biogasportal.info Guide sur le biogaz De la production à l utilisation

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1 biogasportal.info Guide sur le biogaz De la production à l utilisation

2 La Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) a été chargée par le ministère fédéral allemand de la Coopération économique et du Développement (BMZ) de réaliser le projet de coopération régionale «Renforcement des capacités de formation initiale et continue pour le secteur de l environnement, Maghreb». Un des principaux axes de ce projet, qui couvre la période , est la composante «biogaz». Elle vise à sensibiliser les institutions concernées par le biogaz aux avantages et possibilités de cette nouvelle source d énergie et à former leur personnel technique à ses principaux aspects technologiques et économiques. Le projet a financé la version française du «Guide sur le biogaz «Sabine Hartig Centre de compétence Développement des ressources humaines (DRH) Programmes Méditerrane & Moyent-Orient (division 33A0) Directrice du projet Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH Käthe-Kollwitz-Straße Mannheim Allemagne T F E sabine.hartig@giz.de I

3 Guide sur le biogaz De la production à l'utilisation Publié par la Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) avec le soutien du ministère fédéral de l'alimentation, de l'agriculture et de la Protection des Consommateurs suite à une décision du Parlement fédéral allemand.

4 Responsable du projet : Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR) Internet : Sur mandat du : ministère fédéral de l'alimentation, de l'agriculture et de la Protection des Consommateurs (BMELV) Internet : Soutien éditorial : Deutsches BiomasseForschungsZentrum (DBFZ) Internet : Partenaires : Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) Internet : Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti) Internet : Cabinet d'avocats Schnutenhaus & Kollegen Internet : Publié par : Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Rédaction : Copyright (Cuverture) : FNR, division Communication et relations publiques Mark Paterson / FNR; Werner Kuhn / LWG; FNR / istockphoto Maquette : Rostock 5e édition, entièrement révisée, Gülzow, 2010 Tous droits réservés Sans autorisation écrite de l'éditeur, aucune partie de cet ouvrage n'a le droit d'être reproduite, traitée, distribuée ou archivée. Ce sont exclusivement les auteurs, et non l'éditeur, qui sont responsables des conclusions et des résultats, des concepts et des recommandations y figurant.

5 1 Sommaire Listes Liste des illustrations... 9 Liste des tableaux Liste des auteurs Objet du Guide M. KALTSCHMITT, F. SCHOLWIN 1.1 Objectif Approche Contenu Groupes cibles Définition du champ d application Technologie Substrats Actualité des données Champ d application des données Notions fondamentales de digestion anaérobie J. FRIEHE, P. WEILAND, A. SCHATTAUER 2.1 Production de biogaz Conditions environnementales dans le réacteur Oxygène Température Valeur du ph Apport en nutriments Inhibiteurs Paramètres de fonctionnement Taux de charge organique et temps de séjour du digesteur Productivité, rendement et degré de dégradation Mélange Potentiel de génération de gaz et activité méthanogène Références bibliographiques

6 Guide sur le biogaz de la production à l'utilisation 3 Technologie des centrales de valorisation du biogaz...33 J. POSTEL, U. JUNG, EL. FISCHER, F. SCHOLWIN, T. WEIDELE, H. GATTERMANN, A. SCHATTAUER, P. WEILAND 3.1 Caractéristiques et différences entre les différentes procédures Teneur en matière sèche du substrat pour la fermentation Type d introduction Nombre de phases et d étapes du procédé Technique du procédé Gestion du substrat Valorisation du biogaz Stockage du digestat Stockage du biogaz récupéré Codes techniques applicables Références bibliographiques Description de divers substrats...78 J. FRIEHE, P. WEILAND, A. SCHATTAUE 4.1 Substrats agricoles Fumier Cultures énergétiques Substrats issus de l industrie de transformation des produits agricoles Production de bière Production d alcool Production de biodiesel Transformation de la pomme de terre (production d amidon) Production de sucre Sous-produits de la transformation des fruits Sous-produits d origine purement végétale selon la loi EEG Données matières et rendements en gaz des sous-produits d origine purement végétale Produits de taille et herbe coupée Matière issue de la gestion du paysage Références bibliographiques Annexe Fonctionnement des centrales de valorisation du biogaz...90 J. LIEBETRAU, J. FRIEHE, P. WEILAND, A. SCHREIBER 5.1 Paramètres de surveillance du procédé biologique Taux de production de biogaz Composition du gaz Température Volume d entrée et niveaux de remplissage Caractéristiques du substrat Mesure de la concentration en acides organiques Valeur du ph Concentrations en oligo-éléments Azote, ammonium, ammoniac Couches de boue flottantes Formation de mousse Évaluation du procédé

7 Sommaire 5.2 Contrôle et automatisation de la centrale Système de bus Planification de la configuration Applications/visualisation Acquisition de données Commande en boucle fermée Contrôle du procédé au démarrage et en phase de fonctionnement normal Fonctionnement normal Procédé de démarrage Gestion des perturbations Causes des perturbations du procédé Gestion des perturbations du procédé Gestion des problèmes et des défaillances techniques Fiabilité opérationnelle Sécurité au travail et sécurité de la centrale Protection de l'environnement Remarques sur l optimisation des centrales Optimisation technique Analyse de l efficacité de la centrale (utilisation du substrat en fonction des flux d énergie) Optimisation économique Minimisation de l impact environnemental Références bibliographiques Traitement du gaz et utilisations possibles M. WEITHÄUSER, F. SCHOLWIN, ER. FISCHER, J. GROPE, T. WEIDELE, H. GATTERMANN 6.1 Purification et traitement du gaz Désulfuration Séchage Extraction du dioxyde de carbone Extraction de l oxygène Extraction des autres gaz présents à l état de traces Obtention d un gaz comparable au gaz naturel Utilisation pour la production combinée de chaleur et d électricité Petites unités de cogénération intégrées, avec moteurs à combustion interne Moteurs stirling Microturbines à gaz Piles à combustible Utilisation de la chaleur résiduelle dans les unités de cogénération à dominante électricité Injection de gaz dans un réseau Injection dans le réseau de gaz naturel Injection dans des micro-réseaux de gaz Carburant pour véhicules motorisés Utilisation thermique du biogaz Références bibliographiques

