Technologie du Biogaz et Biomasse

1 Introduction à la bioénergie... 4 1.1 Introduction... 4 1.2 Aspects liés au développement durable... 5 2 La technologie du biogaz... 7 2.1 Qu est-ce que la digestion anaérobie(da)?... 7 2.2 Composition du biogaz et limite d explosivité... 10 2.3 Domaines d application et matières premières pour le biogaz en Allemagne... 12 2.4 Systèmes de biogaz... 16 2.5 Solution à faible degré de technicité: les digesteurs domestiques... 17 2.6 Système de biogaz de bassin de méthanisation et ses composants... 20 2.7 Méthaniseur agricole... 25 2.8 Installations de biogaz industrielles... 33 2.9 Le traitement des boues dans le cadre des usines de traitement des eaux usées municipales... 37 2.10 Les déchets solides La fermentation sèche... 38 2.11 Technologie UASB (traitement des eaux usées)... 40 2.12 Potentiel en biogaz de différents substrats... 44 3 Utilisation... 46 3.1 Utilisation du biogaz et de son digestat... 46 3.2 Utilisation du biogaz - avec un réseau de chauffage urbain... 50 3.3 Biogaz épuré... 53 3.4 Conversion d énergie en gaz combustible... 54 3.5 Comparaison de différents biocombustibles.... 55 3.6 Utilisation du digest du biogaz... 56 3.7 Choix du site.... 58 4 Développement du marché du biogaz... 60 4.1 Production de biogaz dans la UE... 60 4.2 Développement du marché allemand... 61 4.3 Les entreprises de biogaz dans l UE... 62 5 Phases de développement d un projet... 63 5.1 Chronologie d un projet... 63 5.2 Évaluation des ressources... 64 5.3 Questions liées à la délivrance de permis... 65 6 Risques spécifiques et prévention... 67 6.1 Sensibilité de la rentabilité... 67 6.2 Risques spécifiques et prévention Risques endogènes... 68 6.3 Évaluation des risques et prévention Risques endogènes d un projet... 76 2

6.4 Évaluation des risques et prévention Risques exogènes d un projet... 80 7 Financement de projet... 84 7.1 Quels sont les types de projets admissibles?... 84 7.2 Structure de financement de projet... 85 8 Diligence raisonnable du projet... 87 8.1 Principaux paramètres pouvant influencer la rentabilité... 87 9 La biomasse... 93 9.1 La biomasse solide - Matière première, Technologie, Opération... 93 9.2 La biomasse en énergie - Conversion technique... 94 9.3 La biomasse solide... 97 10 Introduction... 101 10.1 Qualité de la biomasse - Types de qualité - Exemple 1... 101 10.2 Qualité de la biomasse - Types de qualité - Exemple 2... 103 10.3 Coûts de la biomasse... 104 10.4 Matières premières de biomasse la paille... 107 10.5 Conclusions... 110 11 Technologie de conversion de la biomasse en énergie... 112 11.1 Systèmes de combustion de la biomasse... 112 11.2 Exemples... 113 11.3 Concept technique- Paramètres à définir... 116 11.4 Les contrats importants - le combustible... 118 12 Biomasse solide... 120 12.1 Solution low-tech : efficience des fourneaux à biomasse... 120 12.2 Biomasse solide... 121 12.3 Combustion de la biomasse les turbines à vapeur... 122 12.4 Gazéification/ Pyrolyse de la biomasse... 125 3

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

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

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

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 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

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

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 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.

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

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

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

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

Type de matériau Productivité du biogas ( l/kg de matière organique sèche) Concentration en methane (Vol.%) Protéines 600-700 70-75 Graisses 1000-1250 68-73 Hydrates de carbone (digestible) 700 800 50-55 2.4 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

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

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

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

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

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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

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

Le projet de biogaz Ecopalsa est entré en fonctionnement en septembre 2006. 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 1 266 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

2.7 Méthaniseur agricole 25

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 7 000 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

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

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

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 5 000 / kwel installé à 3 400 / 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

en qualité comme en quantité. Cela permet d atteindre un nombre optimal d heures de fonctionnement d environ 8 000 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

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 8 000 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

