Technologie du Biogaz et Biomasse

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2 1 Introduction à la bioénergie Introduction Aspects liés au développement durable La technologie du biogaz Qu est-ce que la digestion anaérobie(da)? Composition du biogaz et limite d explosivité Domaines d application et matières premières pour le biogaz en Allemagne Systèmes de biogaz Solution à faible degré de technicité: les digesteurs domestiques Système de biogaz de bassin de méthanisation et ses composants Méthaniseur agricole Installations de biogaz industrielles Le traitement des boues dans le cadre des usines de traitement des eaux usées municipales Les déchets solides La fermentation sèche Technologie UASB (traitement des eaux usées) Potentiel en biogaz de différents substrats Utilisation Utilisation du biogaz et de son digestat Utilisation du biogaz - avec un réseau de chauffage urbain Biogaz épuré Conversion d énergie en gaz combustible Comparaison de différents biocombustibles Utilisation du digest du biogaz Choix du site Développement du marché du biogaz Production de biogaz dans la UE Développement du marché allemand Les entreprises de biogaz dans l UE Phases de développement d un projet Chronologie d un projet Évaluation des ressources Questions liées à la délivrance de permis Risques spécifiques et prévention Sensibilité de la rentabilité Risques spécifiques et prévention Risques endogènes Évaluation des risques et prévention Risques endogènes d un projet

3 6.4 Évaluation des risques et prévention Risques exogènes d un projet Financement de projet Quels sont les types de projets admissibles? Structure de financement de projet Diligence raisonnable du projet Principaux paramètres pouvant influencer la rentabilité La biomasse La biomasse solide - Matière première, Technologie, Opération La biomasse en énergie - Conversion technique La biomasse solide Introduction Qualité de la biomasse - Types de qualité - Exemple Qualité de la biomasse - Types de qualité - Exemple Coûts de la biomasse Matières premières de biomasse la paille Conclusions Technologie de conversion de la biomasse en énergie Systèmes de combustion de la biomasse Exemples Concept technique- Paramètres à définir Les contrats importants - le combustible Biomasse solide Solution low-tech : efficience des fourneaux à biomasse Biomasse solide Combustion de la biomasse les turbines à vapeur Gazéification/ Pyrolyse de la biomasse

4 1 Introduction à la bioénergie 1.1 Introduction Le domaine d application de la bioénergie est vaste. La source d énergie primaire «biomasse» peut être convertie en vecteurs énergétiques solides, liquides et gazeux. La combustion de ces vecteurs énergétiques peut produire de la chaleur, du froid, de l électricité, de la puissance mécanique ou une combinaison de ceux-ci. Par exemple, une centrale de cogénération génère de l électricité à l aide d un moteur à combustion et d un générateur, la chaleur résiduelle étant réutilisée d une manière différente dans un autre processus. L unité de cogénération peut fonctionner avec un vecteur énergétique de biomasse gazeux (biogaz) ou avec un vecteur énergétique de biomasse liquide (huile végétale, biodiesel). Cependant, le processus de conversion de la biomasse en énergie peut être très complexe. Contrairement à d autres sources d énergie renouvelables (éolien, PV), une longue ou très longue chaîne de processus doit être appliquée afin d obtenir, à partir de la ressource biomasse, le rendement énergétique voulu. Ces processus incluent des étapes 4 physiques, chimiques ou biochimiques pouvant être très élaborées et coûteuses, tout en étant très délicates. La transformation de la biomasse en énergie utilisable demande l emploi de technologies, impliquant l apparition de toute une gamme de risques. En comparaison avec d autres sources d énergie, l un des plus grands avantages de la bioénergie est sa capacité de stockage. L énergie peut être stockée

5 facilement, avec une grande densité énergétique et beaucoup plus longtemps que dans le cas des énergies solaire ou éolienne. La production énergétique ne dépend pas de la radiation solaire ou du vent. Elle peut être utilisée pour équilibrer la différence entre la production et la demande en énergie. Le stockage à haute densité énergétique est une caractéristique importante pour les biocarburants dans le cadre de la mobilité. Voici certains exemples de technologies de conversion de la biomasse en énergie: unités de cogénération basées sur de la biomasse liquide, gazeuse ou solide (biogaz, huile végétale, bois, gaz de synthèse, etc.), biocarburants pour le transport (biodiesel, bioéthanol), biogaz, gaz de synthèse et pyrolyse. 1.2 Aspects liés au développement durable 5 À cause de sa complexité, le bilan environnemental de la bioénergie n est pas comparable à celui des autres sources d énergie renouvelable. La production de biomasse capture la même quantité de dioxyde de carbone que celle émise durant sa combustion. Vue uniquement sous cet angle, la bioénergie pourrait être considérée comme étant neutre sur le plan des émissions de CO 2. Cependant, pour réaliser une estimation de l empreinte carbone totale, de nombreux aspects doivent être pris en compte dans le cadre des analyses du système. En fonction des processus utilisés, certaines étapes de production peuvent engendrer des émissions de gaz à effet de serre. Par exemple, les cultures associées aux biocarburants doivent être cultivées, récoltées, prétraitées, converties et transportées. Le changement d utilisation du sol (l assèchement des zones humides, la déforestation, etc.) pour gagner en terres cultivables est l une des principales questions affectant à la durabilité de la bioénergie. Les effets des changements d utilisation du

6 sol sur le bilan environnemental de la bioénergie sont difficiles à estimer. L utilisation d engrais pour les cultures destinées à la production d énergie est une source diffuse d autres gaz à effet de serre (GES) comme le N 2, ce qui affecte le bilan environnemental des vecteurs énergétiques basés sur la biomasse. Cependant, si toutes les étapes de production et de conversion sont prises en compte et exécutées en considérant les aspects liés au développement durable, la bioénergie peut aider à diminuer les émissions de GES. En plus de l impact sur le changement climatique, d autres aspects doivent être pris en compte pour une production durable de bioénergie. La biodiversité est un aspect important à prendre en considération si la production de bioénergie est basée sur des cultures à usage énergétique. Les pertes de substances nutritives du sol peuvent être réduites grâce à la rotation des cultures. L exploitation de cultures destinées à la production d énergie peut être réalisée sur des terres marginales n ayant pas été utilisées auparavant pour l agriculture ce qui est le cas de l Allemagne et d autres pays. Transformer une terre marginale en une terre agricole et productive (par ex. des prairies en champs) détériore la biodiversité et augmente les besoins en engrais sur cette terre. 6

