tour d’horizon sur la valorisation des digestats hors plan

Tour d’horizon sur la valorisation des digestats hors plan d’épandage: Situation actuelle et perspectives.

Action Méthania: Groupe de travail digestats,

31 Mars 2016

F. Monlau

Présentation

• 10-2009 – 12.2012- Doctorat au LBE de NarbonneSujet: Application de prétraitements pour améliorer la production debioH2 et/ ou bioCH4 à partir de matrices lignocellulosiques.

• 03.2013 – 03.2014- Ingénieur, University of Foggia, Italy. Projet: STAR AGROENERGYSujet: Création d’un laboratoire dédié aux biomasseslignocellulosiques et algales. Mise en place d’une thématique derecherche sur les bioraffineries.

• 11.2014 – 12.2015- Ingénieur, INRA – UMR IATE, France.Projet: ANR Hi-Solids. Sujet: Optimisation de l’extrusion et extrusion réactive sur les tiges de mais: Application à la production de bioplastiques et bioénergies.

L’APESA: en quelques chiffres

L’APESA: Centre Technologique en maitrise des risqu es

L’APESA Technologies

Responsable pôle Technologie: Philippe PouechResponsable plateau Technique Camille LagnetInternet: http://www.apesa.fr/

800 m2 de surfaces d’essais et de laboratoires dédiées au:

•Tests de potentiels méthanogènes (BMP). Plus de 200 tests BMP réalisés par an / 15 ans d’expérience demise en oeuvre du protocole / Une base de données de plus de 1000 références•Essais pilotes de méthanisation : Apporter des éléments de décision et de dimensionnement d’un projet deméthanisation (simulation sur un pilote de 20 litres). 10 ans d’expériences sur une grande variété d’essais enpilotes anaérobies•Caractérisation du digestat (méthanisation) ou de compost pour valorisation agricole.

tester l’ensemble d’une filière de traitement de la biomasse, depuis le gisement jusqu’à la qualité du produit aval (digest at et/ou compost).

L’APESA Technologies

Animation régionale de la filière méthanisation

• Structurer le développement de la filière en région• Animer un réseau d’acteurs (relais/porteurs de projets)• Créer une culture commune : journée technique, formation, outils méthodologiques• Capitaliser l’expérience acquise à l’échelle Régionale

Accompagnement des porteurs de projet

• Accompagnement dans les différentes phases de développement• Mise à disposition d’outils • Expertise technico-économique neutre, objective et indépendante

Aide aux études et à l’investissement

Suivi de performances des installations en fonction nement

Le dispositif MéthaqtionResponsable APESA: Mathieu Lalane

D'ici 2020, un tiers de l'énergie consommée en Aquitaine sera issue des énergies renouvelables. Un défiporté par le Conseil Régional d'Aquitaine qui mise fortement sur le développement de la filièreméthanisation pour atteindre cet objectif. L’initiative associe également un ensemble de structures relaistelles que les CUMA, Chambres d'Agriculture, Conseils Généraux déjà impliqués localement.

Le Projet Star Agroenergy

Microalgues

Procédé thermochimiquesDigestion anaérobie

- Pilote de gazéification- Pilote de pyrolyse. - Analyse élémentaire

(CHNS)- Analyse nutriments et

métaux lourds par ICP- Analyse

thermogravimétrique (TGA)- Micro-ondes- Micro GC pour analyse

Syngaz.

- Photo-bioréacteurs (100L)- Photo-bioréacteurs tubulaires (400L)- Raceway (1000L)- Centrifugeuse semi-industriel- Extraction des lipides: chimique, micro-

ondes, C02 explosion. - Analyse des composés par GC-Mass

- BMP en batch- Réacteurs continus de 6 L- Réacteur continus de 100L - Chaine HPLC pour analyses des métabolites- Micro GC pour analyse Biogaz.

Le Labo: Création

Le Projet Star Agroenergy

Digestion anaérobie

Procédés thermo

chimiquesMicroalgue

DIGESTAT

MicrobioInterface Industries

La digestion anaérobie: Procédé actuel

Des verrous pour l’usage agronomique des digestats

• Le digestat est produit tout au long de l’année et donc nécéssité de stockage pour éviter l’émission de gaz à effet de serre.

• Dans les zones d’agricultures intensives, nécéssité de transporter le digestat sur de longues distances pour pouvoir le valoriser. Une fois le coût de transport considéré, le bilan économique peut devenir négatif.