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

2.8 Installations de biogaz industrielles 33

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

frais d élimination devant être payés par le producteur des déchets. Les installations de biogaz industrielles basées sur des flux de déchets de sous-produits agricoles peuvent être utilisées notamment pour les brasseries, la fabrication d alcool, la production de biocarburants, la fabrication d amidon à partir de pommes de terre ou de blé, ou encore pour la production de sucre. À l heure actuelle, la majeure partie de ces flux de déchets sont utilisés dans l industrie fourragère, pour le bétail. Mais avec une énorme demande en électricité et en chaleur industrielle, et un flux de déchets parallèle existant, l utilisation de ces déchets pour la génération d énergie sur place devient de plus en plus intéressante. Dans les brasseries par exemple, chaque hectolitre de bière produit une quantité d environ 20 kg de sous-produits (les drêches) constitués de résidus de malt et de céréales. Ces résidus pourraient être traités dans des réacteurs anaérobies afin de réduire les déchets et de produire de l énergie sous forme de biogaz. En raison de ses normes de haute qualité et de ses coûts beaucoup plus élevés, ce genre de système de biogaz n est habituellement rentable qu à grande échelle. La partie la plus importante de l installation, le prétraitement des déchets, est l une des parties les plus chères et n est économiquement viable que pour des puissances de l ordre d 1 MW de puissance électrique installée (près de 4,2 millions de m³ de biogaz par an). Les installations simples pourraient être plus petites, dépendant des revenus provenant de l élimination des déchets et d autres conditions économiques. 35

Comme un cas d étude, l usine de biogaz de Barth en Allemagne montre l installation d une usine de biogaz dans le cadre de projets de transformation de déchets en énergie. Le substrat principal de l usine est le fumier produit par plusieurs élevages de bétail situés dans une zone autour de l usine. Le fumier et les déchets organiques sont fermentés afin de faire fonctionner un générateur de 866 kw de puissance électrique. En raison des réglementations européennes en matière d hygiène, les déchets organiques traités dans l usine doivent être pasteurisés. Seule cette partie du substrat sera chauffée à 70ºC pendant une heure afin d assurer la destruction des micro-organismes pathogènes. Une fois pasteurisé, le risque de propagation des maladies est réduit au minimum et le processus peut être lancé avec la conscience tranquille. Le fumier, ou tout autre substrat issu de l agriculture, n a pas à être prétraité avant d entrer dans le réacteur. L installation produit une quantité d environ 10 000 m3 de biogaz par jour (3,65 Millions de m3/a) L énergie générée est introduite dans le réseau et génère un revenu dans le cadre du système de tarifs de rachat pour les énergies renouvelables. La chaleur produite est partiellement utilisée pour le maintien de la température du réacteur à son niveau de production, ainsi que pour la pasteurisation des déchets avant leur entrée dans le réacteur. La chaleur restante peut être utilisée à d autres fins. Les frais d élimination des déchets que l usine de biogaz peut facturer pour l élimination des déchets organiques sont une autre source de revenus. Cette usine a été rénovée au fil des ans et fonctionne correctement. 36

2.9 Le traitement des boues dans le cadre des usines de traitement des eaux usées municipales Le traitement des boues est une technologie très répandue en Allemagne pour la gestion des eaux usées contaminées. Le traitement des eaux usées consiste en un mélange de différents procédés mécaniques, biologiques et chimiques, afin de produire à partir des eaux usées domestiques et des rejets, un fluide et un solide inoffensifs, sans danger pour leur réutilisation. Pour sa réutilisation, la boue a besoin d être stabilisée et seule une réduction de volume permet de supporter le flux arrivant au jour le jour. Le processus de stabilisation a lieu dans les réacteurs anaérobies et produit un gaz d épuration possédant une grande teneur en méthane. Initialement, ce biogaz était brûlé. Plus tard, l utilisation du biogaz sur place a été prise en considération afin de pouvoir couvrir partiellement la propre consommation de l usine, et pour augmenter les performances de l usine de traitement des eaux usées en matière de développement durable. À travers la consommation du gaz produit (mieux connu sous le nom de gaz d épuration) dans les centrales de cogénération, les usines de traitement des eaux usées couvrent une part relativement importante de leur propre consommation d électricité et de chaleur. Après être passée par les procédés ayant pour but de réduire sa teneur en eau, la boue visqueuse est injectée dans de grands réacteurs hermétiques. Ces digesteurs sont chauffés à une température d environ 38ºC, afin de permettre une croissance constante des bactéries et donc un traitement constant des résidus du traitement des eaux usées. La boue est digérée dans les réacteurs est le biogaz généré est ensuite utilisé comme combustible 37