7 2 La technologie du biogaz 2.1 Qu est-ce que la digestion anaérobie(da)? La digestion anaérobie (DA) est un procédé microbiologique complexe qui transforme la matière organique d un substrat en biogaz en l absence d oxygène. En tant que processus microbiologique, la digestion anaérobie est un procédé naturel provoqué par certaines populations bactériennes, présentes dans le milieu naturel. Ce processus se produit fréquemment dans plusieurs types d écosystèmes. Il a été technicisé pendant plusieurs années de développement technologique jusqu à obtenir un processus industriel, premièrement pour le traitement des déchets organiques (usine de traitement des eaux usées) et ensuite pour la transformation de la biomasse en énergie. Des exemples classiques de la DA sont la décomposition de la matière organique dans les couches inférieures des lacs chauds ou des étangs, la décomposition de la matière organique enterrée et la digestion des aliments chez le bétail. Le processus de la DA inclut plusieurs étapes impliquant différents types de bactéries, qui requièrent différentes conditions environnementales pour leur survie et leur développement. Par conséquent, le processus microbiologique de la DA est très sensible aux changements des conditions environnementales comme la température, l acidité, le niveau d éléments nutritifs, etc. Le résultat du processus de la DA est la production d un gaz partiellement combustible, l un de ses composants principaux étant le méthane. Ce méthane est le vecteur énergétique produit qui pourra être utilisé ou transformé en d autres formes d énergie (électricité, chaleur, etc.). L autre composant principal du gaz produit (biogaz) est le CO2. 7

8 8 La condition environnementale la plus importante pour la DA est l absence d oxygène. La population de bactéries capables de produire du méthane ne peut pas survivre en présence d oxygène. Un autre facteur important est la température ambiante. Le processus microbiologique a besoin d une température spécifique pour une réaction chimique optimale. Il existe trois groupes de microorganismes, chacun ayant des températures optimales différentes. Les organismes psychrophiles, possédant une fourchette de température de survie allant de 10 à 25ºC, connaissent une faible dégradation de leurs performances et de leur production de gaz. Les bactéries mésophiles forment l un des autres groupes de microorganismes. Ils vivent et se développent dans une gamme de températures comprise entre 35 et 38ºC. Des températures encore plus élevées, de 55 à 58ºC, sont nécessaires pour le processus utilisant les bactéries thermophiles. Bien que la production de biogaz soit possible dans les trois fourchettes de température, le temps nécessaire à la production de la même quantité de biogaz varie fortement avec la température. Ce «temps de rétention hydraulique» (TRH) atteint 50 à 60 jours pour les bactéries psychrophiles, les organismes mésophiles ont besoin de 25 à 35 jours et les thermophiles de 12 à 25 jours. Un autre élément important est l acidité de l environnement, caractérisée par la valeur du ph. Les bactéries ont besoin d un environnement dont la valeur du ph se situe dans une fourchette neutre entre 6,6 et 8. Autrement elles meurent. En principe la valeur du ph s ajuste naturellement, si les conditions environnementales sont constantes. L exploitation économique d une usine de biogaz n est pas viable dans la fourchette de température des psychrophiles. Une meilleure rentabilité est obtenue avec l exploitation d une usine de biogaz dans la fourchette de températures des mésophiles, avec une production de biogaz relativement élevée par unité de temps. C est le procédé le plus répandu. Le processus thermophile est également utilisé

9 dans les usines commerciales de biogaz. Malgré cela, des microorganismes pathogènes peuvent être éliminés du substrat, mais cela demande une plus grande quantité d énergie thermique. 9 La digestion anaérobie, ou le procédé de production du biogaz, est séparée en 4 étapes principales. Pendant la première, l hydrolyse, les polymères organiques de la matière première (graisses, protéines, hydrates de carbone) sont séparés en monomères (acides gras, sucres, acides aminés). Durant la seconde étape, l acidogenèse, les acides aminés à chaîne courte comme l acide acétique, l acide propionique et l acide butanoïque se forment à partir des monomères. De plus, de petites quantités d acides lactiques et d alcool sont produites. Au cours de cette étape, l acidité du substrat (la valeur du ph) augmente. Pendant l étape suivante, l acétogénèse, ces acides sont transformés en acides acétiques, hydrogène et dioxyde de carbone. Durant la dernière étape du procédé, la méthanogénèse, la synthèse bactérienne utilise le dioxyde de carbone et l hydrogène pour produire le méthane. Contrairement aux usines d épuration produisant également du gaz, la majeure partie du méthane provient de la voie de l hydrogène avec une oxydation d acétate syntrophique, la part la plus faible provenant de la séparation des acides acétiques. Les deux premières étapes du procédé peuvent être réalisées à un ph compris entre 4,5 et 7,5 (avec un résultat optimal entre 4,5 et 6,3). Les deux étapes suivantes sont plus restrictives, avec une valeur du ph comprise entre 6,8 et 7,5. Comme il peut être constaté, l acidité du mélange du substrat augmente et diminue durant le procédé. Dans une usine de biogaz, il est très important de diminuer la production d acide pour ainsi réduire au minimum la quantité de biomasse utilisée quotidiennement. Quant aux étapes du

