Séparation cryogénique du CO₂ du biogaz : principe de fonctionnement et lien avec le bioLNG

La séparation cryogénique exploite les différences de température des changements de phase : le CO₂ passe à l’état liquide ou solide nettement plus haut que le CH₄, qui ne se liquéfie qu’autour de −162 °C à la pression atmosphérique. Si l’on refroidit donc le biogaz comprimé jusqu’à une plage de l’ordre de −50…−90 °C (selon la pression et la composition), le CO₂ se liquéfie ou cristallise et peut être séparé du méthane gazeux. La technologie est moins répandue que les autres, mais elle présente une particularité exceptionnelle : elle peut mener plus loin jusqu’à la liquéfaction du méthane, c’est-à-dire au bioLNG, et elle donne du CO₂ liquide.

Pourquoi le CO₂ peut être séparé si facilement

Le point triple du CO₂ se situe à une température d’environ −56,6 °C et à une pression d’environ 5,2 bar. Au-dessus de cette pression, le dioxyde de carbone peut exister à l’état liquide, en dessous – il se resublime en solide (neige carbonique). Le méthane reste dans ces conditions à l’état gazeux, car sa température critique est d’environ −82 °C. La séparation est donc possible en choisissant la pression et la température ; les détails dépendent de la composition du gaz et de la configuration.

Chaîne technologique typique

1. Purification préalable – élimination du H₂S, des siloxanes, des COV et de l’eau. L’eau et le H₂S gèlent dans les échangeurs et provoquent des blocages.
2. Compression et pré-refroidissement – le gaz est comprimé et refroidi progressivement, avec récupération du froid.
3. Liquéfaction ou resublimation du CO₂ – dans un échangeur ou une colonne de distillation, le CO₂ se sépare sous forme de liquide ou de solide et est recueilli.
4. Refroidissement ultérieur du méthane – si l’objectif est le bioLNG, le biométhane est refroidi à environ −162 °C. Si l’objectif est le réseau, le méthane revient à la température ambiante.
5. Récupération du froid – l’énergie frigorifique des produits sert à refroidir le gaz d’entrée.

Avantages

• Grande pureté du CO₂ et production directe de CO₂ liquide, facile à transporter et à vendre.
• Faibles pertes de méthane dans des dispositifs bien conçus.
• Cohérence avec la production de bioLNG – au lieu de deux installations distinctes (épuration et liquéfaction), on obtient une chaîne intégrée.
• Absence de solvants chimiques.

Inconvénients

• Complexité et CAPEX – échangeurs cryogéniques, compresseurs, récupération du froid, exigences en matière de matériaux.
• Sensibilité aux impuretés – l’eau, le H₂S et les siloxanes doivent être éliminés très soigneusement.
• Énergie – le refroidissement à de basses températures coûte ; si toutefois l’objectif est le bioLNG, une partie de l’énergie devrait de toute façon être dépensée pour liquéfier le méthane.
• Échelle – la rentabilité augmente avec des flux plus importants, bien que des unités en conteneurs soient en cours de développement.

Où cela a du sens

La technologie convient là où deux objectifs se combinent : la vente de bioLNG (pour le transport, y compris lourd et maritime) et la vente de CO₂ liquide (pour l’industrie alimentaire ou comme matière première). Le prix du bioLNG et du CO₂ étant parfois supérieur à celui du biométhane de réseau, la valeur des produits annexes peut justifier un CAPEX plus élevé. La condition est un enlèvement stable des deux produits ainsi qu’une logistique (camions-citernes cryogéniques).

Exemple illustratif : quelle quantité de CO₂ contient le biogaz

Hypothèses : 1 000 m³/h de biogaz, 45 % de CO₂, masse volumique du CO₂ d’env. 1,98 kg/m³ (conditions normales), 8 000 h/an. Flux de CO₂ : 450 m³/h ≈ 890 kg/h ≈ 7 100 t/an. Avec un prix de vente supposé du CO₂ liquide de 300 PLN/t (hypothèse purement illustrative – les prix dépendent du marché local et de la qualité), le revenu brut est d’env. 2,1 millions de PLN/an, dont il faut déduire les coûts de liquéfaction, de stockage et de transport. Dans l’étude de faisabilité, il faut s’appuyer sur des contrats d’enlèvement, et non sur des hypothèses.

Exigences de qualité de la charge

Pour les dispositifs cryogéniques, l’essentiel est que, dans le gaz arrivant aux échangeurs, il ne reste pratiquement que du CH₄ et du CO₂. L’eau doit être éliminée jusqu’à un point de rosée très bas, et le H₂S, les siloxanes et les composés organiques volatils jusqu’à des niveaux de traces, car à basse température ils forment des dépôts solides et obstruent les canaux des échangeurs. L’ammoniac et les hydrocarbures plus lourds, s’ils sont présents, peuvent aussi geler avant le CO₂. C’est pourquoi les installations cryogéniques sont précédées d’une épuration poussée (adsorbeurs, charbon actif, tamis moléculaires). Le coût de cette étape est inclus dans le calcul, et sa qualité détermine la disponibilité.

Rôle des capacités de stockage

Le CO₂ liquide et le bioLNG exigent des réservoirs isolés et des procédures de sécurité (pression, basses températures, risque d’asphyxie en cas de fuite de CO₂). Le stockage joue le rôle de tampon entre une production continue et un enlèvement périodique par camions-citernes ; sa taille doit donc être adaptée au calendrier logistique, et pas seulement à la capacité de l’installation.

Conclusion

La cryogénie est une technologie de niche, mais logique lorsque l’objectif est le bioLNG et le CO₂ liquide. Elle exige les plus hauts standards de purification préalable et des investissements plus importants, et offre en échange des produits de grande qualité.