La digestion anaérobie: Un procédé inssufisant

Santi et al. (2015) Anaerobic digestion of corn silage on a commercial scale: Differential utilization of itschemical constituents and characterization of the solid digestate

Prétraitements Post-valorisation

Malgré la capacité du procédé de digestion anaérobi e à convertir une large gamme de produits, le digestat solide reste riche en fibres et lignine.

Mais ensilage

Digestat liquide

Digestat solide

Biogas

Digesteur anaérobie mésophile

Montgomery and Bochmann (2014). Pretreatment of feedstocks for enhanced biogas production. IEA Bioenergy

Prétraitements: les différentes catégories

• Catégories de prétraitements: physique, chimique, biologique ou unecombination de ces procédés.

• Des prétraitements étudiés à l’échelle du laboratoire mais un manqued’exemples concrets à l’échelle pilotes ou pré-industriels

• Un manque d’informations sur le bénéfice économique et l’impactenvironnemental des prétraitements

Prétraitements alcalins à l’echelle du pilote labo

Sorgho

ensilage

T° = 35°C

HRT = 21 days

40°C, 24 h,

160gTS /L

10 gNaOH 100g-1TS

Pas d’ajustemet de pH

Sortie

Entrée

GAS

BAG

CONNECTION TO

WATER BATH

Sambusiti et al. (2013). Benefit of sodium hydroxyde pretreatment of ensiled sorghum forage on the anaerobic reactor stability and ,ethane production. Bioresource Technology.

Prétraitement alcalin

Prétraitements alcalins à l’echelle du pilote labo

0

2

4

6

8

10

12

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Alk

alin

ity(g

Ca

CO

3 /L

) p

H

Time (days)

Alkalinity R1 Alkalinity R2 pH R1 pH R2

alkalinity addition in R1

Prétraitements alcalins: Production de méthane

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Me

tha

ne

pro

du

cti

on

ra

te (

Nm

LC

H4

/d

)

Time (days)

CH4 Reactor 1 CH4 Reactor 2

+25%

Prétraitements: des exemples concrets

Les enzymes permettent d’améliorer leprocédé et diminue les couts d’exploitation:

• améliorent les performances.• réduisent les temps de séjour.•remplacent les prétraitements mécaniqueset ou chimiques.• réduisent les énergies d’agitation.•réduisent les quantités de matièresentrantes.

Source: LFL, 2004 (graphe du dessus)DSM Analysis (graphe du dessous)

MethaPlus® est une enzymecommercialisée par la société DSM pouraméliorer les performances des digesteursanaérobies. Elle est issu de la souche dechampignons (Trichoderma Reesei).


Avant le traitement avec BIOaccelerator

Après le traitement avec BIOaccelerator

Le BIOaccelerators est un extrudeur qui optimise ladécomposition des substrats d'entrée au moyen dudéfibrage, pour obtenir un meilleur rendement en biogaz.

Les digestats anaérobies: une entrée vers la bioraf finerie

F. Monlau, C. Sambusiti, E. Ficara, A. Aboulkas, A. Barakat, H. Carrere (2015). New opportunities for agricultural digestate valorization:review and perspectives. Energy&Environmental Science.

La culture de microalgues

Les microalgues sont naturellement présentes dans les rivières, les lacs et les océans. Pour leur croissance elles ont besoin de soleil, d’eau, de nutriments et de

dioxyde de carbone.

Couplage digestion anaérobie-microalgues

Contacts: Mr. Jean Phillippe SteyerMr. Bruno SialveLaboratoire de Biotechnologies de l’Environnement (Narbonne)Site internet:http://www6.montpellier.inra.fr/narbonne

Sialve et al. 2009. Anaerobic digestion of microalgae as a necessary step to make microalgal biodiesel sustainable. Biotechnology Advances

Couplage digestion anaérobie-microalgues

Contact:EDP Naturgas EnergíaGeneral Concha, 2048010 Bilbao, SpainPhone: +34 94 403 57 [email protected]

Microalgues: diverses filières de valorisation

• Coûts économiques de la récolte.• Teneur en ammonium inhibitrice (C < 200 mg/L).• Forte turbidité des digestats anaérobies liquides.• Tissu cellulaire parfois résistant: Prétraitement

pour application bio-carburants.

Microalgues: quelques laboratoires Européens

Contacts: Mr. Jean Phillippe SteyerMr. Bruno SialveLaboratoire de Biotechnologies de l’Environnement (Narbonne)Site internet:http://www6.montpellier.inra.fr/narbonne

Contacts: Mme. Elena FicaraEcole Polytechnique de Milan (ITALIE)Site internet: http://www.polimi.it/

Digestats : Biogaz production après post-traitements

C. Sambusiti, F. Monlau, E. Ficara, A. Musatti, M. Rollini, A. Barakat, F. Malpei (2015). Comparison of various post-treatments forrecovering methane from agricultural digestate. Fuel and processing technology.

