PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA STATION PILOTE

Notre projet propose l'immersion à faible profondeur de l'ensemble du système (séparateur et colonne de lavage).

Le fait de travailler entièrement sous l'eau présente de nombreux avantages :

• le volume de gaz libéré par le séparateur et qu'il faudra laver diminue
• la pression de gaz augmente, donc l'acheminement par gazoduc vers la berge est facilité
• les opérations de lavage et de transport peuvent se faire avec un apport minimal d'énergie extérieur
• la richesse en méthane du mélange gazeux est directement optimisée au niveau du séparateur
• l'efficacité de mise en solution du CO2 dans la colonne de lavage est multipliée.
  

Mais cette option présente aussi quelques inconvénients :

• la force motrice de l'autosiphon diminue
• une partie du méthane reste en solution dans l'eau rejetée et est donc perdue pour l'exploitation.

Ces remarques sont capitales car elles illustrent le compromis à faire entre le débit de gaz total et la perte de méthane.

Le dégazage sous la surface du lac

Le méthane étant 25 fois moins soluble dans l'eau que le gaz carbonique, son ex-solution devrait se produire avant celle du CO2. En fait, si les deux gaz se comportaient de manière indépendante, les premières bulles de méthane devraient apparaître vers 120 m de profondeur alors que celles de gaz carbonique devraient se former seulement aux environs de 15 m.

Apparemment, en positionnant le séparateur à cette profondeur on devrait obtenir du méthane pur, le CO2 restant dissout dans l'eau. Ce raccourci théorique est évidemment incorrect car il ne prend pas en considération l'établissement des équilibres entre les espèces chimiques : lorsqu'une bulle se forme, l'ensemble des gaz dissous diffuse dans la bulle jusqu'à l'obtention d'un équilibre des pressions partielles avec l'eau. Dès qu'une bulle de méthane apparaît l'instabilité ainsi créée fait passer d'autres espèces dissoutes à l'état gazeux jusqu'à ce que l'équilibre des pressions partielles soit réalisé à l'intérieur de la bulle et dans le liquide.

Cette remarque importante est cependant délicate à quantifier avec exactitude : le calcul du comportement du fluide diphasique en mouvement dans la colonne de dégazage est en effet difficile à réaliser, compte tenu du grand nombre de paramètres mis en en jeu. Il est pourtant avéré qu'en procédant à une séparation gaz-liquide sous pression, c'est-à-dire en immergeant le séparateur en profondeur, la richesse en méthane du mélange sera nettement supérieure à celle obtenue pour un séparateur disposé en surface. Les conclusions de la majorité des projets depuis une trentaine d'années vont dans ce sens.

D'autre part, du fait qu'une grande partie du CO2 reste en solution lorsqu'on opère en profondeur, les volumes de gaz à traiter sont moins importants. Les opérations successives de lavage peuvent être redimensionnées afin d'obtenir un gaz d'autant plus enrichi en méthane.
Malheureusement, deux points négatifs sont à considérer.

• Premièrement, les volumes de gaz résultant de l'ex-solution étant réduits, la force motrice d'auto pompage s'en trouve diminuée d'autant.
• Deuxièmement, la séparation liquide-gaz en profondeur augmente la quantité de méthane restant en solution dans l'eau d'où une baisse de la quantité totale de méthane potentiellement récupérable.

Perte en méthane, débit de gaz et critère de choix énergétique

La diminution du débit volumique de gaz avec l'augmentation de la profondeur du séparateur a une importance majeure dans la conception globale du système. En effet l'efficacité du lavage et son coût énergétique dépendent directement du volume de gaz à traiter. En diminuant cette quantité de gaz, la quantité d'eau de lavage nécessaire est diminuée d'autant, d'où un gain de dimensionnement de la colonne de lavage.

Pour minimiser les quantités de gaz à laver, il semble qu'une profondeur minimum de 10 m soit requise. Mais plus la séparation gaz-liquide se fait en profondeur, plus on perd de méthane, qui reste en solution. La profondeur serait alors largement limitée par ce phénomène de non-ex-solution du méthane. La perte devant être minimisée, il semble qu'une profondeur maximum de 30 m représente la limite d'exploitation.

Il est intéressant d'évaluer les variations de rendement énergétique du système en fonction de la profondeur d'installation du séparateur. Ce critère permet de mettre en évidence la nécessité de ne pas chercher à travailler trop profondément. En effet, un calcul basé sur les débits gazeux et liquide permet d'estimer à 13 % la perte potentielle d'énergie pour une augmentation de 5 m de la profondeur.

Si l'extraction et le lavage du gaz sous la surface du lac semblent la solution la plus pertinente, il convient néanmoins de ne pas exagérer les bienfaits d'une telle méthode. Les pertes en méthane extractible sont telles que le rendement énergétique s'en trouve largement pénalisé.