10 procédé, il existe deux types d usines de biogaz: dans les usines de biogaz à une phase, toutes les étapes du procédé ont lieu dans le même réacteur. Dans les usines à deux phases, les deux premières étapes ont lieu dans de petits réacteurs, avant que la substance hydrolysée ne soit introduite dans le digesteur principal. L avantage de la séparation réside dans le fait que chaque étape se réalise dans les conditions optimales, ce qui permet d obtenir le meilleur rendement. L inconvénient principal qui peut être mentionné sont un investissement et des coûts d exploitation supérieurs. 2.2 Composition du biogaz et limite d explosivité 10

11 11 Le biogaz produit par digestion anaérobie est un mélange de plusieurs gaz. La partie la plus importante du biogaz est le méthane. Il est le vecteur énergétique du biogaz et possède une valeur calorique d environ 10 kwh/nm³. Le pourcentage du volume de méthane dans le biogaz varie entre 50 et 72 % en fonction du type de substrat et de ses substances digestibles comme les hydrates de carbone, les graisses et les protéines; les fibres ne sont pas digestibles. Le deuxième composant principal du biogaz est le dioxyde de carbone. Il représente 25 à 50 % du volume du biogaz. Les autres gaz présents dans le biogaz sont du sulfure d hydrogène, de l azote, de l hydrogène et de la vapeur. La concentration de méthane peut être mesurée par rayonnement à infrarouge ou par capteurs de conductivité thermique. Ce paramètre est également un indicateur des performances du procédé biologique de la digestion anaérobie. En principe, si le procédé commence à connaître des perturbations, la concentration de méthane commencera à diminuer, la population de bactéries se réduisant également rapidement. Pour l exploitation de centrales de cogénération au biogaz, une concentration de méthane minimum de 40 à 45 % est nécessaire. Les concentrations de méthane et de CO 2 sont corrélées. Une augmentation de la concentration de CO 2 peut indiquer un déséquilibre des débits massiques dans le procédé de digestion. Il est très important de réduire la concentration de sulfure d hydrogène dans le biogaz. Ce gaz est très corrosif et, en présence d eau, peut réagir pour former de l acide sulfurique. Cela peut être accompli par désulfuration biologique ou chimique. Un pourcentage élevé d azote est capable d inhiber la formation du méthane. À condition que les périodes soient de l ordre de l année, les microorganismes peuvent s adapter à des concentrations élevées d azote.

12 Cependant, des changements soudains de la concentration d azote provoqueront la destruction de la population de bactéries méthanogènes. L adéquation de la concentration d hydrogène en tant qu indicateur des interférences dans le procédé du biogaz est controversée. Sa mesure est possible grâce à des capteurs électrochimiques. Le dernier élément significatif du biogaz est la vapeur. La mesure des composants est également importante pour la prévention des explosions. La concentration de méthane doit être très faible, entre 4,4 et 16,5 %. De plus, un minimum de 12 % d oxygène est nécessaire. Le pourcentage de gaz inertes comme le dioxyde de carbone et l azote doit être inférieur à 86 %. La chambre à gaz fermée d un réacteur (l espace entre le substrat et le toit de l espace de stockage du gaz) a normalement une concentration en méthane bien supérieure et est dépourvue d oxygène. Il n y a donc aucun risque d explosion à l intérieur du réacteur. Les dangers d explosion les plus typiques apparaissent avec des fuites de biogaz situées aussi bien le long du toit du réservoir, que dans des pièces d équipement pouvant présenter des défauts de construction ou de maintenance. 2.3 Domaines d application et matières premières pour le biogaz en Allemagne 12

13 Le domaine d application de la digestion anaérobie est très vaste. De nombreux types de matière première peuvent être utilisés pour la production du biogaz. Elles peuvent être divisées en deux groupes principaux en fonction de leur origine: d un côté les matières résiduelles et les déchets, et de l autre les cultures énergétiques. Parmi les substrats résiduels se trouvent principalement les différents types de déchets liquides comme le lisier de bétail, les boues d épuration, plusieurs types de déchets industriels (amidon, huiles résiduelles, alcool, etc.), ainsi que d autres déchets solides comme la fraction organique des ordures municipales, les déchets agricoles, les déchets d origine animale, etc. Les cultures énergétiques sont des produits agricoles bien définis, cultivés exclusivement pour leur usage et leur transformation en énergie. Les cultures énergétiques les plus classiques sont le maïs pour le biogaz ou le bioéthanol, le colza pour l huile végétale ou le biodiesel, la canne à sucre pour le bioéthanol, etc. En Allemagne, les substrats utilisés pour environ la moitié de la production totale des 24 milliards de m 3 de biogaz annuels proviennent des cultures énergétiques. Grâce à son rendement énergétique par hectare très élevé et ses bonnes propriétés pour la fermentation, le maïs est le substrat le plus utilisé en Allemagne. Les céréales, l herbe et la betterave à sucre sont également des cultures propices à la production de biogaz. Les matières premières renouvelables, ne formant pas partie des cultures énergétiques, comme les produits d aménagement paysager représentent une part de 1,6 %. L autre moitié de la production de biogaz allemande se base sur les matières résiduelles et les déchets. Les résidus agricoles ou les sous-produits utilisés sont les cultures dérobées et la fraction non commerciale des récoltes. Elles représentent 15,4 % de la production annuelle de biogaz. Les résidus de l élevage de bétail sont composés de fumier et de purin, provenant essentiellement des vaches, des cochons et des volailles. Concernant la protection du climat, l utilisation 13