8 Guide sur le biogaz de la production à l'utilisation 7 Cadre juridique et administratif H. VON BREDOW 7.1 Promotion de l électricité issue de la biomasse Système de primes de l EEG Raccordement au réseau et injection de l électricité Raccordement au réseau Gestion de l injection Injection d électricité et vente directe Tarifs d achat EEG Mécanisme de fixation des prix Définitions des termes «centrale» et «date de mise en service» détermination du tarif applicable Détails des niveaux de prix Traitement et injection du gaz Conditions d attribution du tarif d achat EEG Transport entre le point d injection et l unité de cogénération Cadre juridique pour la connexion au réseau et l utilisation du réseau Récupération de chaleur et approvisionnement en chaleur Cadre juridique Apport de chaleur Réseaux de chaleur Références bibliographiques Liste de sources Aspects économiques S. HARTMANN, B. WIRTH, A. NIEBAUM, H. DÖHLER, U. KEYMER, G. REINHOLD 8.1 Description des modèles de centrales hypothèses et paramètres clés Puissance des centrales Substrats Conception biologique et technique Paramètres techniques et paramètres du procédé Coûts d investissement des unités fonctionnelles des centrales Rentabilité des centrales Recettes Coûts Analyse coûts-avantages Analyse de sensibilité Rentabilité de certaines utilisations de la chaleur Utilisation de la chaleur pour le séchage Utilisation de la chaleur pour le chauffage de serres Utilisation de la chaleur dans un système de chauffage municipal Classification qualitative de différentes utilisations de la chaleur Références bibliographiques

9 Sommaire 9 Organisation de l exploitation agricole G. REINHOLD, S. HARTMANN, A. NIEBAUM, R. STEPHANY, P. JÄGER, M. SCHWAB 9.1 Restructuration d une exploitation agricole perspectives d avenir et possibilités d optimisation Choix d un lieu d implantation approprié pour la centrale Impact de la centrale de valorisation du biogaz sur la rotation des cultures Besoins en terres et en main-d œuvre Temps et technologie Références bibliographiques Qualité et utilisation du digestat H. DÖHLER, S. WULF, S. GREBE, U. ROTH, S. KLAGES, T. AMON 10.1 Propriétés du digestat Propriétés, éléments nutritifs et substances à valeur ajoutée Contaminants Propriétés hygiéniques Stockage du digestat Émissions d ammoniac Émissions préjudiciables pour le climat Épandage du digestat sur les terres agricoles Disponibilité et effets nutritifs de l azote Mesures destinées à réduire les pertes d ammoniac après épandage des digestats dans les champs Traitement des digestats Techniques de traitement Utilisation des digestats traités Comparaison des procédés de traitement du digestat Références bibliographiques Réalisation du projet ER. FISCHER, F. SCHOLWIN, A. NIEBAUM, A. SCHATTAUER 11.1 Formulation du concept et avant-projet Étude de faisabilité Approvisionnement en substrats Choix du site Logistique des flux de matières Choix de la technologie Utilisation du gaz Évaluation et prise de décision Références bibliographiques

10 Guide sur le biogaz de la production à l'utilisation 12 Place du biogaz parmi les sources d énergie renouvelable en Allemagne M. KALTSCHMITT, F. SCHOLWIN, J. DANIEL-GROMKE, B. SCHUMACHER, A. SCHEUERMANN, R. WILFERT 12.1 La production de biogaz comme solution de valorisation énergétique de la biomasse Rôle écologique et pérennité de la valorisation du biogaz État actuel de la valorisation du biogaz en Allemagne Nombre de centrales et puissance Utilisation du biogaz et tendances associées Substrats Potentiel Potentiel technique d énergie primaire Potentiel technique d énergie finale Prévisions Références bibliographiques Glossaire Liste des abréviations Adresses des institutions

