LA MÉTHANISATION AGRICOLE. Procédés Montage de projet (01/2015)

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1 LA MÉTHANISATION AGRICOLE Procédés Montage de projet (01/2015)

2 MÉTHANISATION : RAPPEL DES ENJEUX ET OBJECTIFS NATIONAUX Gisement mobilisable : 33 millions de tonnes (55 % provenant de l agriculture) Objectifs pour la production de biogaz en 2020 : GWh primaires Electricité : GWh primaires (625 MW et GWh) Chaleur : GWh primaires (550 ktep de chaleur produite) Appel à projets méthaniseurs 2

3 MÉTHANISATION : AIDE D ÉTAT EN REGION BASSSE NORMANDIE (janvier 2015) Projets aidés depuis 2009 : 29 unités de méthanisation à la ferme (17 en fonction) 2 unités de méthanisation agricole territoriale 1 unité de méthanisation industrielle territoriale Investissement total : H.T. Financements publics : MAAF (P.P.E.), ADEME, Conseils Généraux 14 et 61, LEADER Budget ADEME mobilisé : (Fonds Déchets) Taux d aide d état : 11 à 37 % (total : ) 3

4 Nombre d unités de production de biogaz en fonctionnement en France (source : ADEME 2012) Centralisé OM Ferme STEP IAA ISDND Dont valorisé 4

5 Le processus biologique Biogaz (CH4, CO2, H2S, ) Matière organique Micro-organismes Digestat N, P, K N, P, K ETM MN, indésirables ETM MN, indésirables 5

6 Le processus biologique Monomères solubles Acides organiques, Alcools Acétate H 2, CO 2 Biogaz CH 4, CO 2 Hydrolyse Acidogénèse Acétogénèse Méthanogènése 6

7 Le processus biologique * OHPA : «Obligate Hydrogen Producing Acetogens» Acétate (AGV) Macro-molécules organiques Bactéries hydrolytiques Monomères solubles Bactéries fermentaires Acides organiques (AGV) Bactéries OHPA * H 2, CO 2 Cellulose, Amidon, Protéines, Graisses Sucres simples, Acides aminés Propionate, butyrate, lactate, formate Archea méthanogènes acétoclastes Archea méthanogènes hydrogénophiles CH 4, CO 2 CH 4 CO 2 7

8 Le processus biologique Bactéries anaérobies et archées Micro-organismes vivants donc sensibles à de nombreux facteurs dont : - Présence de nutriments - Présence d eau - Présence de toxiques - Température - Ph - Compétition avec d autres micro-organismes Micro-organismes vivants donc capables de s adapter à des modifications d environnement 8

9 Le processus biologique Un processus complexe Des phénomènes d inhibition internes Un équilibre fragile 9

10 Les substrats méthanisables Biodégradables dans les conditions de la digestion Toutes les matières organiques ne sont pas biodégradables lignine, kératine, Contenant tous les nutriments nécessaires à la croissance des bactéries - Nutriments majeurs : C, N, P, K Ratios définis : C/N = 10 (15) à 30, C/P = Minéraux : Ni, Co, Fe 10

11 Les substrats méthanisables Les nutriments doivent être accessibles, biodisponibles - Solubilité - Surface de contact Pas d inhibiteurs de la croissance des micro-organismes - Antibiotiques - Désinfectants - Pesticides - Oxydants, 11

12 Les substrats méthanisables Mesure et expression de la composition - Matière sèche Déchets solides : MS tot (séchage à C) Déchets liquides : MS tot, MES (filtration, centrifugation) - Matière organique Déchets solides : Matière Volatile (MV) (à 550 C), Carbone Organique Total (COT) (combustion), Demande Chimique en Oxygène (DCO) Déchets liquides : DCO, Demande Biologique Oxygène (DBO) 12

13 Les substrats méthanisables Mesures Matière organique dégradable Matière organique non dégradable Tests biologiques = BMP * Mesures Matière minérale Eau * Biochemical Methane Potential 13

14 Les substrats méthanisables Le potentiel énergétique spécifique Composés Production de méthane m 3 / tonne matière sèche organique Cellulose 440 Sucres 370 Protéines 500 Lipides