14 de fumier et de purin est particulièrement importante. Le stockage du fumier produisant de grandes quantités de gaz à effet de serre, sa capture et la combustion du méthane produit réduit de manière significative les émissions d odeurs et de gaz à effet de serre. De plus, les boues d épuration des usines de traitement des eaux usées peuvent également être utilisées pour la production de biogaz. La part du gaz produit à partir des eaux usées en Allemagne s élève à 3,8 %. D autres sortes de matières premières sont utilisées en Allemagne, parmi lesquelles figurent différents types de déchets solides. Les déchets organiques provenant des foyers, de l industrie ou des commerces sont utilisés dans des usines de biogaz à des fins énergétiques. Ce genre de substrat exige un prétraitement coûteux et très intensif pour la séparation et le conditionnement des déchets. C est pourquoi le taux d utilisation des déchets dans la production de biogaz est relativement faible. Les décharges sont une autre source de biogaz composée de déchets solides. Le méthane produit durant la décomposition de la fraction organique des déchets entreposés est capturé et transporté à travers un système de canalisations jusqu à un système de combustion, en général une centrale de cogénération, produisant à son tour de l électricité et de la chaleur. Les matériaux à base de lignine comme le bois, la sciure de bois, les feuilles mortes, les résidus d élagage, l écorce de riz, etc., ne sont pas appropriés pour la digestion anaérobie. 14

15 Les technologies utilisées et leur exploitation jouent un rôle important dans la productivité du biogaz. Cependant, le facteur le plus limitatif est la composition du substrat. Le facteur le plus important pour l utilisation énergétique du biogaz est la concentration en méthane, celle-ci dépendant fortement de la composition du substrat. Toutes les matières organiques, généralement des hydrates de carbone formés de chaînes longues graisses, protéines et hydrates de carbone, peuvent être digérés et transformés en biogaz. Alors que la digestion anaérobie d hydrates de carbone purs produit du biogaz avec une concentration de méthane entre 50 % et 55 %, la digestion des protéines produit une teneur en méthane entre 70 et 75 %. La concentration de méthane dans le biogaz produit à partir de la digestion anaérobie de graisses pures peut atteindre des valeurs entre 68 et 73 %. Une méthode d estimation rapide de la productivité du biogaz d un substrat consiste à utiliser ces mesures et la composition brute du substrat, à l aide des valeurs connues du % de graisses, de protéines et d hydrates de carbone. Cette méthode est connue en Allemagne sous le nom d Analyse de WEENDER ou d analyse des nutriments. Selon cette méthode, la quantité et la composition du biogaz sont exposées grossièrement dans la table suivante : 15

16 Type de matériau Productivité du biogas ( l/kg de matière organique sèche) Concentration en methane (Vol.%) Protéines Graisses Hydrates de carbone (digestible) Systèmes de biogaz Il existe différents types et différentes tailles de systèmes de biogaz. Les plus petits ont été utilisés tout au long de l histoire de l Humanité, ce sont les digesteurs de biogaz domestiques. Ils sont caractérisés par un faible coût de construction et un fonctionnement simple. Ce genre de système a été utilisé durant des siècles dans des régions isolées de pays comme la Chine, l Inde, le Sri Lanka, le Kenya et dans d autres pays de l hémisphère sud, utilisant des substrats provenant de petites activités agricoles et de déchets humains (fumier et déchets sanitaires). Un autre type de solutions à bas coûts sont les systèmes de bassins de 16

17 méthanisation. Bien que ce type de systèmes de biogaz soit à grande échelle, leurs coûts spécifiques sont relativement faibles comparés à d autres types d usines de biogaz plus industrialisées. Dans ce cas, les systèmes sont conçus pour traiter principalement des matières organiques dissoutes, comme certains types d eaux usées industrielles ou agro-industrielles. Une variation de ces systèmes est le bassin de méthanisation aménagé dans lequel des mécanismes de brassage sont intégrés. Les usines industrielles de biogaz forment le troisième type de systèmes de biogaz. Dans ce cas, le biogaz sera produit dans des installations industrielles composées de grands réacteurs et de systèmes auxiliaires comme les canalisations, le brassage, la circulation, l épuration et le traitement du gaz, ainsi que les systèmes de surveillance et de contrôle. Un exemple classique de ce genre d usine de biogaz est une usine de biogaz agricole (pour les résidus agricoles et les cultures énergétiques), une usine de conversion des déchets en énergie (pour les déchets organiques solides digestibles) ou un système de biogaz pour la transformation des boues d épuration dans les usines de traitement des eaux usées. Le biogaz est produit à partir des différents substrats de biomasse, le gaz étant lui-même généralement utilisé dans des centrales de cogénération afin de générer de l électricité et de la chaleur. Habituellement l électricité est acheminée vers le réseau électrique, alors que la chaleur est utilisée là où il y a suffisamment de dissipateurs thermiques. Les ventes de l électricité et de la chaleur produisent les principaux revenus d une usine de biogaz. 2.5 Solution à faible degré de technicité: les digesteurs domestiques 17

18 Les systèmes de biogaz domestiques sont très courants dans plusieurs pays de l hémisphère sud. Ils représentent une alternative à faibles coûts pour l utilisation énergétique de certains flux de déchets. Ce type de système de biogaz est approprié pour le traitement de substrats ayant une faible teneur en solides, comme les déchets d origine animale ou humaine (lisier, excréments, etc.) et n est pas adéquat pour la fraction organique des déchets solides (déchets ménagers). Leur principe de fonctionnement, tout comme leur construction, est très simple. Un réservoir enterré est utilisé comme réacteur. Le substrat (principalement des déchets organiques d origine humaine et animale) est chargé à travers un tuyau latéral d alimentation lui-même connecté à une petite fosse d alimentation située au-dessus. Grâce à la différence de pression statique, le substrat sera «injecté» dans le réacteur. Moyennant la digestion anaérobie des déchets, le biogaz est produit et conduit ensuite dans la maison à travers des canalisations. Simultanément, le biogaz produit pousse une partie de la matière digérée ou partiellement digérée vers un deuxième réservoir à un niveau phréatique intermédiaire, dans lequel le digestat est conservé pour être utilisé comme engrais. Le biogaz produit est utilisé par les familles pour la cuisine et l éclairage. Pour l exploitation d un réacteur de biogaz de 2 m3, le lisier d une vache est suffisant. Au bout d un certain temps, le réservoir se remplira de matière non-digestible (par ex. du sable), il sera donc ouvert et nettoyé ou il sera fermé et remplacé par un nouveau réacteur. Les matériaux typiques pour sa construction sont l argile pour le réacteur et certains types de plastiques pour les canalisations. L un des avantages principaux de leur utilisation réside dans l amélioration de l hygiène pour les zones isolées, ainsi dans l utilisation d un 18