11 1 Liste des illustrations Figure 2.1 : Représentation schématique de la décomposition anaérobie Figure 2.2 : Corrélation entre le taux de charge organique et le temps de séjour hydraulique pour diverses concentrations de substrat Figure 3.1 : Schéma du procédé à débit continu Figure 3.2 : Schéma du procédé associant débit continu et bassin tampon Figure 3.3 : Procédé général de valorisation du biogaz ; tel qu il est décrit à la section Figure 3.4 : Schéma d une centrale de valorisation de biogaz agricole pour co-substrats Figure 3.5 : Séparateur pour effluents chargés intégré à la canalisation Figure 3.6 : Cuve de réception avec décompacteur Figure 3.7 : Broyeur à marteaux et à rouleaux pour le broyage des substrats solides Figure 3.8 : Broyage du substrat à l intérieur de la canalisation (dispositif de broyage à plaque perforée) Figure 3.9 : Pompe immergée avec couteaux sur le rotor : bon exemple de combinaison des opérations de broyage et de pompage au sein d une seule et même unité Figure 3.10 : Hygiénisation avec refroidissement Figure 3.11 : Pompes dans une centrale de valorisation du biogaz Figure 3.12 : Pompe à rotor excentré Figure 3.13 : Pompe volumétrique rotative (à gauche), principe de fonctionnement (à droite) Figure 3.14 : Pré-fosse ou fosse de réception en cours de remplissage Figure 3.15 : Introduction indirecte des solides (schématisée) Figure 3.16 : Introduction directe des solides (schématisée) Figure 3.17 : Pompes équipées de trémies : avec pompe volumétrique rotative intégrée (à gauche) et pompe à rotor excentré (à droite) Figure 3.18 : Introduction de substrats solides dans le digesteur au moyen d un système à piston Figure 3.19 : Introduction de substrats solides dans le digesteur au moyen de vis sans fin Figure 3.20 : Canalisations, robinets et raccords dans une station de pompage, robinets d arrêt Figure 3.21 : Plate-forme de travail entre deux réservoirs avec canalisations et dispositif de décompression (à gauche), canalisations de gaz avec ventilateur compresseur (à droite) Figure 3.22 : Réacteur avec agitateur à arbre long et autres composants internes Figure 3.23 : Réacteur piston (fermentation humide) Figure 3.24 : Réacteur piston (fermentation sèche) Figure 3.25 : Réacteurs piston ; exemples concrets, cylindrique (à gauche), section rectangulaire avec réservoir de gaz au-dessus (à droite) Figure 3.26 : Exemples de digesteurs de type garage ; batterie de digesteurs et porte de digesteur garage Figure 3.27 : Digesteur à deux compartiments Figure 3.28 : Exemples de constructions spéciales pour la fermentation sèche ; réacteur biologique séquentiel (à gauche), réacteur de type garage avec agitateur (au milieu), étape de méthanisation du procédé de fermentation humide/sèche et réservoir externe pour le stockage du gaz (à droite).. 60 Figure 3.29 : Digesteur en béton en cours de construction

12 Guide sur le biogaz de la production à l'utilisation Figure 3.30 : Digesteur en acier inoxydable en cours de construction Figure 3.31 : Agitateur submersible à hélice (à gauche), tube de guidage (au milieu), agitateur submersible avec rotor à grandes pales (à droite) Figure 3.32 : Agitateurs à arbre long équipés de deux mobiles, avec et sans tourelle de guidage au fond du digesteur Figure 3.33 : Agitateur axial Figure 3.34 : Agitateur à pales Figure 3.35 : Séparateur à vis Figure 3.36 : Disposition permettant d éviter toute perturbation dans l extraction du gaz ; tuyau d entrée du gaz avec ouverture vers le haut (tuyau d entrée du substrat à gauche) Figure 3.37 : Tuyaux de chauffage en acier inoxydable installés dans le digesteur (à l intérieur) (à gauche) ; installation de tuyaux de chauffage dans la paroi du digesteur (à droite) Figure 3.38 : Réservoir de stockage à géomembrane Figure 3.39 : Structure supportant un toit flottant (à gauche) ; centrales de valorisation du biogaz avec réservoirs à toit flottant Figure 3.40 : Exemple de réservoir de stockage autonome équipé de deux épaisseurs de géomembrane Figure 3.41 : Torchère de secours d une centrale de valorisation du biogaz Figure 5.1 : Inhibition, par NH 3, de la méthanogénèse à partir d acide acétique Figure 5.2 : Représentation schématique du système de commande de la centrale Figure 5.3 : Régime de chargement de la phase de démarrage Figure 5.4 : Progression de la phase de démarrage, digesteur Figure 5.5 : Progression de la phase de démarrage, digesteur Figure 5.6 : Progression de la phase de démarrage, digesteur Figure 5.7 : Progression de la phase de démarrage du digesteur 1 avec déficit en oligo-éléments Figure 5.8 : Optimisations possibles Figure 6.1 : Système de contrôle du gaz pour l injection d air dans l espace réservé au gaz du digesteur Figure 6.2 : Colonnes de désulfuration biologique externes, à droite d un réservoir de gaz Figure 6.3 : Centrale de traitement du biogaz (épuration Genosorb) à Ronnenberg Figure 6.4 : Présentation schématique d une unité de cogénération Figure 6.5 : Unité de cogénération, module autonome compact avec torchère Figure 6.6 : Rendement électrique des unités de cogénération Figure 6.7 : Distributeur de chaleur Figure 6.8 : Unité de cogénération avec système de régulation du gaz Figure 6.9 : Installation d une unité de cogénération dans un bâtiment et dans un conteneur spécialement conçu à cet effet Figure 6.10 : Principe de fonctionnement d un moteur stirling d après [6-14] et [6-21] Figure 6.11 : Présentation d une microturbine à gaz Figure 6.12 : Principe de fonctionnement d une pile à combustible Figure 6.13 : Schéma de fonctionnement d un réfrigérateur à absorption Figure 6.14 : Exemple de réfrigérateur à absorption dans une centrale de valorisation du biogaz Figure 8.1 : Utilisations de la chaleur résiduelle des centrales de valorisation du biogaz dotée d un procédé de cogénération Figure 9.1 : Options à la disposition de l exploitant agricole pour la production de biogaz Figure 9.2 : Paramètres qui influencent le choix de l emplacement de la centrale Figure 9.3 : Temps de travail requis pour diverses filières de production avec génération de biogaz intégrée Figure 9.4 : Temps de travail requis pour la supervision de la centrale Figure 9.5 : Temps de travail requis pour la supervision et la maintenance de la centrale Figure 9.6 : Diagramme des temps de travail associés au modèle de centrale III