dans une centrale de cogénération afin de produire de l électricité et de la chaleur. La chaleur est utilisée principalement sur place pour chauffer les digesteurs, sinon elle est tout simplement refroidie. L électricité produite est utilisée pour couvrir la consommation de l usine de traitement des eaux usées ou pour alimenter le réseau électrique. Le gaz d épuration a besoin d un traitement de nettoyage à cause de la présence de sulfure d hydrogène et d eau, mais également à cause des siloxanes, des substances chimiques siliceuses très abrasives produites par la dégradation des savons et autres produits cosmétiques présents dans les eaux usées. Le sulfure d hydrogène se transforme en acide sulfurique en présence d eau et devient très corrosif; sa présence soit être évitée. 2.10 Les déchets solides La fermentation sèche La différence entre la fermentation sèche et la fermentation humide n est pas mince. L une des caractéristiques de la fermentation sèche est l utilisation de substrats possédant une teneur en eau inférieure à 30 % et ne pouvant pas être pompés mais seulement entassés (de la biomasse ayant une teneur en eau trop faible ou même un mélange de biomasse digestible avec d autres types de déchets, par ex. un mélange de déchets ménagers pouvant même contenir du plastique). Cependant, la population de bactéries a besoin d eau pour croître et se développer. Une fermentation strictement sèche n est donc pas possible. Par définition, la fermentation sèche est le procédé de digestion anaérobie de substrats dont la concentration en résidus solides totale est supérieure à 15 % sans ajout d eau. Différents types de déchets solides ainsi que des cultures énergétiques (par ex. le maïs) peuvent se trouver dans cette catégorie de 38

substrat. Il existe différents procédés, certains fonctionnant en continu et d autres fonctionnant par lot. Ils peuvent être lancés en une ou deux étapes, tant dans les plages de températures des thermophiles que dans celles des mésophiles. Le fonctionnement par lot est un procédé très stable et très simple car les systèmes d alimentation sophistiqués ne sont pas nécessaires. La détérioration et l entretien sont limités du fait des faibles besoins en machinerie pour la stabilisation des conditions de fermentation. De plus, le procédé est capable de résister aux contaminations ou aux substrats contenant de la lignine. Le mode de fonctionnement par lot permet également d éviter les flux court-circuités (les flux de substrats entrant dans le réacteur et qui, à cause du brassage, sortent du réacteur après un temps de permanence relativement court) et garantit un temps de permanence constant dans le réacteur. Tant que l activité biologique du substrat est homogène et que sa structure (taille des particules, etc.) permet son stockage dans le réacteur ainsi qu une bonne infiltration, un taux de digestion élevé du substrat sera possible. Pour activer le processus anaérobie, il est nécessaire d ajouter un fluide ou un digestat au substrat et de faire remonter les dépôts, situés au fond du digesteur, à l aide d arroseurs spéciaux jusqu à la surface. Le fonctionnement par lot est généralement utilisé dans de petites installations dont la taille du digesteur ne dépasse pas 150 m3, mais il est possible de construire de plus grandes usines en utilisant plusieurs modules. Les installations de biogaz agricoles à fermentation sèche pourraient être particulièrement intéressantes pour les agriculteurs possédant des cultures énergétiques mais étant dépourvus de bétail, car le lisier utilisé comme substrat dans la fermentation humide est manquant. Pour obtenir un procédé continu de fermentation sèche, il est nécessaire de disposer d un système de chargement et d extraction, tout comme d équipements permettant un brassage mécanique ou hydraulique à l intérieur du digesteur. Afin de garantir un temps de repos stable du substrat dans le réacteur, le brassage complet du réservoir est évité. Les installations à fermentation sèche continue sont généralement utilisées pour de grandes quantités de déchets, avec des digesteurs dont la taille peut atteindre 2 000 m3. 39