19 combustible moins polluant, la fumée issue de la combustion du bois à l intérieur des pièces des habitations étant l une des sources principales de contamination et de décès environnementaux dans les régions sous-développées et en voie de développement. Un autre avantage de ce type de systèmes de biogaz est la rentabilité de l utilisation de sources d énergie renouvelable. Approximativement, les coûts de construction de ce genre de systèmes pourraient atteindre environ 260 $US. La majeure partie des matériaux requis sont disponibles sur place. De plus, il existe une grande expérience locale avec ce genre de systèmes. De par sa simplicité de construction, les équipements additionnels comme les mécanismes de brassage, les pompes, etc., ne sont pas nécessaires. Pour cette raison, la durée de vie d un tel système pourrait atteindre 25 ans. De plus, grâce à sa construction souterraine et à l absence de conduites et de canalisations dans la chambre à gaz du réacteur (par ex. les agitateurs), ce genre de système fait preuve d un grand niveau de sécurité. En raison de leur petite taille, les accidents éventuels ont généralement des conséquences mineures. Le plus grand inconvénient de ce type de système de biogaz est la nécessité de l entretien. Puisque les déchets sont injectés dans le réacteur à la main (surtout à l aide d outils ou d équipement léger) et que dans celui-ci le substrat tend à former une couche solide à la surface, l entretien, le fonctionnement du réacteur ainsi que son alimentation continue exigent une quantité de travail relativement élevée. Le flux constant du gaz dépend de la qualité et de la continuité des efforts opérationnels. Ce type de réacteur de biogaz doit fonctionner correctement sinon la production de biogaz s interrompra. Néanmoins, après une période de cinq ans, le réacteur doit être ouvert et libéré des matériaux durs et des minéraux. À cause des procédés de corrosion provoqués par des concentrations élevées en sulfure d hydrogène dans le biogaz, la vie utile de ces réacteurs pourrait diminuer dramatiquement. Les systèmes de biogaz domestiques peuvent être trouvés dans plusieurs régions du monde. L expérience chinoise pourrait être intéressante à considérer. Selon les estimations, il existe plus de 7,5 millions de systèmes de digestion anaérobie domestiques, la plupart utilisant les déchets humains et ceux provenant du bétail comme le lisier et les excréments. À l inverse, il y a environ 750 usines de biogaz industrielles à moyenne et grand échelle fonctionnant dans le pays. Les autorités chinoises gèrent un réseau de centres de service technique ruraux pour le biogaz, fournissant les infrastructures nécessaires pour soutenir la diffusion, le financement et l entretien des systèmes de biogaz. L Inde est un autre exemple de mécanismes de soutien pour ce type de systèmes de biogaz, avec environ trois millions d installations de biogaz domestiques installées dans tout le pays. D autres exemples incluent le Népal, le Sri Lanka, le Kenya et quelques pays d Amérique du Sud. 19

20 2.6 Système de biogaz de bassin de méthanisation et ses composants 20

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22 Un autre type de système de biogaz à faible coût d investissement est le bassin de méthanisation. Ce type de technologie sera surtout utilisé pour le traitement, à travers la digestion anaérobie, de déchets liquides à haute teneur en matière organique. Le contenu solide total est limité entre 5 et 7 %. Les substrats les plus habituels pour ce genre de technologie sont le lisier, les effluents d huile de palme, les effluents de l amidon ou des usines de production. Les origines de cette technologie peuvent être trouvées dans l utilisation de bassins pour l élimination des déchets liquides provenant de l industrie agricole dans les pays en voie de développement. Dans les zones où l espace n est pas un facteur limitatif, l utilisation de cette technologie est largement répandue. Le bassin est construit sur place, et dans de nombreux cas sans aucune couche d isolation en dessous. De cette manière, le bassin sera rempli de grandes quantités d effluents, qui seront traités avec une combinaison de procédés aérobies et anaérobies. Dans les couches supérieures du bassin, de l oxygène dissous et des microorganismes contribuent à décomposer partiellement la matière organique dissoute. Ainsi, par précipitation et décantation des solides, une couche inférieure de matière organique sera constituée. À travers la décomposition aérobie de la matière organique, la consommation conséquente de l oxygène dissout et la constitution d une couche inférieure (solides actifs décantés), un environnement anaérobie sera créé dans lequel aura lieu la décomposition de la matière organique. En conséquence, de grandes quantités de méthane seront produites et relâchées dans l atmosphère, contribuant fortement au réchauffement climatique. Ces derniers temps, la technologie du bassin de méthanisation a été encouragée par les mécanismes d échanges du protocole de Kyoto sur le 22