13 Liste des illustrations Figure 10.1 : Corrélation entre le potentiel d émission de gaz résiduel à C et le temps de séjour hydraulique Figure 10.2 : Rampes à pendillards Figure 10.3 : Enfouisseur à patins Figure 10.4 : Enfouisseur à disques Figure 10.5 : Injecteur de lisier Figure 10.6 : Périodes d épandage des digestats dans les champs Figure 10.7 : Classification des procédés de traitement par type Figure 11.1 : Étapes de la réalisation d un projet de production et d utilisation de biogaz Figure 11.2 : Approche générale d un projet de centrale de valorisation du biogaz Figure 11.3 : Critères de l étude de faisabilité d une centrale de valorisation du biogaz Figure 11.4 : Critères de sélection du site Figure 12.1 : Options d utilisation de la biomasse pour la production d énergie finale/utile Figure 12.2 : Comparaison entre les émissions de gaz à effet de serre (kg éq. CO 2 /kwh el ) de différents modèles de centrales de valorisation du biogaz et du mix énergétique allemand Figure 12.3 : Évolution du nombre de centrales de valorisation du biogaz construites en Allemagne jusqu en 2009 (centrales différenciées en fonction de la catégorie de puissance et de la puissance électrique installée en MW el ) Figure 12.4 : Rapport entre puissance électrique installée et superficie agricole [kw el /1 000 ha] dans les Länder allemands Figure 12.5 : Substrats utilisés dans les centrales de valorisation du biogaz (sur la base de la masse introduite) (enquête de 2009) Figure 12.6 : Cultures énergétiques utilisées comme substrats dans les centrales de valorisation du biogaz (sur la base de la masse introduite) (enquête de 2009) Figure 12.7 : Potentiel technique d énergie primaire du biogaz en Allemagne en 2007 et

14 1 Liste des tableaux Tableau 2.1 : Concentrations favorables d oligo-éléments selon diverses sources bibliographiques Tableau 2.2 : Inhibiteurs des processus de décomposition anaérobie et concentrations auxquelles ils deviennent préjudiciables Tableau 2.3 : Rendement spécifique en biogaz et concentration de méthane des différents groupes de substances Tableau 2.4 : Paramètres pour l ensilage d herbe Tableau 2.5 : Rendements en biogaz et en méthane à partir d un ensilage d herbe Tableau 2.6 : Composition moyenne du biogaz Tableau 3.1 : Classification des procédés de production de biogaz en fonction de différents critères Tableau 3.2 : Stockage des substrats avant la fermentation Tableau 3.3 : Caractéristiques et paramètres des dispositifs de broyage installés dans les unités combinées de réception et de dosage Tableau 3.4 : Caractéristiques et paramètres des broyeurs externes Tableau 3.5 : Caractéristiques et paramètres des broyeurs agitateurs installés dans la pré-fosse Tableau 3.6 : Caractéristiques et paramètres des broyeurs agitateurs intégrés à la canalisation Tableau 3.7 : Caractéristiques et paramètres des dispositifs de broyage combinés à des technologies de transport au sein d une même unité Tableau 3.8 : Caractéristiques et paramètres des cuves d hygiénisation Tableau 3.9 : Caractéristiques et paramètres des pompes rotatives Tableau 3.10 : Caractéristiques et paramètres des pompes à rotor excentré Tableau 3.11 : Caractéristiques et paramètres des pompes volumétriques rotatives Tableau 3.12 : Caractéristiques et paramètres des pré-fosses Tableau 3.13 : Caractéristiques et paramètres des vis sans fin utilisées pour l introduction du substrat Tableau 3.14 : Propriétés des pompes équipées de trémies pour l introduction des solides dans les canalisations à liquide Tableau 3.15 : Caractéristiques et paramètres des systèmes d introduction avec piston Tableau 3.16 : Caractéristiques des robinets, raccords et canalisations de manutention des liquides Tableau 3.17 : Caractéristiques des robinets, raccords et canalisations de manutention du gaz Tableau 3.18 : Propriétés des réacteurs infiniment mélangés Tableau 3.19 : Propriétés des réacteurs piston Tableau 3.20 : Caractéristiques et paramètres du béton destiné à la construction des réservoirs dans les centrales de valorisation du biogaz Tableau 3.21 : Caractéristiques et paramètres de l acier utilisé pour la construction des réservoirs dans les centrales de valorisation du biogaz Tableau 3.22 : Caractéristiques et paramètres des agitateurs à hélices submersibles Tableau 3.23 : Caractéristiques et paramètres des agitateurs à arbre long Tableau 3.24 : Caractéristiques et paramètres des agitateurs axiaux destinés aux centrales de valorisation du biogaz

