Lavage à l’eau dans l’épuration du biogaz : principe de fonctionnement et bilan d’eau

Le lavage à l’eau (water scrubbing) est une absorption physique du CO₂ dans l’eau, réalisée dans une colonne sous une pression de l’ordre de 5–10 bar. La solubilité du CO₂ dans l’eau est plusieurs fois supérieure à celle du méthane (à température ambiante, environ 25 fois), de sorte que l’eau capte principalement le CO₂, et que le méthane quitte la colonne sous forme de biométhane. L’eau est ensuite régénérée dans une colonne de désorption et retourne dans le circuit. La méthode est conceptuellement simple, robuste face aux impuretés et largement utilisée dans les installations de grande taille.

Schéma de l’installation

1. Compression – le biogaz est comprimé à quelques ou une dizaine de bars et refroidi.
2. Colonne d’absorption – le biogaz circule par le bas, l’eau par le haut, à contre-courant. Le garnissage augmente la surface de contact. Par le haut, on soutire du biométhane saturé d’humidité.
3. Ballon de flash – l’eau saturée de CO₂ passe dans un réservoir à pression réduite. Il s’en dégage un gaz riche en méthane dissous, qui est renvoyé avant le compresseur, ce qui limite les pertes.
4. Colonne de désorption (stripping) – l’eau rencontre l’air à contre-courant. L’air entraîne le CO₂ (et une partie du H₂S), et l’eau épurée retourne à l’absorption, généralement après refroidissement.
5. Séchage du biométhane – le gaz sortant du lavage est humide ; il exige donc un séchage avant l’injection.

Bilan d’eau et de température

L’eau circule en circuit fermé, mais une partie est perdue par évaporation et par purge, il faut donc l’appoint. Le besoin en eau d’appoint est faible par rapport au circuit, mais il a de l’importance dans les zones où la disponibilité de l’eau est limitée. La température est importante : plus l’eau est froide, meilleure est la solubilité du CO₂, de sorte que le refroidissement influe sur l’efficacité et la consommation d’énergie.

Sulfure d’hydrogène et impuretés

Le lavage à l’eau élimine en partie le H₂S, qui se dissout lui aussi dans l’eau, mais lors du stripping il est entraîné dans l’off-gas. Cela provoque de la corrosion et une nuisance olfactive ; en pratique, on applique donc une désulfuration préalable. L’eau du circuit favorise la prolifération de micro-organismes, ce qui peut conduire à l’encrassement du garnissage, à une baisse de rendement et à la nécessité d’un rinçage ou d’un dosage de biocides.

Pertes de méthane et off-gas

Les pertes de méthane dans les installations de lavage modernes se situent généralement dans une plage de l’ordre de 0,5–1,5 %. L’off-gas du stripper est de l’air contenant du CO₂, des traces de CH₄ et de H₂S, qu’il faut épurer ou brûler s’il doit satisfaire aux exigences d’émissions et d’odeurs. Une limitation trop agressive des pertes de méthane augmente l’énergie (recirculations plus importantes, flash plus intensif).

Énergie

Le besoin en énergie électrique est similaire à celui des membranes et du PSA – de l’ordre de 0,2–0,3 kWh/m³ de biogaz. Les principaux consommateurs sont le compresseur, les pompes de circulation et la soufflante de stripping. La chaleur de procédé n’est pas nécessaire.

Avantages et limites

Avantages : absence de produits chimiques, grande robustesse face à une composition variable du biogaz, possibilité d’éliminer une partie du H₂S, fonctionnement stable sur une large plage de charges, faibles exigences quant à la pureté du gaz d’entrée.

Limites : grand encombrement des colonnes, besoin d’eau et de refroidissement, pertes de méthane un peu plus élevées que dans le lavage aux amines, biologie du circuit, émissions de l’off-gas, moindre rentabilité à petite échelle.

Exemple illustratif

Hypothèses : 800 m³/h de biogaz, 53 % de CH₄ (424 m³/h de CH₄), 8 000 h/an. Avec une perte de 1,0 %, on perd 424 × 0,01 × 8 000 ≈ 33 900 m³/an (env. 340 MWh). Si un meilleur recyclage ramenait la perte à 0,3 %, la perte tomberait à env. 10 000 m³/an. La valeur de la perte évitée, au prix supposé de 200 PLN/MWh, est d’env. 47 000 PLN par an – c’est un point d’appui pour négocier les garanties.

Quand le lavage à l’eau a du sens

• Lorsque l’échelle est grande (de quelques centaines à quelques milliers de m³/h de biogaz).
• Lorsque le biogaz a une composition variable ou contient du H₂S, et qu’une technologie tolérante est donc nécessaire.
• Lorsque l’eau et la place pour les colonnes sont disponibles, alors que la chaleur bon marché pour un lavage aux amines fait défaut.

Exploitation du circuit d’eau

Les ennuis d’exploitation les plus fréquents sont le biofilm et les dépôts dans le garnissage des colonnes, le moussage et le tartre avec une eau d’appoint dure. Ils sont prévenus par le traitement de l’eau, le rinçage périodique et le contrôle de la qualité du circuit (pH, conductivité, teneur en matières en suspension). Il convient aussi de vérifier si le refroidissement du circuit est prévu pour l’été, car une hausse de la température de l’eau de quelques degrés dégrade la solubilité du CO₂ et augmente la consommation d’énergie. En hiver, le risque est le gel des conduites auxiliaires. Les eaux usées de la purge sont généralement évacuées conformément à l’autorisation relevant du droit de l’eau ; la question de leur quantité et de leur composition doit donc être réglée au stade du projet, et non après la mise en service.

Conclusion

Le lavage à l’eau est une technologie peu compliquée et robuste, dans laquelle le principal défi est la gestion de l’eau et de l’off-gas. Lors de la conception, il convient de prévoir dès le départ la combustion ou la récupération du méthane de l’off-gas.