23 changement climatique, et les industries agricoles ont commencé à couvrir leurs bassins de traitement avec des couches de plaques hermétiques afin de capturer le méthane et d échanger les crédits de CO2 ainsi générés (le méthane a un potentiel de réchauffement global 23 fois plus élevé que celui du CO2 et est donc beaucoup plus contaminant que ce dernier). En conséquence, la technologie de la digestion anaérobie en bassins couverts expérimente un développement rapide pour donner naissance au bassin de méthanisation. En l occurrence, des composants techniques ont été développés afin d améliorer la digestion anaérobie à l intérieur du bassin (des mécanismes de mélange à l aide de canalisations et de pompes, la suppression des boues à travers des réseaux de canalisations d aspiration, etc.). Le stockage en bassins ouverts d effluents possédant une charge organique est une pratique de longue date. Cependant, uniquement en raison de la possibilité de générer des crédits carbone en capturant le CH4 et de pouvoir les vendre sur le marché des crédits carbone, il est devenu économiquement plus attractif de couvrir les bassins ouverts. Le biogaz capturé et récupéré et ensuite disponible pour son utilisation en tant que combustible à des fins énergétiques. Dans les commencements du développement, le biogaz était brûlé avec une torche pour son élimination, ce dernier ayant un effet de serre bien supérieur à celui du CO2. Dans d autres cas et surtout plus récemment, le biogaz est employé pour la génération d électricité et peut même être utilisé pour la production de chaleur dans les centrales de cogénération. Le principe de fonctionnement du bassin de méthanisation est très simple. L effluent sera injecté dans le bassin couvert et fermé à travers un système de canalisations hermétiques (sous pression et sous le niveau phréatique du bassin). Sa base est isolée à l aide de géo-membranes imperméables et il est couvert d une membrane hermétique aux gaz. Au fond du bassin, des tuyaux d aspiration sont construits afin de récupérer les dépôts de boues. Un aspect important de cette technologie est que les équipements n ont pas besoin de parties mobiles. Dans le cas d un bassin de méthanisation technicisé, les processus de mélange se font à travers la circulation du substrat à l intérieur du bassin. À différentes hauteurs, des tuyaux d aspiration et d injection sont construits de manière à faire circuler l effluent à l intérieur du bassin, assurant ainsi l obtention d un mélange approprié du nouvel effluent avec l ancien substrat, ce dernier renfermant déjà des bactéries méthanogènes. À l extrémité du bassin, les canalisations d extraction aspireront l effluent digéré et le transporteront vers un bassin ouvert plus petit, où l eau traitée sera utilisée comme engrais dans les champs. Le biogaz et le méthane capturés seront conduits à travers des canalisations jusqu à un dispositif d épuration (désulfuration et séchage), après quoi le biogaz sera transporté vers une centrale de cogénération ou vers une torche de combustion. L utilisation de la technologie du bassin de méthanisation est possible dans différentes régions climatiques. Puisque la digestion est un procédé exothermique (ce qui signifie que de l énergie thermique est produite durant le processus), la construction d un système de chauffage interne n est normalement pas nécessaire dans les régions chaudes. Dans les régions plus froides, il peut être nécessaire de construire un système de chauffage sous le bassin pour les mois d hiver. Ce système se compose d un chauffage par canalisations dans lesquelles circule de l eau chaude, chauffant ainsi le substrat par la base du bassin. Quant au matériel pour les canalisations de chauffage, de l acier inoxydable peut être utilisé. D autres tuyaux peuvent aussi être construits en PEHD. 23

24 Le projet de biogaz Ecopalsa est entré en fonctionnement en septembre Il a été construit sous le régime du mécanisme de développement propre (MDP), élaboré dans le cadre du protocole de Kyoto. La première étape de planification ne visait qu à capturer le méthane et à le brûler. Dans les planifications suivantes, le projet a inclus également la génération d énergie à partir du biogaz produit. Il a été le premier projet de MDP dans le secteur de l huile de palme, et a été récompensé avec la certification Gold Standard. Ecopalsa se situe dans la ville d El Castaño, dans la région de Guayamitas à 90 km de la ville de San Pedro Sula au Honduras. Le projet est composé de deux grands bassins de méthanisation, produisant du biogaz destiné au fonctionnement d une unité de cogénération d une puissance électrique de kw (ECOPALSA Biogaz I) et d une seconde unité de cogénération d une puissance électrique de 925 kw (ECOPALSA II). Depuis février 2009, Ecopalsa a commencé à générer 3,4 MW de puissance électrique à partir de la combustion de biomasse. Le principal substrat utilisé est l effluent provenant des moulins à huile de palme. L usine de biogaz produit environ 1,5 Nm3 de méthane (Ecopalsa I) et 1,2 Nm3 de méthane pour Ecopalsa II. Le biogaz est utilisé pour produire de l électricité qui est consommée sur place. 24

25 2.7 Méthaniseur agricole 25

26 À l origine, la plupart des installations de biogaz étaient construites par des éleveurs de bétail ayant besoin d utiliser ou d éliminer le lisier des vaches. Par conséquent, les installations de biogaz agricoles utilisent fréquemment un mélange de lisier et de cultures, ce qui exige un procédé applicable de fermentation humide. En Allemagne, les installations de biogaz agricoles dépendent fortement des récoltes, contrairement à la génération d énergie basée uniquement sur les déchets. La culture principale utilisée à ces fins en Allemagne est le maïs, pour son taux de biomasse élevé et son haut rendement en biogaz et en méthane. L utilisation de cultures existantes pour leur conversion en énergie est basée sur les régulations actuelles des tarifs de rachat pour les énergies renouvelables en Allemagne. Il existe plus de installations de biogaz de ce genre (2013) en Allemagne (Source: Fachverband Biogas e.v. Association allemande de biogaz). Ainsi cette technologie peut être considérée comme étant une technologie de pointe et une valeur sûre. Une controverse importante concernant les aspects liés au développement durable des usines agricoles est la possible compétition entre les cultures alimentaires et énergétiques. L ajout et l utilisation d engrais pour les cultures énergétiques est également un facteur à prendre en compte dans les performances environnementales de ce type de systèmes de biogaz. Comme le montre le schéma, le lisier et le co-substrat (cultures énergétiques, déchets agricoles, etc.) sont utilisés dans ces installations. Dans un premier temps, et en cas de besoin, le co-substrat peut être prétraité afin d être stérilisé (dans le respect des régulations d hygiène valides pour les déchets d origine animale sauf le lisier) et de permettre ainsi le processus de digestion. La stérilisation sera normalement exécutée à 70ºC, suivie d une période de repos d une heure afin de garantir le respect des exigences sanitaires. Il est courant de ne stériliser que le co- 26

