CO₂ biogénique : valorisation, purification et liquéfaction

Contexte et intérêts 

La production de biométhane compatible avec une injection dans les réseaux de gaz nécessite une étape d'épuration du biogaz, qui consiste principalement à séparer le CH₄ et le CO₂. Le CO₂ séparé, biogénique à cycle court et donc neutre pour le climat, est jusqu'à présent relâché dans l'atmosphère. Ce CO₂ très pur a pourtant une valeur marchande et des usages potentiels très variés. Par ailleurs, sa récupération permet de capter le biométhane résiduel des offgaz de l'épuration (0,5 à 2% du offgaz), et de réduire ainsi les pertes de production d'un site tout en améliorant le bilan carbone déjà très bon du biométhane (23,4 gCO₂eq/kWh PCI).

Attention : Il s'agit d'une estimation tenant compte du rendement du système de récupération du CO₂  qui peut fortement varier d'une installation à une autre.

Pour information : 10 000 à 15 000 tonnes de déchets organiques par an (fumiers, lisiers, résidus de culture, CIVE, biodéchets) permettent de produire environ 100 Nm³/h de biométhane. La capacité moyenne des sites d'injection biométhane en France est d'environ 200 Nm³/h.

Le marché actuel du CO₂ 

En France, les principales sources conventionnelles de CO₂ sont les usines de bioéthanol (CO₂ biogénique), d'hydrogène et d'engrais (CO₂ fossile). Après purification et liquéfaction du CO₂ fatal de ces sources, celui-ci est transporté par camion dans des cuves cryogéniques, sur des distances allant jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres. In fine, le CO₂ alimente la cuve du client consommateur, souvent louée par les fournisseurs du CO₂. Ces derniers sont majoritairement représentés par les grands gaziers industriels tels qu'Air Liquide, ACP, Nippon Gases – Praxair, Messer, Linde, etc. En termes de qualité du CO₂, les exigences varient fortement d'un débouché à l'autre. Il est donc nécessaire de bien se renseigner, en raison de la diversité des besoins : consultez le chapitre 4 du guide de valorisation CO₂ du CTBM.

Le prix de marché du CO₂ est très variable : avant le début de l'inflation en 2022, il était d'environ 50 à 200 €/tCO₂ et une moyenne autour de 120-150 €/tCO₂ pour des consommateurs réguliers non loin des sources de production. Post 2022, les prix ont fortement augmenté.

Ce prix dépend principalement :

• De la distance de livraison,
• Du volume consommé,
• Des prix du gaz naturel (matière première des usines de vaporeformage et d'engrais),
• De l'équilibre offre / demande sur le marché.

Sur ce dernier point, il existe en effet de fortes tensions saisonnières sur le marché du CO₂, induisant une volatilité du prix associée à des pénuries pouvant affecter grandement certains consommateurs.

Concernant la structure du coût de revient du CO₂, celle-ci est composée principalement :

• Du coût de capture / conditionnement du CO₂ sous forme liquide,
• Du transport en camion-cuve cryogénique.

Le coût de transport est variable en fonction de la distance. Ainsi, dès qu'un trajet aller/retour impose une nuit de déplacement au conducteur (au-delà de 600 km aller/retour environ, en tenant compte des temps de chargement/déchargement), le coût en €/tCO₂ transporté devient prépondérant dans le prix final, voire prohibitif pour de très longues distances.

Aussi, disposer d'un CO₂ biogénique local, produit toute l'année par des producteurs de biométhane permettrait de répondre à ces limites actuelles. Mais comment les producteurs de biométhane peuvent valoriser cette ressource supplémentaire ?

La chaine de valorisation du CO₂ biogénique de la méthanisation  

La purification du CO₂ biogénique  

L'offgaz est déjà fortement concentré en CO₂ (plus de 98%). Néanmoins pour atteindre les niveaux de pureté exigés par les consommateurs et permettre la liquéfaction du CO₂, une étape de purification est nécessaire.

Des étapes de prétraitements sont indispensables pour éliminer les traces d'eau, de composés soufrés (corrosifs et toxiques) et d'huiles. La purification permet ensuite de séparer les résidus de biométhane (jusqu'à 2% de l'offgaz) du CO₂. Ce résidu de biométhane peut être injecté sur le réseau et représente donc une source de revenu complémentaire.

Une unité de liquéfaction de CO₂ réalise les fonctions successives suivantes :

• Compression des offgaz issus de l'épurateur,
• Purification sur charbon actif,
• Séchage afin d'éliminer toute trace d'eau,
• Liquéfaction du CO₂,
• Stockage & transport.

L'objectif est d'obtenir un CO₂ d'une grande pureté (concentré à plus de 99%vol CO₂), liquide et donc facile à transporter.

A noter qu'une 1t de CO₂ gazeux prend 1 000 fois plus de place qu'1t de CO₂ liquide.

Le transport du CO₂ 

Aujourd'hui, le CO₂ est transporté sous forme liquide par camion. Le coût du transport augmente avec la distance du consommateur et peut se révéler prohibitif pour les très longues distances.

Le CO₂ issu de la méthanisation peut être compétitif s'il est vendu localement c'est à dire dans des zones éloignées des sources conventionnelles et pour lesquelles le coût de transport élevé compense le faible coût de capture. La fourniture locale de CO₂ (< 200 km) est donc le facteur clé. Il doit être combiné à une rentabilisation maximale des moyens logistiques (camion et cuve) lorsque ces derniers sont achetés. Cette rentabilisation peut passer par la mutualisation avec d'autres unités de méthanisation, voire par la création de coopératives du CO₂ qui collecteraient et vendraient le CO₂ auprès de différents consommateurs. La logistique peut également être sous-traitée à un transporteur qualifié.

Le transport par canalisation de CO₂ peut se révéler pertinent pour des usages de proximité (moins de 5 km). Il permet notamment de se passer de l'étape de liquéfaction très couteuse et d'offrir un CO₂ local très compétitif. La contrepartie est que le biométhane résiduel n'est pas récupéré. Le cadre réglementaire de ces canalisations reste toutefois à clarifier.