2.11 Technologie UASB (traitement des eaux usées) La technologie du digesteur anaérobie à flux ascendant (UASB, de l anglais Up flow Anaerobic Sludge Blanket digester) est utilisée dans le traitement des eaux usées contenant une grande quantité de matière organique dissoute. Le principe de fonctionnement de la technologie UASB est basé sur le brassage du substrat à travers la production de biogaz et l agitation de la couche de boue. Les eaux usées seront injectées lentement à partir de la base du réacteur. Le fond de ce grand réacteur forme la couche de boue. La population bactérienne se développe autour de très petites particules solides qui se transforment à leur tour en granulés bactériens. À travers la digestion anaérobie, la population bactérienne produit du biogaz à haute teneur en méthane. Les bulles de biogaz s élèvent dans le réacteur et entraînent les granulés avec elles, provoquant ainsi l agitation de la couche de boue. Après cela, les granulés tombent de nouveau au fond du réacteur alors que la population bactérienne continue de digérer la matière organique dissoute dans les eaux usées. Grâce à la formation des granulés, ces réacteurs permettent de créer une très grande surface de contact entre les eaux usées et la population bactérienne, augmentant ainsi la productivité du biogaz. À cause de ce principe de fonctionnement, les réacteurs UASB sont très sensibles aux changements de conditions durant le procédé, principalement en ce qui concerne les paramètres comme la concentration en matière organique, la température, la vitesse d écoulement, etc. Les réacteurs UASB ont des coûts d investissement relativement élevés mais de faibles coûts d exploitation, et ils ont besoin de très 40

peu d espace. La technologie UASB est appropriée pour le traitement des eaux usées provenant de l industrie, particulièrement des distilleries, des tanneries et des usines rejetant des déchets de pulpe et de papier. Pour le traitement des eaux usées domestiques, dont la teneur en matière organique est plus faible que celle des effluents industriels, il était attendu qu elle permette une plus grande production d électricité en raison de son fonctionnement peu consommateur en énergie (par ex. l aération), comparée aux procédés conventionnels de traitement des boues. Jusqu à aujourd hui, ce résultat n a pas été confirmé. 41

Une autre application des procédés de transformation de déchets en énergie est le biogaz dérivé des décharges, également appelé gaz de décharge. Dans les décharges (appelées également «dépotoirs»), toutes sortes de déchets sont amenés et stockés. C est la forme de «traitement des déchets» la plus ancienne. Le procédé de digestion anaérobie a lieu naturellement dans les décharges, causé par la population de bactéries présente dans les déchets et le sol. En général, les déchets solides sont déversés dans la décharge en couches de plusieurs centimètres. Après cela, les couches de déchets sont compactées à l aide de machinerie lourde afin de réduire l espace occupé et de stabiliser la structure. Après plusieurs couches de déchets, une couche de terre est ajoutée et compactée dans le but d augmenter la stabilité de la décharge. À travers ces compactages successifs, une grande quantité d air (et donc d oxygène) est extraite des déchets. Une fois que les déchets commencent à se décomposer, les bactéries aérobies dégradent la matière organique présente dans les déchets, consommant ainsi le reste de l oxygène présent dans les différentes couches. C est à ce moment là que le procédé méthanogène peut avoir lieu. La décomposition de la matière organique produit suffisamment de chaleur pour maintenir les températures à un niveau raisonnable pour permettre la digestion anaérobie de la biomasse. Une condition technique importante pour les décharges est le scellement des ordures afin d obtenir une étanchéité à l eau et à l air. Ce scellement peut également être considéré comme étant essentiel pour les décharges puisqu il sert également de protection pour les nappes phréatiques contre les polluants rejetés par les déchets lors de la pénétration de l eau de pluie. Les rejets doivent être récupérés et drainés pour leur traitement. Ce filtrat 42

