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LUXEMBOURG CREATIVE 2017 : Perséphone

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Perséphone : l'intégration du biogaz dans la nouvelle bioéconomie

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LUXEMBOURG CREATIVE 2017 : Perséphone

  1. 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. 2. Projet européen INTERREG VA • Cofinanceurs : • Budget :  4 121 359,92 € avec taux de cofinancement FEDER de 60 %
  3. 3. Partenariat : • 1 chef de file : • 6 partenaires scientifiques : • 5 installations : • 2 partenaires industriels : • 2 partenaires méthodologiques :
  4. 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. 5. Digestion anaérobie Bioraffinage Biogaz Nutriments Matière fertilisante Energie renouvelable Productions agricoles Alimentation Industrie PERSEPHONE 2030
  6. 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. 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. 8. A3: Intégration de la filière biogaz dans l’économie bio-basée Raffinage du digestat: Engrais organiques formulés Eau Bio-composés ?
  9. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 15. ECOBIOGAZ – INTERREG IVA Au long terme ???  Perséphone
  16. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 34. Merci de votre attention
  35. 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%

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