15 Les substrats méthanisables 15

16 Le gisement méthanisable Fumiers, purins, lisiers, fientes, Légumes, fruits, fanes, rafles, herbes à fourrage, grains, Sucrerie, conserverie, laiterie, distillerie, abattoir, Pulpes, boues, marcs, fruits, légumes, Fractions organiques Supermarché, restaurant, cantine, commerce, Boues primaires et secondaires 16

17 Conduite de la digestion Les paramètres importants Composition du substrat méthanisable Température de fonctionnement Temps de séjour des micro-organismes Charge organique Contact bactérie/substrat = préparation du substrat Echange des métabolites = homogénéisation 17

18 Conduite de la digestion Les paramètres importants La température : 2 optimums distincts digestion mésophile : C digestion thermophile : C micro-organismes spécifiques Influence sur vitesse de réaction (ou taille Du digesteur) et hygiénisation Adaptation au type de substrat 18

19 Conduite de la digestion Les paramètres importants Le temps de séjour des micro-organismes Le TS des microorganismes doit être suffisant pour que l ensemble puisse se multiplier Exprimé en jours (heures) Deux notions : -Le temps de séjour des micro-organismes -Le temps de séjour hydraulique (TRH) 19

20 Conduite de la digestion Les paramètres importants Charge organique volumique Quantité de matière organique (DCO, COT, ) par jour et par volume utile de réacteur Exprimée en Kg/j.m3 utile Prend en compte : 1. Concentration en matière organique biodégradable dans l alimentation 2. Débit d alimentation du bioréacteur (TSH) 20

21 Conduite de la digestion Les paramètres importants Contacts micro-organismes / substrats Deux notions fondamentales : Surfaces de contact Echanges de métabolites entre les micro-organismes Préparation des substrats (broyage, dilution) Teneur en matière sèche et brassage du digesteur Plus la teneur en matière sèche est élevée dans le digesteur et plus le système de brassage doit être performant. 21

22 Conduite de la digestion Les paramètres importants Préparation du substrat Retirer les indésirables Pour les déchets solides : - Réduire la granulométrie (broyer) - Le cas échéant : transformer en boue (mécaniquement, biologiquement, les 2) Pour les produits gras : liquéfier (chauffer), émulsionner Pour les produits hétérogènes : mélanger Pour les sous produits animaux : hygiéniser 22

23 Conduite de la digestion Les paramètres importants Homogénéisation dans le digesteur Dépend de la consistance des matières Doit être d autant plus performant Que la teneur en matières sèches est élevée Qu il y a risque de séparation de phases (flottation de graisses, décantation de solides, ) - Brassage mécanique - Brassage «pneumatique» par le biogaz - Brassage par recirculation (digestat, percolat) 23

24 Les composants d une unité de méthanisation Les unités fonctionnelles 24

25 Les composants d une unité de méthanisation Les postes d investissement (Unités Fonctionnelles) UF 1 Réception, préparation, introduction des intrants UF 2 Production de biogaz UF 3 Stockage du digestat UF 4 Valorisation de l énergie UF 5 Valorisation du digestat UF 6 Terrassement gros œuvre UF 7 Ingénierie UF 8 Postes divers (terrain, traitement odeurs ) UF 9 Investissements liés (séchoir, distribution de chaleur, matériel de logistique ) 25

26 Les composants d une unité de méthanisation Quels procédés de digestion? Digestion voie humide en infiniment mélangé 26

27 Voie humide infiniment mélangé Les composants d une unité de méthanisation UF 1 Réception, préparation, introduction des intrants Transfert des substrats liquides Transfert des substrats solides 27

28 Les composants d une unité de méthanisation Voie humide infiniment mélangé Digesteur en béton UF 2 Production de biogaz Digesteur en métal 28

29 Les composants d une unité de méthanisation Voie humide infiniment mélangé Agitateur à pales UF 2 Production de biogaz Agitateur à hélice 29

30 Les composants d une unité de méthanisation Voie humide infiniment mélangé Collecteur gaz simple membrane UF 2 Production de biogaz Collecteur gaz double membrane 30

31 Les composants d une unité de méthanisation Voie humide infiniment mélangé UF 3 Stockage du digestat Cuve avec couverture Lagune 31

32 Les composants d une unité de méthanisation Voie humide infiniment mélangé Séparation de phases UF 5 Valorisation du digestat Séchage digestat solide 32

33 Les composants d une unité de méthanisation Voie humide infiniment mélangé Evapoconcentration digestat liquide UF 5 Valorisation du digestat Epandage digestat liquide 33