15 Liste des tableaux Tableau 3.25 : Caractéristiques et paramètres des agitateurs à pales (radiales) dans les digesteurs verticaux et horizontaux Tableau 3.26 : Caractéristiques et paramètres du brassage pneumatique dans les digesteurs Tableau 3.27 : Caractéristiques et paramètres du brassage hydraulique dans les digesteurs Tableau 3.28 : Systèmes d évacuation et d extraction des sédiments Tableau 3.29 : Séparateurs à vis Tableau 3.30 : Caractéristiques des matériaux isolants Tableau 3.31 : Caractéristiques des matériaux d isolation exemples Tableau 3.32 : Caractéristiques et paramètres des systèmes de chauffage intégrés Tableau 3.33 : Caractéristiques et paramètres des échangeurs de chaleur externes Tableau 3.34 : Caractéristiques et paramètres des géomembranes Tableau 3.35 : Caractéristiques et paramètres des réservoirs de stockage de biogaz externes Tableau 3.36 : Caractéristiques et paramètres des torchères de secours Tableau 4.1 : Concentrations de nutriments dans divers types de fumier agricole Tableau 4.2 : Rendements en gaz et en méthane obtenus avec divers types de fumier agricole Tableau 4.3 : Données matières de certaines cultures énergétiques Tableau 4.4 : rendements en biogaz de certaines cultures énergétiques...82 Tableau 4.5 : Rendements standard en biogaz de sous-produits purement végétaux, d après la Liste positive de l EEG Tableau 4.6 : Données matières de certains sous-produits d origine purement végétale Tableau 4.7 : Rendement en biogaz de certains substrats issus de l industrie de transformation des produits agricoles Tableau 4.8 : Propriétés matières des résidus de taille et d élagage Tableau 4.9 : Caractéristiques des substrats Tableau 5.1 : Valeurs limites pour la concentration maximale autorisée en acides Tableau 5.2 : Valeurs indicatrices pour les oligo-éléments Tableau 5.3 : Références aux concentrations en ammoniac inhibitrices dans la littérature Tableau 5.4 : Variables mesurées et disponibilité Tableau 5.5 : Méthodes de commande en boucle fermée Tableau 5.6 : Programme de mesures destiné à la surveillance du procédé biologique (fonctionnement normal) Tableau 5.7 : Propriétés de certains gaz Tableau 5.8 : Propriétés des composants du biogaz Tableau 5.9 : Effet toxique du sulfure d hydrogène Tableau 6.1 : Aperçu des différentes méthodes de désulfuration Tableau 6.2 : Caractéristiques et paramètres de la désulfuration biologique dans le digesteur Tableau 6.3 : Caractéristiques et paramètres des unités externes de désulfuration biologique Tableau 6.4 : Caractéristiques et paramètres des épurateurs de gaz biochimiques externes Tableau 6.5 : Caractéristiques et paramètres de la désulfuration chimique interne Tableau 6.6 : Caractéristiques de la désulfuration au charbon actif Tableau 6.7 : Comparaison de différentes méthodes d enrichissement du méthane Tableau 6.8 : Caractéristiques et paramètres des moteurs à allumage commandé Tableau 6.9 : Caractéristiques et paramètres des moteurs à injection pilotée Tableau 6.10 : Normes d émission publiées par les TA Luft le 30 juillet 2002 pour les centrales dotées de moteurs à combustion d après le n 1.4 (y compris 1.1 et 1.2), 4e règlement d application de la loi allemande sur la pollution (4. BImSchV)

16 Guide sur le biogaz de la production à l'utilisation Tableau 7.1 : Tarifs d achat pour les centrales de valorisation du biogaz mises en service en Tableau 7.2 : Rendements en biogaz standard de sous-produits purement végétaux, d après la Liste positive de l EEG (extrait) Tableau 8.1 : Aperçu et description des modèles de centrales Tableau 8.2 : Caractéristiques et prix des substrats Tableau 8.3 : Substrats utilisés dans les modèles de centrales Tableau 8.4 : Hypothèses choisies pour les variables de conception et les paramètres techniques des modèles de centrales Tableau 8.5 : Technologie des modèles de centrales Tableau 8.6 : Paramètres techniques et paramètres du procédé pour les centrales 1 à Tableau 8.7 : Paramètres techniques et paramètres du procédé pour les centrales 6 à Tableau 8.8 : Paramètres techniques et paramètres du procédé pour la centrale X Tableau 8.9 : Coûts d investissement des unités fonctionnelles des centrales 1 à Tableau 8.10 : Coûts d investissement des unités fonctionnelles des centrales 6 à Tableau 8.11 : Paiements dont peuvent bénéficier les centrales sur la base d une mise en service en Tableau 8.12 : Analyse coûts-avantages pour les centrales I à V Tableau 8.13 : Analyse coûts-avantages pour les centrales VI à IX Tableau 8.14 : Analyse des coûts pour la centrale X Tableau 8.15 : Analyse de la sensibilité pour les centrales I à V Tableau 8.16 : Analyse de la sensibilité pour les centrales VI à IX Tableau 8.17 : Analyse coûts-avantages du séchage des céréales avec du biogaz ou du fioul comme vecteur de chaleur Tableau 8.18 : Analyse coûts-avantages de méthodes de séchage des céréales utilisant la chaleur résiduelle d une unité de cogénération fonctionnant au biogaz, sans prime cogénération Tableau 8.19 : Analyse coûts-avantages de méthodes de séchage des céréales utilisant la chaleur résiduelle d une unité de cogénération fonctionnant au biogaz, avec prime cogénération Tableau 8.20 : Économies de fioul réalisées par les méthodes de séchage des céréales utilisant la chaleur résiduelle d une unité de cogénération fonctionnant au biogaz Tableau 8.21 : Demande annuelle de chaleur de serres, et utilisation du potentiel de chaleur résiduelle d une centrale de valorisation du biogaz de 500 kw el pour différents régimes de cultures et différentes tailles de serre Tableau 8.22 : Comparaison entre les coûts d approvisionnement en chaleur d un système de chauffage au fioul et d un système de chauffage alimenté par la chaleur résiduelle d une unité de cogénération fonctionnant au biogaz exemple des deux superficies de serres optant pour un régime de culture «froide» Tableau 8.23 : Coûts d investissement et coûts d approvisionnement en chaleur nécessaires en fonction du prix de vente de la chaleur résiduelle provenant de l unité de cogénération fonctionnant au biogaz Tableau 8.24 : Hypothèses et paramètres clés pour un système de chauffage municipal alimenté avec la chaleur résiduelle d une unité de cogénération fonctionnant au biogaz ou par une chaudière à copeaux de bois Tableau 8.25 : Classification qualitative de différentes utilisations de la chaleur Tableau 9.1 : Conditions générales à prendre en compte pour planifier l approvisionnement en substrat Tableau 9.2 : Superficie arable, capital immobilisé et temps de travail pour différentes filières de production Tableau 9.3 : Séquence des tâches à réaliser et temps de travail requis pour l ensilage du maïs Tableau 9.4 : Séquence des tâches à réaliser et temps de travail requis pour la production de céréales Tableau 9.5 : Temps de travail requis pour la supervision des centrales de valorisation du biogaz Tableau 9.6 : Temps de chargement pour différents types d équipements de chargement Tableau 9.7 : Calcul du temps de travail annuel requis pour le traitement et le chargement du substrat, y compris le temps de préparation, pour le modèle de centrale III