Fraction totale ou solide

Post-traitements- Thermique (80°C, 1h).- Alcalins (NaOH)- Enzymatique (Methaplus)

Digestats : Biogaz production après post-traitements

C. Sambusiti, F. Monlau, E. Ficara, A. Musatti, M. Rollini, A. Barakat, F. Malpei (2015). Comparison of various post-treatments forrecovering methane from agricultural digestate. Fuel and processing technology.

DIG: Fraction totale du digestat.SS: Fraction solide du digestat.

Peu ou absence d’effets desprétraitements thermiques etalcalins.

Prétraitement enzymatique: + 13% SS+ 51% DIG

POST-TRAITEMENTS:• Permet de traiter uniquement la matière récalcitrante: réduction coûts vs pré-traitements.• Permet de maximiser la production de méthane: réduction de la quantité d’intrants.

Digestats solides et liquides: Bioéthanol productio n

C6H12O6→ 2 CO2 + 2 C2H5OH

180 g/mol 44g/mol 46g/mol1 g 0.489 g 0.511 g

Grâce à leur forte teneur en cellulose, les digestats solides représentent un candidat idéal pour la production de bioéthanol.

Digestats solides et liquides: Bioéthanol productio n

Bioéthanol fermentation (SSF)

Pré

trai

tem

ents

Digestat solide riche en fibres et

lignine

Digestat liquide riche en nutriments

• Le digestat solide riche en cellulose sert de substrat d’entrée pour la productionde bioéthanol.Ethanol production de 51 g L-1, identique à celle du panic érigé (Yue et al., 2011).

• Le digestat liquide riche en nutriments peut servir de milieu de cultures pour lacroissance des levures éthanoïques (S. Cerevisae) se substituant à un ajoutsynthétique. Digestat liquide: 85.9 gethanol L-1 ; Milieu synthétique: 82.8 gethanol L-1

(Gao and Li, 2011).

Valorisation des digestats par procédés thermochimi ques

Source: Le biochar, un nouvel intrant pour les supports de culture ?Ludovic FAESSEL (RITTMO)

Procédés thermochimiques: Pyrolyse

Alimentation:56 t/jour de déchets agricoles: fumiers;

résidus d’olives; triticale )

F. Monlau, C. Sambusiti, N. Antoniou, A. Barakat, A. Zabaniotou (2015). A new concept for enhancing energy recovery from agricultural residues by coupling anaerobic digestion and pyrolysis process. Applied Energy, 148 (32-38).

Procédés thermochimiques: Pyrolyse

Le couplage digestion anaérobie / pyrolyse permet une produ ctionsupplémentaire de 42% d’électricité et la production de bio char.

ACV et bilans économiques de divers scénarios

Mills et al. (2014). Environmental & economic life cycle assessment of current & future sewage sludge to energy technologies. Waste Management.

Comparaison énergétique des divers procédés


Procédés thermochimiques: Perspectives

Fabbri and Torri (2016). Linking pyrolysis and anaerobic digestion (Py-AD) for the conversion of lignocellulosic biomass. Current Opinion in Biotechnology.


Hubner and Mumme (2015). Integration of pyrolysis and anaerobic digestion – Use of aqueous liquor from digestate pyrolysis for biogas production. Bioresource Technology


Y., Shen, J L., Linville, M. U., Demirtas, R. P., Schoene, S., W. Snyder (2015). Producing pipeline-quality biomethane via anaerobicdigestion of sludge amended with corn stover biochar with in-situ CO2 removal. Applied Energy.

Procédés thermochimiques: quelques laboratoires

Contact: Tobias HübnerLeibniz Institute for Agricultural Engineering Potsdam-Bornim, Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam, Germany

Contact: Cristian Torri, Daniele FabbriCentro Interdipartimentale di Ricerca Industriale: Energia Ambiente, Università di Bologna, Via Sant’Alberto 163, 48123 Ravenna, Italy

Contact: Anastasia ZabaniotouBiomass Group, Chemical Engineering Department, Aristotle University of Thessaloniki, Un. Box 455, 54124 Thessaloniki, Greece

Contact: Anastasia ZabaniotouBiomass Group, Chemical Engineering Department, Aristotle University of Thessaloniki, Un. Box 455, 54124 Thessaloniki, Greece

Biochar: un nouveau support au vertu multiple

• Métaux lourds• Nutriments• Pesticides

• Carbone récalcitrant

• Puits de carbone dans les sols

• Biogaz épuration• Biofilm microbien

• Detoxification

• Effets physiques• Effets chimiques• Inocuité

Agronomie Digestion anaérobie

RémédiationSéquestration du carbone

Le biochar est un produit carboné microporeux résultant de la dégradation thermique en l’absence d’oxygène. Il peut être utilisé pour diverses applications

environnementales.