34 Les composants d une unité de méthanisation Quels procédés de digestion? Digestion voie sèche en discontinu 34

35 Les composants d une unité de méthanisation UF 1 Réception, préparation, introduction des intrants Voie sèche discontinue Homogénéisation, transfert de matières solides 35

36 Les composants d une unité de méthanisation Voie sèche discontinue Digesteur garage UF 2 Production de biogaz Digesteur silo 36

37 Les composants d une unité de méthanisation Voie sèche discontinue Cannes d aspersion et caniveaux de reprise des percolats UF 2 Production de biogaz Cuve de stockage des jus 37

38 Les composants d une unité de méthanisation UF 4 Valorisation énergétique Épuration du biogaz avant Cogénération : électricité + chaleur 38

39 Les composants d une unité de méthanisation UF 4 Valorisation énergétique Chauffage du digesteur Fourniture de chaleur hors procédé 39

40 Les composants d une unité de méthanisation Injection de biométhane dans le réseau de gaz UF 4 Valorisation énergétique Epuration du biogaz par membranes (dans ce cas) Poste d injection GRDF Torchère de brulage du gaz non-conforme (ou recyclage) 40

41 Les composants d une unité de méthanisation UF 6 Terrassement Gros œuvre Déblais, remblais Génie civil ouvrages non spécifiques 41

42 Les composants d une unité de méthanisation UF 9 Investissements liés Exemple : séchage du foin en cases Exemple : serre horticole 42

43 Montage de projet agricole Typologie des projets Installation à la ferme Caractéristiques Création d une unité de méthanisation par un exploitant individuel ou les associés d une société agricole Traitement centré (mais non exclusivement) sur les effluents et produits de l exploitation 43

44 Montage de projet agricole Typologie des projets Installation à la ferme Pourquoi créer une installation de méthanisation à la ferme? Création d un nouvel atelier (revenus stables sur 15 ans) Entrée d un associé (rémunération) Mise aux normes (stockage du digestat) Augmentation du cheptel (exportation de digestat) Modification de la gestion de la fertilisation Création de liens entre différents acteurs économiques Préoccupations environnementales (GES, odeurs, hygiénisation) 44

45 Montage de projet agricole Typologie des projets Installation collective Caractéristiques Création d une unité de méthanisation par un regroupement d exploitants agricoles Association possible avec un investisseur Traitement centré (mais non exclusif) sur les effluents et produits de plusieurs exploitations 45

46 Montage de projet agricole Typologie des projets Installation collective Pourquoi créer une installations de méthanisation collective? Atteindre la taille critique pour assurer la rentabilité d un projet Gérer en commun des effluents à l échelle d un territoire Réduire les coûts d épandage (prise en charge externe) Renforcer les synergies entre agriculture et agro-industrie locale Répondre aux sollicitations d un développeur 46

47 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Installation à la ferme - Cogénération Points à investiguer : Contexte (état des lieux de l exploitation agricole, opportunités ) Ressource en intrants méthanisables Production énergétique visée Définition des procédés à mettre en œuvre Analyse environnementale Analyse économique du projet (sur sa durée de vie) 47

48 Montage de projet agricole Étudier la faisabilité Installation à la ferme - Cogénération Ressource en intrants méthanisables : Caractéristiques physiques chimiques et agronomiques Production, disponibilité et pérennité (sur 15 ans) Coûts d approvisionnement Recettes éventuelles tirées de la prise en charge Logistique et stockage 48

49 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Installation à la ferme - Cogénération Production énergétique visée : Production mensuelle de méthane (selon rations) Electricité vendue (tarification) Consommations mensuelles de chaleur par usage Charges : maintenance et consommations d énergie de l installation Offres fournisseurs 49

50 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Installation à la ferme - Cogénération Définition des procédés à mettre en œuvre : Génie civil (silos, préfosses, digesteur(s), stockages ) Matériels spécifiques de méthanisation (pompes, agitateurs, trémies ) Matériels spécifiques de production d énergie (cogénération, raccordement électrique, réseau de chaleur ) Matériels spécifiques à la valorisation du digestat (traitement, épandage) Réseaux (biomasse, gaz) Dimensionnement des composants Performances attendues du système 50