17 Liste des tableaux Tableau 10.1 : Comparaison des paramètres et des propriétés à valeur ajoutée de différents digestats et effluents d élevage Tableau 10.2 : Comparaison des concentrations en métaux lourds dans les digestats et dans les effluents d élevage Tableau 10.3 : Agents pathogènes présents dans le lisier et dans les déchets organiques Tableau 10.4 : Incidence des salmonelles dans les substrats et les digestats des centrales de valorisation du biogaz Tableau 10.5 : Couvertures des réservoirs de stockage du digestat permettant de limiter les émissions d ammoniac Tableau 10.6 : Potentiel de formation de gaz résiduel des digestats générés par les centrales de valorisation du biogaz agricoles, sur la base du rendement de méthane par tonne de substrat introduit ; valeurs moyennes et valeurs minimales et maximales provenant de 64 centrales en activité ayant fait l objet d un échantillonnage dans le cadre du Programme de mesure du biogaz II Tableau 10.7 : Seuils de rentabilité pour l installation a posteriori de couvertures étanches au gaz sur des réservoirs de stockage du digestat cylindriques : puissance électrique installée requise pour atteindre le seuil de rentabilité en fonction du coût d investissement Tableau 10.8 : Pertes cumulées d ammoniac après épandage d effluents d élevage, sans enfouissement, à différentes températures, dans un délai de 48 heures Tableau 10.9 : Réduction des pertes d ammoniac après épandage de digestats liquides Tableau : Concentrations en éléments nutritifs des fractions, modèles de calcul pour les procédés de traitement Tableau : Évaluation comparative des procédés de traitement du digestat Listes de contrôle Étape 1 : Préparation de l avant-projet Étape 2 : Réalisation de l étude de faisabilité Étape 3 : Approvisionnement en substrats Étape 4 : Choix du site Étape 5 : Logistique des flux de matières Étape 6 : Choix de la technologie Étape 7 : Récupération de l énergie du biogaz Étape 8 : Évaluation et prise de décision Tableau 12.1 : Répartition régionale des centrales de valorisation du biogaz en activité en Allemagne en 2009 et puissances électriques installées des centrales (enquête réalisée en 2010)

18 1 Liste des auteurs Nom Thomas Amon Hartwig von Bredow Jaqueline Daniel-Gromke Helmut Döhler Elmar Fischer Erik Fischer Jörg Friehe Henrik Gattermann Sven Grebe Johan Grope Stefan Hartmann Peter Jäger Uwe Jung Martin Kaltschmitt Ulrich Keymer Susanne Klages Jan Liebetrau Anke Niebaum Jan Postel Gerd Reinhold Ursula Roth Alexander Schattauer Anne Scheuermann Frank Scholwin Andre Schreiber Britt Schumacher Markus Schwab Ralf Stephany Thomas Weidele Peter Weiland Marco Weithäuser Ronny Wilfert Bernd Wirth Sebastian Wulf Institution Université des ressources naturelles et des sciences de la vie appliquées, Vienne (BOKU) Schnutenhaus & Kollegen (lcabinet d'avocats) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti) Anciennement : Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Anciennement : Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Anciennement : Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Centre de recherche agricole de l'état de Bavière (LfL) Anciennement : Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Anciennement : Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Anciennement : Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti) Anciennement : Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Anciennement : Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) PARTA Buchstelle für Landwirtschaft und Gartenbau GmbH Anciennement : Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti) Anciennement : Deutsches BiomasseForschungsZentrum ggmbh (DBFZ) Anciennement : Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) Les adresses des institutions figurent à la page

