie par sublimation du dioxyde de carbone.Un banc d’essai est conçu pour évaluer la performance énergétique du procédé de dégivrage du CO2 par sublimation. Les différents éléments nécessaires de ce banc d’essai sont présentés avec leurs consommations énergétiques. Dans ce banc d’essai, le dégivrage du dioxyde de carbone par sublimation est effectué via un caloporteur qui récupère la froideur de sublimation du CO2 réduisant la puissance consommée par la cascade intégrée. Ce nouveau procédé a besoin d’une pompe à vide. La consommation de cette pompe à vide dépend de la pression de sublimation et fait l’objet d’une étude d’optimisation énergétique. La densité du CO2 varie énormément en fonction de la température et la pression de sublimation. Un modèle de calcul de l’évolution de l’épaisseur du givre au cours de la sublimation est présenté. Comme conclusion de cette partie, une comparaison est faite entre la consommation électrique spécifique du système installé à Valenton et celle du banc d’essai.D’autre part, la durée du cycle de givrage demande elle aussi une étude d’optimisation énergétique associée au dimensionnement de l’échangeur de captage du CO2. L’échangeur tube-ailettes avec la forme de l’ailette et les paramètres affectant le givrage du CO2 sont présentés. Une étude est effectuée pour répartir uniformément la masse de CO2 déposée sur la surface d’échange pour réduire le taux de blocage de l’échangeur et prolonger la durée de la phase de givrage. Une étude sur l’effet de la vitesse du biogaz et du glissement en température du réfrigérant sur la durée du cycle est menée ainsi qu’une étude sur les matériaux des ailettes et des tubes choisis afin de minimiser la surface d’échange en gardant la sortie du bio-méthane avec 2 % de CO2.Global energy consumption, which is gradually increasing, has led to the search for alternative renewable resources. Europe has put the development of the biogas sector as a priority to enhance organic matter and produce sustainable energy and clean fuel. Several technologies have been developed to produce bio-methane and then to liquefy it. Cryo Pur developed a cryogenic process where the biogas is cooled gradually to 3 temperature levels: -40 ° C; -75 ° C and -120 °C. In a first step, the steam is extracted at -40 °C and at -75 ° C, the dry biogas contains 65 % methane and 35 % CO2. The biogas is then cooled to -120 °C in a low-temperature refrigeration system to capture carbon dioxide and obtain bio-methane with 2.5 % of CO2. Once this bio-methane is obtained, it is liquefied at a pressure of 15 bara and a temperature of -120 °C. An energy and exergy study is studied and takes as reference the pilot of purification and liquefaction Cryo Pur installed at the exit of digester of the purification station of Valenton. CO2 is captured by frosting on the fins of heat exchangers. The defrosting is carried out by a two-phase flow rate taken from the -40 °C stage of the low-temperature refrigeration system. The thesis compares the energy recovered by a liquid CO2 defrosted with a rise in temperature up to -56 °C (triple point temperature of CO2) and defrosting by sublimation of CO2 at a temperature much lower than - 56 ° C which is the subject of an energy optimization. The thesis also conducts an energy and exergy study of the complete process of biogas and bio-methane liquefaction with the recovery of energy by sublimation of carbon dioxide.A test bench is designed to evaluate the energy performance of the CO2 defrosting process by sublimation. The various necessary elements of this test bench are presented with their energy consumption. In this test bench, the defrosting of the carbon dioxide by sublimation is carried out via a low-temperature heat-transfer fluid which recovers the energy sublimation of the CO2 reducing the power consumed by the low-temperature refrigeration system. This new process requires a vacuum pump. The consumption of this vacuum pump depends on the sublimation pressure and is the subject of an energy optimization study. The density of CO2 varies enormously depending on the temperature and the sublimation pressure. A model of the evolution of the thickness of the frost during the sublimation is presented. As a conclusion of this section, a comparison is made between the specific power consumption of the system installed at Valenton and that of the test bench.On the other hand, the duration of the frosting cycle also requires an energy optimization study associated with the design of the exchanger that capture the CO2. The tube-fins exchanger with the shape of the fin and the parameters affecting the CO2 frosting are presented. A study is carried out to uniformly distribution of the CO2 mass on the exchange surface to reduce the blocking rate of the exchanger and to extend the duration of the frosting phase. A study on the effect of biogas velocity and temperature slippage of the refrigerant over the cycle is carried out as well as a study on the materials of the fins and tubes selected in order to minimize the exchange surface and have the bio-methane with 2 % CO2