Biochar: application au procédé de digestion anaéro bie

Clark Group, 2006

Bio-oil

Syngas

BIOGAZCH4/CO2/H2S

Epuration du biogaz

Support microbienEffet de détoxification

et stabilité.

Biochar: application pour l’agronomie et l’agricult ure

Quelques effets positifs de l’ajout des biochars dans les sols:

-réduction du lessivage des nutriments.-amélioration de la rétention d’eaux.-amélioration de la fertilité.-amélioration des stocks de carbone.-stimulation de la vie microbienne.-augmentation du pH des sols.-réduction des émissions de CH4 et N2O.-séquestration du carbone dans les sols.

Biochar: application pour l’agronomie et l’agricult ure

Le biochar peut être un complément idéal au digestats liquides (fertilisants) et digestats solides (MO). Le biochar ne remplace pas la MO et vice versa mais apporte une complémentarité.

Monlau et al. (2015). Toward a functional integration of anaerobic digestion and pyrolysis for a sustainable resourcemanagement. Comparison between solid-digestate and its derived pyrochar as soil amendment. Applied Energy.

Biochar: Séquestration du carbone dans les sols

Les biochars une stratégie pour la séquestration du carbone dans les sols.Dans la pyrolyse, 50% environ du C est conservé et stocké par le biochar lors d’amendement.

Bilan carbone négatifBilan carbone neutre

Source: Le biochar, un nouvel intrant pour les supports de culture ?Ludovic FAESSEL (RITTMO)

Biochar: application pour les procédés de rémédiati ons


Conclusions

• Digestat Liquide : Culture de microalgues: une multitude d’applications possibles surtout « biocarburants ».Milieu nutritif pour les procédés fermentaires type bioéthanol.

• Digestat Solide : Fibres riches en cellulose: BioEtOH ou Biogaz après post-traitements.Pas de dégradation de la lignine.

Fibres riches en lignine: Procédé thermochimiquePyrolyse vs gazéification vs HTC

Perspectives

Microalgue/Digestat liquide:Solution innovante pour la récolte et la réduction de turbidité.Engrais à diffusion lente ou à retard. Epuration du biogaz par cultures de microalgues.

BioEtOH, Bio CH 4/Digestat solide:Application post-traitements à échelle pilote.Compréhension de la recirculation des digestats liquides.Production d’H2, de bio-plastiques par voie fermentaire.

Procédé thermochimiques/Digestat solide:Comparaison des procédés de pyrolyse, HTC et gazéification.Etude des interactions biochar/digestion anaérobie.Eclaircir la complémentarité biochar / autres amendements.Innocuité des biochars et application à l’échelle du champ.Eclaircir le positionnement réglementaire des biochars. Pas

inclus dans les normes NFU 44-551 et NFU 44-051.

Perspectives

Un manque de données sur ces nouvelles filières à des échelles «prototypes/pilotes» nécessaire pour définir leurs impacts environnementales,

économiques et énergétiques.

Participations aux travaux et remerciements

Hélène Carrere, Eric Trably et Jean Philippe SteyerLaboratoire de Biotechnologie de l’Environnement.

Cecilia Sambusiti et Abdellatif BarakatIngénierie des agro-polymères et technologies émergentes

Elena FicaraEcole Polytechnique de Milan (ITALIE)

Anastasia Zabaniotou et Nikolaos AntoniouBiomass Group, Chemical Engineering Department, Aristotle University of Thessaloniki (Grèce).

Merci de votre attention...Monlau Florian

Chargé de mission Tel: 0688491845

Email: [email protected]

Quelques références importantes:C, Fabbri and T, Torri (2016). Linking pyrolysis and anaerobic digestion (Py-AD) for the conversion oflignocellulosic biomass. Current Opinion in Biotechnology.F. Monlau, C. Sambusiti, E. Ficara, A. Aboulkas, A. Barakat, H. Carrere (2015). New opportunities foragricultural digestate valorization: review and perspectives. Energy&Environmental Science.J. P. Sheets, L. Yang, X, Ge, Z Wang, Y, Li (2015). Beyond land application: Emerging technologies for thetreatment and reuse of anaerobically digested agricultural and food waste. Waste Management.

tour d’horizon sur la valorisation des digestats hors plan

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