19 1 Objet du Guide 1 Compte tenu de l escalade continue des prix de l énergie sur le marché mondial, la valorisation énergétique des résidus organiques et des flux de déchets est une proposition de plus en plus attrayante. Parallèlement à la production d énergies renouvelables stockables, la production décentralisée de biogaz peut non seulement contribuer au développement des régions rurales, mais également à celui des petites et moyennes entreprises. Grâce au cadre réglementaire favorable aux sources d énergies renouvelables adopté en Allemagne en 2000, la production et l exploitation du biogaz ont rapidement pris une autre dimension ces dernières années. En 2010, le pays comptait déjà centrales de valorisation du biogaz fonctionnant essentiellement en milieu agricole. Pendant le même laps de temps, on a constaté des modifications et des améliorations considérables des technologies utilisées. La vaste expérience acquise par l Allemagne dans la technologie du biogaz est aujourd hui de plus en plus recherchée au niveau international. Le présent guide se propose donc de donner des réponses exhaustives et pragmatiques aux questions techniques, organisationnelles, juridiques et économiques qui se posent en matière de production et d utilisation du biogaz agricole. Préparé par l agence des ressources renouvelables (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. FNR), le présent document constitue donc un précieux ouvrage de référence dans lequel divers auteurs donnent des informations sur des sujets tels que la technologie du biogaz, la planification des dépenses en capital et l exploitation de la centrale. Parce qu il s adresse à un public international, ce guide a été adapté et traduit sur la base des projets d exploitation du biogaz mis en œuvre par la Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) et financés par le ministère fédéral allemand de la Coopération économique et du développement (BMZ). Il présente ce qui se fait actuellement de mieux en matière de technologie d exploitation du biogaz pour la production efficace d électricité, de chaleur, de froid et/ou de gaz et permet à l utilisateur d accéder aux informations nécessaires pour prendre des décisions appropriées et contextuelles en matière de biogaz. Par conséquent, ce guide décrit moins une technologie standardisée que les moyens de planifier et choisir une technologie adaptée aux besoins d un contexte particulier. 1.1 Objectif En Allemagne, la croissance de la production d énergie à partir du biogaz est essentiellement attribuable au cadre administratif existant et plus particulièrement aux prix de l électricité provenant de sources d énergies renouvelables spécifiés dans la loi sur les énergies renouvelables (EEG). Cela a donné lieu à une demande forte et soutenue qui a elle-même contribué à la création d un nombre considérable d entreprises de fabrication de centrales de valorisation du biogaz et d entreprises de fourniture de composants, ce qui a permis à l Allemagne de devenir un leader du marché dans le domaine de la planification et la construction de telles centrales. Indépendamment du pays, la réalisation d un projet de valorisation du biogaz s articule autour de quatre questions clés auxquelles le présent guide donne des réponses. - La réussite d un projet de valorisation du biogaz passe par des connaissances complètes et multidisciplinaires de la part des exploitants agricoles, des investisseurs et des futurs opérateurs, par un savoir-faire en matière de technologie agricole et énergétique, et par la maîtrise des aspects réglementaires, environnementaux, administratifs, organisationnels et logistiques du problème. - Le marché offre une extrême diversité d options techniques et de solutions personnalisées. Le pré- 17

20 1 Guide sur le biogaz de la production à l'utilisation sent guide donne un aperçu désintéressé et scientifiquement fondé des technologies actuellement disponibles sur le marché et particulièrement prometteuses pour l avenir. - Au moment de prendre une décision quant aux substrats à utiliser, il est nécessaire d appliquer des règles élémentaires de biotechnologie et de s y conformer, Le guide présente par conséquent les connaissances nécessaires pour garantir l exploitation optimale d une centrale de valorisation du biogaz, en particulier pour les phases de formulation du concept et d exploitation de la centrale. - Sur les nouveaux marchés, notamment, la procédure d autorisation de construction d une centrale représente une première étape importante et souvent sous-estimée sur la voie de la réalisation du projet. Ce guide donne par conséquent un aperçu des diverses étapes nécessaires à la réalisation d un projet de valorisation du biogaz en tenant compte des différences entre les procédures d autorisation de divers pays. Idéalement, la fourniture d une énergie renouvelable à partir du biogaz peut être associée à une meilleure gestion des flux de matières. C est pourquoi il est souvent judicieux d investir dans une centrale de valorisation du biogaz. Toutefois, pour pouvoir prendre une décision en toute connaissance de cause, les opérateurs potentiels d une centrale doivent appliquer la méthodologie appropriée lorsqu ils comparent leurs propres idées aux possibilités techniques et économiques offertes par la technologie de valorisation du biogaz. C est pourquoi le présent guide donne les informations nécessaires pour pleinement tirer parti du potentiel du secteur du biogaz en termes d efficacité énergétique et de rentabilité économique. 1.2 Approche Le présent guide se propose de combler les lacunes de connaissances et d accompagner les potentiels exploitants de centrales et autres parties concernées à gérer les diverses phases d un projet de valorisation du biogaz, de sa planification à sa réalisation. Il a pour objectif d INCITER le lecteur à déterminer les opportunités locales et à voir s il peut contribuer à valoriser l énergie contenue dans le biogaz et, si oui, de quelle manière. Il a également pour objet d INFORMER. À cette fin, c est un guichet unique auprès duquel les exploitants éventuels de centrales et les autres parties intéressées par l exploitation du potentiel énergétique du biogaz, pourront trouver toutes les informations nécessaires. Il présente par ailleurs tous les moyens appropriés pour ÉVALUER une idée de projet. Il fournit les outils qu il faut pour effectuer un examen critique d une idée de projet prometteuse, notamment en ce qui concerne la rentabilité de sa mise en œuvre. Il a enfin pour objet de fournir au lecteur les connaissances et les outils d aide à la décision qui permettront de RÉALISER un projet de fourniture d énergie à partir du biogaz. 1.3 Contenu Ce guide du biogaz donne au lecteur un aperçu de la complexité de la production et de l utilisation du biogaz. Il peut servir de document de référence et de liste de pointage de tous les facteurs à prendre en compte et de toutes les actions nécessaires à la préparation, la planification, la construction et l exploitation d une centrale de valorisation du biogaz. Il tient non seulement compte des aspects technologiques et techniques, mais aussi des facteurs juridiques, économiques et organisationnels. Nous présentons ici un résumé des points qui feront l objet d un examen approfondi dans les différents chapitres du guide. En ce qui concerne les quatre approches dont les grandes lignes ont été données plus haut, ce guide est conçu pour offrir une aide dans les quatre domaines suivants : - motivation à participer, - communication des informations de base, - évaluation d une idée de projet, - réalisation d un projet. Les chapitres 2 à 6 et 10 expliquent les principes fondamentaux de la construction et de l exploitation d une centrale et décrivent l utilisation des substrats et des résidus. Les chapitres 7 à 9 traitent du cadre réglementaire, administratif et économique de l exploitation d une centrale de valorisation du biogaz et de l organisation d une entreprise agricole. Le chapitre 11 vise à faciliter la réalisation d un projet de centrale de valorisation du biogaz. Pour cela, il donne au lecteur des recommandations en matière de planification ainsi que des listes de pointage sur la construction de la centrale, sur son exploitation et sur les dispositions contractuelles à prendre en fonction des informations contenues dans les chapitres précédents. Le chapitre 12 a pour objectif de motiver la formulation d idées et le lancement d initiatives. Il présente également une série d arguments en faveur de la production et de l utilisation du biogaz, en soutien de campagnes de 18