51 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Installation à la ferme - Cogénération Analyse économique du projet (sur sa durée de vie) Détermination du montant des investissements par postes Evaluation des recettes et dépenses annuelles d exploitation Tableaux des flux prévisionnels de trésorerie et de revenus (avec et sans subvention souhaitée) Calcul d indicateurs économiques (Taux de Rentabilité Interne, Temps de Retour Brut) Plan de financement (capitaux propres, subventions, dette) 51

52 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Cogénération Analyse économique du projet : conditions d achat de l électricité avec : Tarif 2006 = T + M + PM T : tarif de référence fonction de la puissance électrique maximale installée (de 9 à 7,50 c /kwh) (maximum : < ou = 150 kw) M : prime à l efficacité énergétique (de 0 à 3 c /kwh) suivant un coefficient v = (énergie thermique valorisée + énergie électrique valorisée) / énergie primaire biogaz X 0,97 si : v < ou = 40 %, M = 0 v > ou = 75 %, M = 3, avec interpolation linéaire PM : prime à la méthanisation (2 c /kwh) 52

53 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Cogénération Analyse économique du projet : conditions d achat de l électricité avec : Tarif 2011 = T + Pe + Pr T : tarif fonction de la puissance électrique maximale installée (de 13,37 à 11,19 c /kwh) (maximum < ou = 150 kw) Pe : prime à l efficacité énergétique (de 0 à 4 c /kwh) suivant un coefficient v = (énergie thermique valorisée hors procédé + énergie électrique valorisée) / énergie primaire biogaz X 0,97 si : v < ou = 35 %, Pe = 0 v > ou = 70 %, Pe = 4, avec interpolation linéaire Pr : prime pour le traitement d effluents d élevage (de 0 à 2,6 c /kwh) suivant la puissance électrique maximale installée et la proportion d effluents d élevage dans l approvisionnement annuel de l installation (maximum : > ou = 60 % et Pmax < ou = 150 kw), avec interpolations linéaires (20% - 60 % et kw) 53

54 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Cogénération Analyse économique du projet : conditions d achat de l électricité avec : Tarif 2013 = T + Pe + Pr T : Idem tarif 2011 Pe : Idem tarif 2011 Pr : prime pour le traitement d effluents d élevage (de 0 à 2,6 c /kwh) suivant la puissance électrique maximale installée et la proportion d effluents d élevage dans l approvisionnement annuel de l installation (maximum : > ou = 60 % et Pmax < ou = 300 kw), avec interpolations linéaires (20 60 % et kw et kw) 54

55 Montage de projet agricole Etudier la faisabilité Cogénération Analyse économique du projet : conditions d achat de l électricité Révision annuelle du tarif d achat Indice K fonction de l évolution du coût horaire du travail dans les industries mécaniques et électriques et de l indice des prix à la production de l industrie Dernières valeurs : 01/01/2012 k = 1, /01/2013 k = 1, /01/2014 k = 1,06652 Indexation annuelle du tarif appliqué à l installation Indice L fonction des mêmes paramètres (formule de calcul différente) 55

56 Montage de projet agricole Les démarches administratives Permis de construire (DDT) Demande d autorisation d exploiter (Installation Classée pour la Protection de l Environnement) installation soumise à déclaration (Préfecture), enregistrement ou autorisation (Préfecture, DREAL, DDCSPP) Agrément sanitaire pour le traitement de sous-produits animaux (DDCSPP) Certificat ouvrant droit à obligation d achat (cogénération) (DREAL) Attestation préfectorale ouvrant droit à l achat de biométhane (injection) (DREAL) Identification de l installation (ADEME) 56

57 Montage de projet agricole Les démarches pour injecter de l électricité dans le réseau public de distribution ERDF Demande complète de raccordement Acceptation de la Proposition Technique et Financière Convention de raccordement au réseau de distribution Convention d exploitation Contrat d accès au réseau public de distribution CONSUEL Conformité de l installation Fournisseur d énergie (EDF obligation d achat ) Contrat d achat d électricité 57

58 MERCI DE VOTRE ATTENTION Hugues Le Roux ADEME Direction Régionale Basse Normandie Citis, avenue de Tsukuba Hérouville Saint Clair Cedex Tél Courriel : hugues.leroux@ademe.fr Téléchargement du diaporama : site internet ADEME DR Basse Normandie Rubrique ENR > Boite à outils > Espace méthanisation 58