Micro-installations de liquéfaction du biométhane : technologies de refroidissement et critères de choix

Les micro-installations de liquéfaction de bioLNG sont des installations d’une capacité de quelques tonnes à quelques dizaines de tonnes de biométhane liquéfié par jour, qui refroidissent le biométhane purifié à environ −162 °C. Elles fonctionnent selon l’un des trois schémas suivants : cycle à l’azote (cycle de Brayton inversé), cycle à mélange de fluides frigorigènes ou cycle en cascade. Le choix dépend de l’échelle, du rendement requis, des coûts d’investissement et de l’approche de la sécurité. Toutes exigent un gaz d’entrée très soigneusement purifié.

Étapes de la liquéfaction

1. Purification finale : élimination du CO₂ jusqu’à quelques dizaines de ppm (le CO₂ gèle à basse température), de l’eau en dessous de 1 ppm, du H₂S, du mercure et des hydrocarbures lourds, s’ils sont présents.
2. Pré-refroidissement : eau ou refroidissement mécanique.
3. Liquéfaction : échangeur cryogénique dans lequel le biométhane cède sa chaleur à un fluide frigorigène froid.
4. Sous-refroidissement et détente : afin de limiter l’évaporation lors du stockage.
5. Stockage : réservoir isolé sous vide, chargement dans des camions-citernes.

Technologies

À petite échelle, on choisit le plus souvent des cycles à l’azote ou des mélanges simplifiés, car ce qui compte est la simplicité, la sécurité et de faibles coûts d’exploitation. Dans les installations plus grandes, l’importance du rendement augmente et l’on utilise des mélanges de fluides.

Critères de choix

1. Échelle. Avec de faibles productions de bioLNG, les coûts d’énergie pèsent moins que le CAPEX, c’est donc la simplicité qui compte ; avec de plus grandes, le rendement devient plus important.
2. Consommation d’énergie. Les valeurs typiques de la littérature pour les petites installations de liquéfaction se situent autour de 0,4–0,8 kWh/kg de bioLNG, selon l’échelle et le cycle.
3. Sécurité. Un fluide non inflammable (azote) facilite l’obtention des autorisations et simplifie les protections.
4. Souplesse de charge. Il est souhaitable que l’installation puisse fonctionner avec une offre variable de biométhane.
5. Disponibilité du service. Un support est nécessaire pour les turbodétendeurs, les compresseurs et les échangeurs.
6. Intégration avec l’épuration. Une combinaison avec la liquéfaction du CO₂ (séparation cryogénique) est parfois avantageuse.
7. Disponibilité. Les installations cryogéniques exigent des contrôles réguliers et un dégivrage.

Exemple de comparaison d’énergie

Hypothèses : installation de liquéfaction de 10 t/jour (417 kg/h), 8 000 h/an. Cycle à l’azote 0,7 kWh/kg, cycle à mélange 0,5 kWh/kg (hypothèses illustratives). Consommation annuelle : 417 × 8 000 × 0,7 ≈ 2 335 MWh contre 417 × 8 000 × 0,5 ≈ 1 668 MWh. Écart : env. 667 MWh, ce qui, à 600 PLN/MWh, donne env. 400 000 PLN par an. Si le rendement supérieur coûte 2 millions de PLN de plus en CAPEX, le temps de retour simple est d’env. 5 ans – c’est une façon d’évaluer à titre d’exemple, qu’il faut reproduire avec des offres réelles.

Problèmes d’exploitation typiques

• gel des échangeurs par les impuretés (CO₂, eau),
• pertes par évaporation et nécessité de renvoyer le gaz d’évaporation,
• consommation d’énergie sous-estimée par forte chaleur, lorsque le refroidissement est moins efficace,
• démarrages et arrêts, qui consomment de l’énergie et exigent du temps de refroidissement.

Intégration avec la logistique

Une installation de liquéfaction n’est pas une île solitaire : elle doit coopérer avec le stockage, le bras de chargement et la flotte de camions-citernes. Sa capacité n’a de sens que si l’enlèvement est régulier. Prévoyez un tampon de réservoirs correspondant à plusieurs jours de production, afin de ne pas interrompre la liquéfaction à cause du retard d’un camion-citerne.

Besoins en utilités

Outre l’électricité, une micro-installation de liquéfaction a besoin d’eau ou d’un refroidissement par air (évacuation de la chaleur de compression), d’air ou d’azote d’instrumentation, d’un système de mise à l’air et de récupération du gaz d’évaporation, ainsi que d’une alimentation de secours pour les protections. En été, le rendement du refroidissement baisse ; les projets retiennent donc les conditions les plus défavorables, et non les moyennes annuelles. L’alimentation de secours est importante, car une interruption du système de commande ou de refroidissement sans coupure contrôlée peut conduire à une montée en pression dans les réservoirs.

Questions au fournisseur

Demandez la consommation d’énergie garantie en kWh/kg à la température ambiante estivale, la charge minimale (turndown), le temps de démarrage à froid et à chaud, la concentration de CO₂ requise à l’entrée, des références d’installations de taille similaire et le délai de livraison des éléments clés. Établissez aussi qui est responsable du gaz d’évaporation et comment il est valorisé, car sans solution à cette question apparaissent des émissions de méthane ou des pertes de produit. Il convient également d’évaluer le risque de monopole de maintenance : plus la technologie est propriétaire, plus un contrat de maintenance avec temps de réaction garanti est important.

Conclusion

Le choix de la technologie de liquéfaction est un compromis entre le rendement, la simplicité et la sécurité. Dans les petites installations agricoles, le cycle à l’azote l’emporte souvent, et dans les plus grandes – les schémas à mélanges de fluides. Il faut toujours comparer les coûts totaux, et pas seulement le prix de l’équipement.