21 Objet du Guide relations publiques qui jouent un rôle clé dans la réalisation d un projet de valorisation énergétique de substrats organiques pour produire du biogaz. 1.4 Groupes cibles Ce guide s adresse à tous ceux qui trouvent un intérêt dans la production et l utilisation du biogaz et/ou qui sont, d une manière ou d une autre, concernés par un projet de valorisation du biogaz. Il s adresse donc avant tout aux personnes ou institutions concernées par la réalisation d un tel projet. Le groupe cible de personnes souhaitant réaliser un tel projet comprend des exploitants ou des entreprises agricoles, ainsi que leurs partenaires. En tant que producteurs de substrat et d énergie, ils sont potentiellement intéressés par la valorisation et l utilisation de l énergie issue du biogaz. De plus, le digestat provenant d une centrale de valorisation du biogaz constitue un engrais agricole de plus grande valeur. Les producteurs ou recycleurs de déchets organiques, par exemple les entreprises de collecte de déchets et les autorités locales, sont d autres producteurs potentiels de biogaz. Les investisseurs privés et institutionnels, ainsi que les services publics de production d énergie, font également partie du groupe cible de réalisateurs potentiels de projets de valorisation du biogaz. Ainsi, des sociétés de capital-risque investissent spécifiquement dans de tels projets. Le deuxième groupe cible comprend des personnes qui, d une façon ou d une autre, participent à la réalisation d un projet de valorisation du biogaz, au titre d employés d agences gouvernementales, d employés de banques, de membres du personnel d opérateurs de réseaux d électricité ou de gaz, de conseillers ou de planificateurs agricoles, ou au titre de fabricants de centrales ou de fournisseurs de composants. Toutefois, ce guide s adresse également à quiconque est directement ou indirectement concerné par la réalisation d un projet de valorisation du biogaz. Il est conçu pour remédier à tout déficit d informations et pour contribuer à une meilleure compréhension de questions d intérêt mutuel. Il constitue également une source de motivation et d aide pour les décideurs qui, compte tenu de leur position, se trouvent en situation d amorcer et/ou de lancer un projet de valorisation du biogaz. La présente publication aidera également les potentiels organismes de subventions et agences de l énergie à assumer leur rôle multiplicateur. 1.5 Définition du champ d application Cette version du guide s adresse à un public international et est une adaptation de la version allemande préparée par l Agence des ressources renouvelables (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe - FNR). Les sujets à caractère spécifiquement allemand ont été omis et, au contraire, des formulations et approches présentant un intérêt international ont été ajoutées. Par conséquent, tous les thèmes importants pour les pays en développement et les économies émergentes ne sont pas présentés en détail dans le guide. L accent a donc été mis sur la présentation de la technologie nécessaire à la production efficace de biogaz, technologie qu il est ensuite possible de comparer à celles qui sont utilisées dans chaque pays Technologie Le présent guide met exclusivement l accent sur l utilisation de la biomasse pour produire et utiliser du biogaz. Il s intéresse surtout aux végétaux du secteur agricole ainsi qu au domaine d application concerné par l utilisation des résidus issus de la transformation des produits agricoles. Plus précisément, ce guide ne concerne pas, par exemple, l utilisation des déchets municipaux et des boues d épuration. Par ailleurs, il met l accent sur les technologies de valorisation du biogaz qui ont déjà, dans une certaine mesure, fait leurs preuves sur le marché et qui ont fait l objet d une mise en œuvre commerciale en de multiples occasions en Allemagne. En ce qui concerne l utilisation du biogaz, l accent est mis sur la production combinée de chaleur et d électricité (PCCE). Les petits systèmes domestiques prévoyant une utilisation directe du gaz sur site font appel à une technologie différente, moins exigeante en capital (accès à l énergie avec un investissement en capital le plus petit possible) et ne sont pas inclus dans le guide. L amélioration de la qualité du biogaz pour qu elle corresponde à celle du gaz naturel en vue d un raccordement au réseau de gaz naturel est examinée dans le présent document, mais des analyses et évaluations détaillées sont faites dans d autres publications auxquelles il est fait référence. D autres technologies utilisent le biogaz autrement que pour la production combinée de chaleur et d électricité dans un moteur (par exemple les micro-turbines à gaz, les piles à combustible, ou l utilisation du biogaz pour l alimentation locale en combustible), mais elles ne sont abordées que dans la mesure où des informations validées par des études scientifiques 19