peut être réinjecté pour augmenter la production de biogaz, bien que l investissement pour cet équipement complémentaire soit très élevé, ce qui explique qu il ne soit pas très répandu. La récupération du gaz de décharge représente une mesure de protection de l environnement très importante. Puisque le méthane possède un effet de serre 21 fois plus puissant que celui du CO2, la capture et la combustion du gaz de décharge représente une mesure très efficace pour la protection du climat. Le gaz de décharge créé à partir de procédés bactériens à l intérieur de la décharge est récupéré à travers un système de puits d extraction. Le puits pénètre jusqu à l intérieur de la décharge. Il est scellé et isolé de l environnement grâce à la couverture de la décharge et à une membrane supplémentaire garantissant l étanchéité à l air. Le système de récupération du gaz de décharge inclut un réseau de puits récupérant le biogaz dans différentes zones et à différentes profondeurs. Sur les premiers mètres de perforation, le conduit d extraction du gaz est isolé des ordures environnantes avec de la terre. Quelques mètres plus bas, la structure solide du puits se termine avec un collier en bentonite et se transforme en tuyau perforé en PV entouré de graviers, permettant ainsi au gaz d atteindre le conduit d extraction. Après la récupération du gaz de décharge, celui-ci est envoyé à travers un système de canalisations jusqu à l installation de nettoyage. En fonction de l utilisation qui sera faite du gaz de décharge (brûlage, cogénération), plusieurs composants devront être éliminés du biogaz, y compris la vapeur d eau et le sulfure d hydrogène, mais également les siloxanes. En bout de système, les unités de combustion (torches ou installations de conversion d énergie) brûleront le méthane contenu. Il existe plusieurs expériences de production d énergie à partir du gaz de décharge, la plupart utilisant des unités de cogénération comme les moteurs à gaz de décharge. Cette technologie a été développée au fil des années et peut être considérée comme étant une technologie aboutie. 43

2.12 Potentiel en biogaz de différents substrats Cette diapositive donne une indication du potentiel en biogaz de différents substrats ainsi que de la production d électricité en dérivant. Il a été supposé un rendement électrique de 35 % pour la production d électricité, bien que le rendement de la conversion du combustible en électricité dans les centrales de cogénération puisse atteindre des valeurs entre 40 et 42 %. Voici un exemple de calcul: à partir d une tonne de lisier de porc, 20 m3 de biogaz peuvent être produits. En utilisant ce biogaz dans une centrale de cogénération avec un rendement électrique de 35 %, 42 kilowattheures d électricité peuvent être générés à partir de cette tonne de lisier de porc. Les substrats choisis se caractérisent par leurs propriétés individuelles quant à leur teneur en matière sèche, leur rendement en biogaz par tonne de matière fraîche, et par rapport à la teneur en méthane du gaz dérivé et son potentiel de conversion en énergie électrique. Le contenu en méthane du biogaz varie fortement parmi les substrats exposés. Indépendamment de la technologie utilisée ou du type d installation, le facteur le plus important pour la productivité d un substrat est sa composition. Les différentes concentrations en protéines, graisses et hydrates de carbone sont la cause des variations de productivité en biogaz et des différences de concentration en méthane. Le cas des lisiers de bovins et de porcs illustrent parfaitement ce fait. Bien que le lisier de porc ait une concentration en matière organique sèche inférieure de 40 % par rapport à celle du lisier de bovins, son rendement en 44

méthane n est inférieur que de 27 % comparé à celui du lisier de bovins. Ces variations surviennent uniquement à cause de leurs différences de composition. Alors que le lisier de bovins contient essentiellement des hydrates de carbone, le lisier de porcs possède une concentration en protéines bien plus élevée, responsable de la production légèrement supérieure de méthane. Comme il a été vu précédemment, un autre facteur important expliquant les différences de rendements en biogaz et en méthane entre les différents substrats, est la concentration en matière sèche organique. Habituellement, le fumier est dilué avec de l eau provenant des procédés d épuration, permettant ainsi d atteindre un rendement en biogaz légèrement différent du rendement prévu. 45

