Épuration par membranes : comment fonctionne la séparation du CH₄ et du CO₂ dans une unité de production de biométhane

La séparation membranaire consiste à faire passer le biogaz comprimé à travers des faisceaux de fines fibres polymères, dans lesquelles le CO₂ traverse la paroi plusieurs fois plus vite que le CH₄. D’un côté de la membrane se recueille un flux enrichi en méthane (rétentat – biométhane), de l’autre un flux riche en CO₂ (perméat). C’est l’une des technologies d’épuration les plus fréquemment choisies, en particulier dans les installations de petite et moyenne taille, car elle est modulaire, sans produits chimiques et relativement simple à exploiter.

Mécanisme : dissolution et diffusion

La perméation à travers une membrane dense est décrite par le modèle de dissolution–diffusion. Les molécules de gaz se dissolvent dans le polymère du côté haute pression, diffusent à travers la couche et se désorbent du côté basse pression. La vitesse dépend de la différence de pressions partielles, de l’épaisseur de la couche active et de la perméabilité du matériau à l’égard du gaz considéré. La vapeur d’eau, le CO₂, le H₂S et l’ammoniac traversent très rapidement, l’oxygène – modérément, et le méthane et l’azote lentement. Le rapport des perméabilités CO₂/CH₄ s’appelle la sélectivité ; plus elle est élevée, plus il est facile d’obtenir du méthane pur avec une faible perte. Les matériaux typiques sont les polyimides, les polysulfones et l’acétate de cellulose, formés en fibres capillaires dans des modules reliés en série et en parallèle.

Schéma technologique

1. Purification préalable – élimination du H₂S (par ex. charbon actif ou désulfuration biologique), des aérosols, des gouttes de condensat et des composés organiques volatils. Les huiles du compresseur et les siloxanes sont nocifs.
2. Compression – le biogaz est généralement comprimé à une dizaine de bars (de l’ordre de 8–16 bar(g), selon le fournisseur).
3. Étages de membranes – dans un dispositif à deux étages, le rétentat du premier étage va au second, et le perméat du second revient avant le compresseur. Dans les dispositifs à trois étages, le perméat du premier étage passe dans un étage supplémentaire de récupération du méthane.
4. Séchage et conditionnement – après les membranes, le biométhane est séché, éventuellement enrichi en propane et odorisé.
5. Off-gas – le perméat du dernier étage contient principalement du CO₂ avec des traces de méthane et exige une combustion ou une valorisation.

Pertes de méthane et pureté

Plus la pureté exigée du biométhane est élevée et la perte faible, plus la surface de membranes et l’énergie de compression sont importantes. Les dispositifs multi-étagés modernes atteignent généralement des pertes inférieures à 1 %, et une partie des fournisseurs déclare des niveaux de l’ordre de 0,5 % ou moins ; la valeur contractuelle dépend de la garantie et de la charge. Une baisse de charge en dessous de la charge nominale peut dégrader les performances ; les installations sont donc conçues en tenant compte de la plage de régulation.

Énergie

Le principal consommateur d’énergie est le compresseur. Pour les dispositifs membranaires, on indique généralement un besoin en énergie électrique de l’ordre de 0,2–0,35 kWh par m³ de biogaz brut, ce qui correspond à environ 0,35–0,6 kWh par m³ de biométhane pour un biogaz à 55 % de CH₄. Il convient d’exiger du fournisseur une déclaration pour l’ensemble du dispositif (avec séchage, refroidissement et purification préalable), car différents acteurs présentent des valeurs pour différents périmètres de bilan.

Avantages et limites

Avantages : compacité, montage rapide, absence de produits chimiques et d’eau de procédé, extension facile par ajout de modules, possibilité de fonctionner en conteneurs.

Limites : sensibilité aux impuretés (huile, condensat, siloxanes), nécessité de remplacer les modules après des années de fonctionnement, flux de CO₂ de faible pureté (avec des traces de CH₄), souplesse limitée à très faible charge.

Conseils pour l’investisseur

• Exigez une garantie des pertes de méthane pour une charge et une composition de biogaz déterminées, avec un mécanisme de pénalités.
• Interrogez-vous sur les conditions de remplacement des modules et sur le coût par m³ de biométhane produit.
• Prévoyez la valorisation de l’off-gas : la simple combustion est facile, mais sans récupération de chaleur elle gaspille de l’énergie.
• Adaptez la purification préalable au biogaz de substrats précis (par ex. beaucoup de H₂S avec des déchets d’abattoir).
• Vérifiez la qualité de la compression : les compresseurs sans huile ou avec une bonne filtration de l’huile prolongent la vie des membranes.

Exemple de calcul

Hypothèses : 500 m³/h de biogaz, 55 % de CH₄, methane slip de 0,6 %, compression d’env. 0,25 kWh/m³ de biogaz. Puissance électrique des compresseurs ≈ 125 kW (500 × 0,25). Méthane avant pertes : 275 m³/h ; perte ≈ 1,65 m³/h ; production de méthane dans le biométhane ≈ 273 m³/h. Consommation annuelle d’énergie électrique à 8 000 h : env. 1 000 MWh. Avec un prix supposé de l’électricité de 600 PLN/MWh, cela représente env. 600 000 PLN par an, soit ≈ 0,27 PLN par m³ de biométhane. Les valeurs sont illustratives et ne remplacent pas l’offre du fabricant.

Conclusion

Les membranes sont un compromis entre la simplicité et l’efficacité. Un dispositif multi-étagé bien conçu donne de faibles pertes de méthane, mais exige un gaz d’entrée propre et une exploitation attentive.