Composition du biogaz

Note technique 1 : Composition du biogaz et phénomènes influant sa composition

 Le biogaz est un mélange de différents gaz dont les proportions peuvent varier.

  • Le méthane (CH4) est le composant majoritaire du biogaz. Il possède une forte valeur énergétique (802kJ/mol) et aussi un fort pouvoir réchauffant (25 fois plus fort que celui du CO2).
  • Le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz non corrosif n’ayant pas de valeur énergétique. Pour une valorisation sur chaudière ou sur moteur de cogénération, il est conservé. Pour une valorisation en biogaz carburant ou en injection sur le réseau de gaz, il doit être ôté par des systèmes d’épuration.
  • L’hydrogène sulfuré (H2S) est un gaz issu du catabolise des acides aminés soufrés. C’est un gaz dangereux car son inhalation est mortelle. Ce gaz, lors de sa combustion, engendre de l’acide sulfhydrique qui endommage les éléments de valorisation (chaudières ou moteurs).
  • La vapeur d’eau (H2O) est également présente dans le biogaz. Généralement à saturation dans le biogaz brut, elle peut lorsqu’elle passe à l’état liquide endommager les éléments de valorisation du biogaz (électrovannes, détendeurs, brûleurs…).
  • Des siloxanes peuvent être trouvés dans le biogaz. Il s’agit de dérivés du silicium issus le plus généralement de la dégradation des produits cosmétiques. Les biogaz de décharges (ISDN) sont souvent riches en siloxanes ; les biogaz agricoles en sont exempts. Ils peuvent être très nuisibles aux éléments de valorisation du biogaz car ils vitrifient à haute température dans les corps de chauffe des chaudières biogaz ou dans les cylindres des moteurs de cogénération.

Le tableau ci-dessous représente les variations de composition d’un biogaz agricole brut en méthanisation psychrophile.

TABLEAU_COMPOSITION_BIOGAZ_NOTE_TECHNIQUESeuils de toxicité et variations de concentration d’H2S dans le biogaz

L’hydrogène sulfuré est un gaz particulièrement dangereux car son inhalation peut être mortelle. Il possède une odeur caractéristique « d’œuf pourri » à faibles concentrations ce qui permet de le détecter aisément. Lorsque la concentration augmente, il sature les récepteurs olfactifs du nez et devient inodore. C’est à ce moment qu’il devient dangereux car, à forte concentration, il est mortel.

Le tableau ci-dessous (source : INERIS), présente les « seuils des effets létaux » qui correspondent à la concentration maximale pour un temps d’exposition donné en dessous de laquelle chez la plupart des individus, on n’observe pas de décès.

concentration H2S mortelle ppm nenufar biogaz dangerÉlément de sécurité : lors de toute intervention dans des espaces confinés, il est indispensable de travailler à deux et que chaque opérateur dispose d’un détecteur portable d’H2S doté d’une alarme.

C’est le taux de souffre sous forme organique des intrants qui influe sur le taux d’H2S dans le biogaz. En effet, l’introduction dans un digesteur de protéines soufrées (typiquement des tourteaux de colza) permet d’observer rapidement une augmentation de la concentration d’H2S dans le biogaz. Sans traitement, le biogaz brut issu de la digestion de lisiers ou des boues de stations d’épuration peut dépasser les 10 000 ppm. La digestion des graisses par exemple, produit un gaz pauvre en H2S.

Variations du taux de méthane dans le biogaz

Différents éléments influent sur le taux de méthane du biogaz brut et donc sur son pouvoir calorique.

La qualité des réseaux : des réseaux de biogaz non étanches mis en dépression peuvent aspirer de l’air et donc de l’azote et de l’oxygène venant baisser le taux de méthane par effet de dilution. Cela peut être le cas notamment dans les casiers de centre d’enfouissement de déchets non dangereux où il n’est pas rare d’avoir des biogaz à 40% de méthane.

La qualité des intrants et notamment les compositions atomiques et le rapport C/O influe sur la richesse en méthane du biogaz. A titre d’exemple, la méthanisation du glucose se fait via les ratios suivants : C6H12O6 => 3 CO2 + 3 CH4 donc le biogaz produit sera de 50% CH4 et 50% CO2. Ainsi, la digestion des fibres cellulosiques produit un gaz à 51% de CH4 alors que celle des graisses produit un gaz avoisinant les 71%.

La température dans le milieu influe sur les solubilités du CH4 et du CO2, principaux composants du biogaz. Plus la température augmente, moins les gaz sont solubles. On remarque sur les graphs ci-dessous que, quelle que soit la température, le CO2 est de l’ordre de 100 fois plus soluble que le CH4. Plus la température est basse, plus le CO2 a tendance à rester dans la phase liquide et à ne pas migrer vers le ciel gazeux du digesteur. L’influence de la température sur la solubilité du méthane est quant à elle négligeable. C’est la raison pour laquelle la température influe sur le taux de méthane du biogaz. En méthanisation psychrophile (à température ambiante), on observe des taux de méthane plus importants en hiver (fréquemment au-delà de 70%) qu’en été.

solubilité methane CO2 CH4 biogaz température Nénufar