Les générateurs de biogaz peuvent convertir les déchets organiques en énergie électrique et thermique. Cela est fondamentalement dû à un système fonctionnel complet comprenant la production de gaz biochimique, la purification du gaz, la conversion d’énergie et la récupération d’énergie. Ces sous-systèmes fonctionnent en synergie sous les effets combinés de principes physiques, chimiques et thermodynamiques, formant une base de conversion d'énergie stable et efficace.
Le premier fondement fonctionnel est la digestion anaérobie et la production de gaz de la biomasse. Les matières organiques telles que le fumier de bétail et de volaille, les déchets de cuisine, la paille de récolte et les boues municipales subissent une hydrolyse, une acidification et une méthanogenèse dans un réacteur fermé dans des conditions mésophiles (35 à 38 degrés) ou à haute température (55 à 58 degrés) grâce à l'action de communautés microbiennes. Ce processus produit finalement du biogaz, principalement composé de méthane (CH₄) avec du dioxyde de carbone (CO₂) et des impuretés mineures. Ce processus convertit l’énergie chimique stockée dans la matière organique solide ou liquide en potentiel thermique de gaz combustible, fournissant ainsi une source de combustible pour la production d’électricité.
Le deuxième fondement est la purification du gaz et un approvisionnement stable. Le biogaz brut contient des composants nocifs tels que du sulfure d'hydrogène, de l'humidité, des particules et des siloxanes. Une entrée directe dans le système de combustion peut entraîner une corrosion de l'équipement, un empoisonnement du catalyseur et des émissions excessives. Le processus de purification utilise des tours de désulfuration, des séparateurs de condensats, des filtres à particules et des dispositifs d'adsorption au charbon actif pour éliminer les impuretés étape par étape, garantissant que la composition et la pression du gaz répondent aux exigences de combustion de l'unité et formant un système d'alimentation en gaz continu et contrôlable pour garantir le fonctionnement stable des unités de puissance suivantes.
La troisième couche fondamentale est la conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique en énergie électrique. Le biogaz purifié est mélangé à une quantité appropriée d'air et pénètre dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à gaz ou d'une turbine à gaz pour la combustion. Le gaz libéré à haute-température et haute-pression entraîne la rotation du piston ou de la turbine, complétant ainsi la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique. Cette énergie mécanique est transférée au générateur via le vilebrequin ou l'arbre principal, produisant de l'énergie électrique par induction électromagnétique. Ce processus est au cœur de la conversion énergétique des générateurs de biogaz et son efficacité est limitée par l'organisation de la combustion, la gestion des échanges thermiques et les niveaux d'adaptation de charge.
Le quatrième niveau fondamental est la récupération de la chaleur perdue et l’utilisation de la cascade d’énergie. Les gaz d'échappement à haute température du moteur à combustion interne, ainsi que l'eau de refroidissement des chemises de cylindre, transportent une grande quantité d'énergie thermique de faible qualité. Cette énergie thermique peut être récupérée via un échangeur de chaleur et utilisée pour le chauffage et l'isolation du digesteur anaérobie, fournissant ainsi de l'eau chaude pour la production et l'usage domestique, ou pour le chauffage urbain. Cela améliore considérablement le taux d'utilisation de l'énergie primaire du système, transformant la production d'électricité d'un point de production d'énergie isolé en une plaque tournante pour un approvisionnement énergétique complet.
Le cinquième niveau de fondation est le système de contrôle et d’assurance de la sécurité. La régulation automatique de la pression, la surveillance du débit, le contrôle de l'allumage, la synchronisation du réseau et les dispositifs d'arrêt de sécurité-garantissent le fonctionnement sûr de l'unité dans des conditions de composition de gaz fluctuante, de changements de charge ou d'urgences. Un système de surveillance central permet l'acquisition de données, la gestion à distance et l'alerte précoce en cas de panne.
Par conséquent, la base fonctionnelle d'un générateur de biogaz est un système collaboratif à plusieurs -composé de production de gaz biochimique, de purification du gaz, de conversion d'énergie, d'utilisation de la chaleur résiduelle et de contrôle intelligent. Chaque étape est interdépendante et indispensable, assurant collectivement la conversion efficace et stable des déchets en énergie propre.