27 substrat. Le processus du prétraitement du substrat ouvre la voie à un large potentiel d optimisation du procédé de digestion. Dans cette application, le prétraitement se réfère également au tri du substrat afin de réduire le degré de contamination, ainsi qu a d autres types de procédés destinés à augmenter le rendement en biogaz du substrat (l écaillage, le brassage, les ultrasons, etc.). La plupart des installations sont alimentées continuellement. Régulièrement, le substrat sera injecté une ou plusieurs fois par jour dans une unité d alimentation plus petite avec une capacité de stockage d une journée. Cela permet d obtenir un procédé de fermentation constant avec un apport de matière première régulier, garantissant la stabilité du processus. Afin de maintenir le procédé de fermentation, une partie de la chaleur générée est utilisée comme chauffage pour assurer une température confortable pour les bactéries mésophiles ou thermophiles. Les installations de biogaz agricoles peuvent être conçues à une ou deux phases. Dans la conception des installations de biogaz à deux phases, il est considéré que les différentes étapes du procédé de fermentation microbactérienne ont des conditions environnementales optimales et une vitesse de réaction différentes. Comme pour la présence d oxygène, l hydrolyse préfère par exemple un environnement légèrement acide et a lieu en quelques heures/jours, alors que la méthanogenèse fonctionne mieux en l absence complète d oxygène et dans des conditions neutres, le temps nécessaire se mesurant en semaines. Dans les installations de biogaz à une phase, les 4 procédés biochimiques ont lieu dans un seul digesteur alors que les installations de biogaz à deux phases permettent leur séparation, l hydrolyse et l acidogenèse ayant lieu dans un digesteur, et l acétogénèse et la méthanogenèse ayant lieu dans le réacteur principal. Dans certains cas, un deuxième réacteur de digestion pour la matière organique restante est nécessaire. À la fin du procédé, une unité de stockage d une capacité de 6 mois conservera le digestat pour son utilisation comme engrais. Le système classique de stockage du gaz pour les installations agricoles est le toit hermétique situé au-dessus des réacteurs. Le gaz produit est épuré et ensuite directement injecté dans un moteur à gaz pour produire de l électricité et générer de la chaleur, ou il est alors optimisé en méthane pur et injecté dans le réseau public de gaz. Certaines installations, en fonction du substrat utilisé, ont besoin d une étape supplémentaire avant le moteur. Le gaz doit être désulfuré afin de protéger le moteur et les canalisations adjacentes de la corrosion due au sulfure d hydrogène ou à l acide sulfurique. L électricité générée est vendue au réseau et la chaleur est utilisée pour la stérilisation ainsi que pour chauffer les digesteurs jusqu à la température optimale de chaque bactérie. L excédent de chaleur est refroidi par le refroidisseur d urgence ou utilisé comme source de chauffage pour le quartier. 27

28 Les coûts d investissement nets, soit les coûts ne prenant pas en compte le financement et les impôts, peuvent être divisés entre les coûts de la machinerie, ceux des bâtiments et de la construction, et ceux des équipements électriques et de mesures. Les coûts des bâtiments et de la construction d une installation de biogaz incluent en général toutes les dépenses liées à la construction de la salle des machines, au stockage du substrat ainsi que celles liées aux bâtiments additionnels destinés à héberger les équipements secondaires. Les chiffres présentés ici sont relatifs aux prix de construction en Allemagne et en Europe. Dans d autres pays, ces chiffres pourraient varier, même fortement. Les coûts de machinerie englobent tous les coûts relatifs aux machines, y compris aux systèmes d alimentation du substrat et de stockage. Ces coûts peuvent être répartis entre les coûts des machines nécessaires au stockage, au transport et à l alimentation du substrat dans le digesteur, des dispositifs de mélange à l intérieur de ce dernier et d autres encore. Les coûts du moteur à gaz équipé d un générateur (groupe électrogène) pour l utilisation du gaz produit, le système de traitement de l air et des gaz d échappement, tout comme les systèmes auxiliaires tels que le système de refroidissement (tour de refroidissement de soutien), le système de condensat et le système de ventilation sont considérés séparément puisqu ils seront planifiés et commandés comme une unité à part entière. De plus, les coûts de machinerie incluent aussi les coûts de pompes spécifiques pour les substrats.les coûts de construction incorporent également le coût des réacteurs, tout comme ceux des machines, des tuyauteries, des fixations et de l isolation des réacteurs. D autres dépenses comme les chemins, les clôtures, etc. doivent être incorporées ici. Les coûts des 28

29 équipements électriques font allusion essentiellement aux connexions électriques des machines. En outre, ils incluent les coûts d un contrôleur de plus haut niveau. Les coûts en équipements électriques dépendent fortement de la taille de l ensemble de l installation et peuvent être estimés grossièrement à environ 10 à 20 % du total des coûts de l usine. Les coûts des équipements individuels de mesures des composants sont en général couverts par le fournisseur des composants et inclus dans leurs prix. Semblable à la répartition des coûts pour l installation de 100 kwel, la structure des coûts d une installation de 500 kwel en est dérivée. Les dépenses n étant pas incluses dans cette estimation de coûts d investissement, pour une installation de biogaz ordinaire, sont les coûts relatifs à des conditions de construction très difficiles et extraordinaires. Les coûts correspondant à l achat du terrain ainsi qu au développement du site ne sont pas inclus non plus. Comme il peut être observé à partir de ces deux cas, les coûts spécifiques de l installation de biogaz passent de / kwel installé à / kwel installé. L effet majeur de cette économie d échelle peut être constaté dans les prix ou les coûts destinés au groupe électrogène. Alors que la différence entre les coûts spécifiques d investissement d un petit et d un grand générateur peut atteindre plus de 46 %, la différence entre les coûts spécifiques des autres éléments atteint 25 %. Un principe important et fondamental pour le design d installations de biogaz et pour les estimations des coûts correspondants, est la conception de la sortie du générateur de manière que celle-ci coïncide exactement avec la quantité de substrat disponible et avec le rendement attendu en biogaz, tant 29