3 Utilisation 3.1 Utilisation du biogaz et de son digestat Le biogaz est un vecteur énergétique primaire au même titre que le gaz naturel, le charbon ou le pétrole. Mais à la différence de ces derniers, il n est pas d origine fossile sinon d origine renouvelable. En plus de ces considérations environnementales, le biogaz peut être utilisé de différentes manières en tant que vecteur énergétique pour des applications variées. Le biogaz possède les mêmes avantages que le gaz naturel, un transport et un stockage simples, une conversion en d autre formes d énergies comme la chaleur et l électricité, et une combustion également moins polluante que d autres combustibles fossiles comme le charbon ou le pétrole, mais aussi moins polluante que d autres sources d énergies renouvelables comme les copeaux de bois. Un autre avantage du biogaz en tant que source d énergie primaire renouvelable réside dans le fait que la technologie conventionnelle du gaz naturel, développée et testée depuis très longtemps, peut être utilisée presque directement pour ce nouveau type de source d énergie. Les infrastructures du gaz naturel, que ce soit pour le transport par pipelines ou dans les réseaux de gaz, peuvent, dans une certaine mesure, être utilisées pour le biogaz. Ces deux gaz, ayant les mêmes propriétés mais des origines différentes, peuvent être mélangés et injectés dans les mêmes systèmes. Le digestat restant après le procédé de digestion anaérobie est un solide stable et sans odeur qui, en fonction du substrat utilisé initialement, offre la possibilité d être réintégré dans la chaîne de valeur. Dans le cas des cultures énergétiques, du fumier et 46

d autres types de déchets pasteurisés, le digestat peut être utilisé comme engrais pour les cultures (cultures énergétiques ou autres) ou comme aliments pour le bétail. Au cas où le digestat ne respecterait pas les normes de qualité (par ex. à cause de la concentration de métaux lourds ou d une concentration potentiellement faible en nutriments), le digestat doit être éliminé comme les autres déchets. En tant qu engrais, le digestat peut être séparé entre phase liquide et phase solide, cette dernière ayant une concentration en résidus solides d au moins 35 %. L utilisation du biogaz comme combustible pour la production de chaleur est assez simple et ne diffère pas beaucoup de l utilisation du gaz naturel conventionnel. La chaudière doit être équipée de brûleurs multicombustibles standards devant être adaptés pour l utilisation du biogaz. Les chaudières ou les échangeurs de chaleur contenant des alliages d aluminium ne sont pas recommandés. Le sulfure d hydrogène contenu dans le biogaz entraînera la corrosion de ces matériaux. Il existe deux principaux types de brûleurs disponibles. Les brûleurs atmosphériques tirent l oxygène de l air environnant et requièrent une pression d au moins 8 mbar pour le biogaz. La pression de stockage habituelle du biogaz dans les toits de stockage atteint les 4 mbar. Par conséquent, pour l utilisation de brûleurs à biogaz une légère compression est nécessaire. Les brûleurs à air pulsé, au contraire, ont besoin que le gaz soit à une pression minimum de 15 mbar, ce qui rend également nécessaire une compression additionnelle du gaz. L utilisation de brûleurs multi-combustibles permet d utiliser le biogaz comme économiseur de combustible. Dans de nombreuses stations d épuration, le brûleur fonctionne au pétrole et au gaz d épuration produit localement. En cas de production élevée de gaz, la chaleur nécessaire à l augmentation de la production et au maintien des 47

digesteurs dans la plage de températures adéquate, est produite à partir du biogaz généré sur place et contribue ainsi à réduire la quantité de pétrole consommé. 48

Un autre usage du biogaz est la génération simultanée d électricité et de chaleur utilisable, appelé cogénération (en anglais: Combined Heat and Power (CHP)). La cogénération est la manière la plus efficace de générer de l électricité puisque les pertes de chaleur sont réduites, utilisant ainsi la majeure partie de l énergie contenue dans le combustible. Une unité de cogénération peut atteindre un rendement énergétique compris entre 85 et 89 %, faisant de la cogénération une technologie essentielle pour accroître la durabilité dans le domaine de l approvisionnement énergétique. Dans le processus de génération d électricité par machine thermique (groupe électrogène, turbines à vapeur ou à gaz, etc.) La chaleur résiduelle sera toujours considérée comme un sous-produit. Dans les unités de cogénération, la chaleur résiduelle est récupérée grâce à des échangeurs de chaleur et transportée à travers des canalisations (d eau chaude ou même de vapeur) pour chauffer les clients. Il existe plusieurs types de technologies pour cogénérations capables d utiliser le biogaz, mais le type le plus courant est le groupe électrogène à récupération de chaleur. La puissance électrique des unités de cogénération peut aller de plusieurs kw jusqu à atteindre plusieurs MW. Les unités de cogénération de plus petite taille ont un rendement thermique supérieur mais un rendement électrique inférieur (environ 55 % et 35 % respectivement), alors que les unités plus importantes peuvent atteindre des valeurs similaires pour les rendements électrique et thermique (de 42 à 43 %). Les sources principales de récupération de la chaleur sont le circuit de refroidissement du moteur et les gaz d échappement de ce dernier. De l eau pouvant atteindre une température de 90ºC peut être obtenu à partir du circuit de refroidissement, alors que les gaz d échappement peuvent fournir des températures appropriées pour de la vapeur saturée. Le modèle 49

