Agrégation interne SII - 2025 - Épreuve commune d'admissibilité sciences industrielles de l'ingénieur

Agrégation concours interne

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur

Épreuve d'admissibilité : Analyse et exploitation pédagogique d'un système pluritechnologique.

Options :

    Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Mécanique
    Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Électrique
    Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie des Constructions

Support : Unité de méthanisation

Mise en situation

Unité de méthanisation de Val de Briey (54 – Meurthe et Moselle)  

La méthanisation est un procédé biologique naturel permettant de dégrader la matière organique par des bactéries, en l’absence d’oxygène.

Ce procédé conduit à la formation de deux produits valorisables (voir Figure 1) :

• une énergie renouvelable, appelée biogaz (composé majoritairement de biométhane CH4 et de dioxyde de carbone CO2), qui peut être valorisée sous forme de chaleur, d’électricité (cogénération), de biométhane carburant ou biométhane injecté dans le réseau de gaz naturel après épuration ;
• un digestat provenant de la matière non digérée, qui peut être épandu et qui participera à la fertilisation naturelle des sols.

Le procédé de méthanisation permet donc de remplir plusieurs fonctions, au croisement des filières énergétiques, de gestion des déchets et de recyclage d’éléments fertilisants.

L’unité de méthanisation de Val de Briey (voir Figure 2) s’inscrit parfaitement dans ce processus et permet ainsi de valoriser des ressources (effluents d’élevage et matières végétales agricoles) issues des activités de dix exploitations locales.

Pour cette unité de méthanisation, le choix de l’exploitant s’est orienté vers une valorisation du biogaz en biométhane injecté sur le réseau de gaz naturel passant à proximité du site.

L’unité « normaux-mètres cubes » [Nm3], employée dans le sujet, correspond au volume de gaz défini dans des conditions normalisées de pression (101 300 Pa) et de température (0°C soit 273,15 K).

C’est donc la majeure partie des 2 704 365 Nm3 de biogaz produit annuellement qui sera alors acheminée vers un processus d’épuration du biogaz en biométhane avant injection finale de ce biométhane sur le réseau de gaz naturel (voir Figure 3).

Toutefois, une partie du biogaz produit (voir Figure 4) sera autoconsommée sur site par une chaudière équipée d’un brûleur biogaz, permettant de fournir la chaleur nécessaire au maintien des conditions thermiques du process de méthanisation mésophile (digestion anaérobie en régime de température de 40°C) dans les deux digesteurs et post-digesteur du site.

Pour optimiser la production de biogaz au sein de l’unité de méthanisation, il est également fondamental de maîtriser la qualité et les quantités de matières organiques (intrants) à l’entrée du processus car toute modification brutale des caractéristiques de la ration des digesteurs viendra perturber l’activité des bactéries, et donc la production de biogaz.

L’unité de méthanisation de Val de Briey traite quotidiennement 84 tonnes de substrats en utilisant le procédé de transformation par « voie liquide en infiniment mélangé », ce qui signifie que l’alimentation et la vidange des digesteurs se font en continu, de façon séquencée.

Aussi, afin d’obtenir un mélange agitable dans le digesteur et pompable, la teneur en matière sèche (notée % MS) de la ration entrante ne doit pas excéder 20 %, conformément au Tableau 1 :

Sur le site de Val de Briey, l’introduction des substrats solides nécessite un prétraitement par recirculation du digestat permettant de diluer et de réchauffer le mélange entrant.

En voie liquide infiniment mélangée, la teneur en matière sèche de la matière organique en décomposition dans les digesteurs est en moyenne égale à 8 % MS.

En 2022, l’unité de méthanisation a traité au total 25 754 tonnes de matières premières pour une production de 165 Nm3·h-1 de biométhane.

L’unité de méthanisation de Val de Briey est constituée des principaux éléments suivants :

- un système permettant la préparation des intrants solides dans le digesteur (incorporateur - doseur BIG-Mix et alimentateur Prémix) ;
- deux cuves digesteurs en béton d’un volume brut unitaire de 2 280 m3 (2 090 m3 utile) et permettant la production principale de biogaz ;
- une cuve post-digesteur en béton d’une capacité de 2 078 m3 (2 009 m3 utile), permettant d’améliorer la stabilité du digestat et de collecter le biogaz résiduel produit ;
- une cuve de stockage des digestats en béton d’un volume brut de 7 938 m3 permettant le stockage final du digestat avant épandage ;
- une station de transfert assurant les écoulements entre les différentes cuves décrites ci-dessus.

Problématique générale : Optimiser la production de biogaz dans l’unité de méthanisation.

Étude proposée : 

L’étude est décomposée en quatre parties indépendantes :

- Comment procéder à l’introduction des substrats solides dans le digesteur ?
- Comment déterminer la consommation énergétique du système de brassage du digesteur ?
- Comment réduire la part d’autoconsommation de biogaz dans les digesteurs ?
- Concevoir une séquence pédagogique à partir d’une problématique industrielle de production biogaz.