30 en qualité comme en quantité. Cela permet d atteindre un nombre optimal d heures de fonctionnement d environ heures par an. Mais ceci est très difficile à réaliser en situations réelles. En plus des coûts d exploitation relatifs aux substrats (dans le cas des cultures énergétiques, ou pour d autres substrats les coûts tels que le transport du fumier), d autres coûts d exploitation doivent être pris en compte dans une installation de biogaz. Généralement, les coûts d exploitation et de maintenance d une installation de biogaz peuvent être répartis entre les coûts d opérations, les coûts de maintenance de l installation, les coûts de maintenance de l unité de générateur et d autres coûts administratifs. L énergie et l électricité, tout comme le personnel et les autres moyens de production seront regroupés dans les coûts d exploitation de l installation. Les coûts de maintenance d une installation de biogaz, excepté ceux du groupe électrogène, peuvent être estimés entre 2 et 4 % des coûts d investissement par année. Les coûts de maintenance du groupe électrogène sont normalement spécifiés par contrat avec le fournisseur de l équipement et atteignent une valeur d environ 1,5 Cents/kWh d électricité produite. Dans certains cas, les fournisseurs définissent le coût de la maintenance en fonction du nombre d heures de fonctionnement. Ils peuvent également fournir des garanties d exploitation (en heures de fonctionnement par an, par ex. 8000h/a) à travers la signature d un contrat de maintenance. Les coûts d assurance et de gestion sont composés des frais annuels d assurance pour la machinerie et de la responsabilité légale. Les coûts de la gestion technique et économique d une installation de biogaz sont principalement associés à la quantité de personnel nécessaire à la gestion commerciale de l installation. Les coûts d exploitation et de maintenance 30

31 rassemblent tous les coûts relatifs aux réparations et aux services de maintenance, à l exception des coûts du personnel sur place. Évidemment, ces coûts varient dans le temps à cause de la fluctuation des prix des matériaux et des équipements. Les coûts correspondants au personnel peuvent varier d un pays à l autre en fonction du niveau des salaires. Après avoir fait une analyse économique, le cash-flow cumulé a été estimé et représenté dans le graphique ci-dessus. L installation de biogaz classique représentée dans ce graphique de cash-flow cumulé a été optimisée pour fonctionner durant heures par an. Les revenus pouvant être générés par une stallation de biogaz proviennent de la vente de l électricité et de la chaleur, de la vente du gaz, ou encore des subventions pour l élimination des déchets (ou des économies d émissions dans le cas contraire), ainsi que de la vente du digestat. Les prix de l électricité et de l énergie thermique dépendent énormément du pays et des conditions régionales. Dans le cas de l Allemagne, les prix de l électricité sont déterminés par la Loi allemande des énergies renouvelables, qui fixe un prix de rachat de l électricité d origine renouvelable pendant 20 ans. Le prix de l énergie thermique dépend des coûts relatifs au combustible substitué (charbon, gaz naturel, pétrole ou bois de chauffage), si les conditions du projet permettent l exploitation de la chaleur résiduelle du générateur. L expérience a démontré que la revente de la chaleur (ou la substitution du combustible) est très importante pour les performances économiques d un projet de biogaz en Allemagne. Ainsi dans d autres pays et dans d autres conditions, l exploitation de l énergie thermique peut ne pas être appropriée pour l exploitation d une installation de biogaz agricole. Les rémunérations 31

32 pour l élimination des déchets peuvent être estimées à travers les coûts que l industrie devrait payer pour le traitement de ses propres déchets. De plus, l installation de biogaz pourrait traiter les déchets d autres industries, faisant payer un tarif réduit pour leur élimination et générant ainsi une nouvelle source de revenus. La vente du digestat comme engrais doit être accomplie dans le respect des réglementations locales concernant l hygiène, le traitement des déchets, etc. Dans certains cas, il n est pas possible de vendre le digestat qui doit aussi être éliminé avec les eaux usées. Dans ce cas, ce coût doit être inclus dans les coûts d exploitation de l installation. Comme il peut être déduit du graphique, le projet a un délai de retour sur investissement global d environ 8 ans, rentabilisant ainsi l investissement effectué. 32

33 2.8 Installations de biogaz industrielles 33

34 Les installations de biogaz industrielles sont des installations de biogaz affichant un standard de qualité supérieur pour le procédé, tout comme pour les matériels utilisés, les équipements et les technologies employés. Généralement, les installations de biogaz industrielles disposent d équipements et de systèmes de contrôle et de mesures plus sophistiqués, et sont construites avec des matériaux soumis à des niveaux d exigences très supérieurs en termes de qualité. Les installations de biogaz industrielles ont normalement une plus forte intensité de capital que les autres types d installations. De plus, ce genre de système est normalement conçu pour traiter certains flux de déchets en tant que substrat de la digestion anaérobie. À cet égard, l objectif principal du système est le traitement des déchets, tout en profitant du procédé pour en extraire le potentiel énergétique qui y est stocké. Dans les installations de biogaz industrielles, les mêmes principes que dans les installations de biogaz agricoles sont appliqués. Elles peuvent avoir une ou plusieurs phases, et en fonction du substrat utilisé avoir besoin ou non d un prétraitement. De la même manière, les options d utilisation de l énergie générée ou du biogaz sont diverses. La diapositive montre une usine de biogaz multi-phase classique conçue avec prétraitement (thermique et mécanique), hydrolyse, fermentation et réservoirs de stockage. Ici le gaz désulfuré est injecté dans la centrale de cogénération qui alimente le réseau en électricité, la chaleur étant envoyée dans un réseau de chauffage urbain avec plusieurs consommateurs, dont un énorme stade de football. En général, elles sont raccordées directement au flux de déchets d une industrie spécifique, par exemple des abattoirs, des usines de papier, etc. Dans ce cas, les installations de biogaz ne transforment pas seulement en énergie des sous-produits à faible valeur, mais éliminent également des déchets potentiellement dangereux pour l environnement. Ce dernier aspect génère aussi des revenus puisque l opérateur de l installation de biogaz peut bénéficier des 34