basique du flux énergétique du processus de cogénération est illustré dans le schéma. 100 % de l énergie est injectée sous forme de biogaz (méthane) dans l unité de cogénération. Un moteur à gaz standard peut produire de l électricité avec un rendement d environ 35 %. Les 65 % restants de l énergie contenue à l origine dans le biogaz sont transformés en chaleur, et récupérés à une température d environ 90ºC à travers le circuit de refroidissement de la centrale et les gaz d échappement du système. La quantité d électricité consommée par une usine de biogaz est faible et est principalement destinée aux équipements auxiliaires comme les pompes, pour le circuit de refroidissement du moteur et les systèmes d alimentation, et de brassage des réacteurs. L électricité générée restante peut être envoyée vers le réseau électrique ou utilisée par une industrie voisine ou par l industrie agricole elle-même. Une partie de la chaleur est utilisée sur place pour chauffer les réacteurs afin de les maintenir à la température adéquate. Par ailleurs, l excédent de chaleur de l usine peut être utilisé sur place pour le séchage du digestat par exemple, pour le chauffage (domestique ou industriel) ou encore pour être exporté jusqu aux consommateurs à travers le réseau de chauffage urbain. 3.2 Utilisation du biogaz - avec un réseau de chauffage urbain Dans certains cas, les usines de biogaz sont situées aux alentours d un village, d une ville ou sur des terrains agricoles, éloignées des grands consommateurs potentiels de chaleur, comme les hôpitaux ou les industries. Afin d obtenir tous les bénéfices de la production combinée de chaleur et d électricité, il est nécessaire de connecter les consommateurs de chaleur à l unité de cogénération de l usine de biogaz via un 50

réseau de chauffage urbain. Les réseaux de chauffage urbains consistent en un réseau de canalisations transportant de l eau chaude jusqu aux consommateurs et de l eau froide de retour vers l unité de cogénération. C est essentiellement l extension du concept de chauffage urbain pour l intégration du biogaz en tant que source d énergie renouvelable et pour assurer l utilisation maximale de l énergie récoltée à partir de la biomasse. Les canalisations du réseau de chauffage urbain sont construites à partir de tuyaux préalablement isolés et assemblés sous terre. Grâce à des échangeurs de chaleur situés dans l unité de cogénération et chez les consommateurs d énergie thermique, la chaleur contenue dans l eau chaude peut être acheminée de l unité de cogénération vers le réseau, et du réseau vers les consommateurs. Les températures de fonctionnement atteignent normalement 90ºC dans les canalisations d eau chaude (canalisation de refoulement) et environ 70ºC dans les canalisations de retour. L eau à 70ºC sera chauffée de nouveau à 90ºC dans l unité de cogénération et le cycle recommencera. La différence entre les températures de livraison et de retour représente la quantité d énergie livrée par l unité de cogénération aux consommateurs. Une autre façon d utiliser le biogaz est de le transporter directement à travers un pipeline de biogaz. Ce concept est particulièrement utilisé dans le cas où la distance entre l usine de biogaz et les consommateurs de chaleur est très grande, le transport de la chaleur via un pipeline sur de telles distances n étant pas viable économiquement ni techniquement. Dans ce cas, un pipeline de biogaz est construit pour connecter 51

l usine de production de biogaz (réacteurs) avec une centrale de cogénération située près des consommateurs de chaleur et d un possible point de connexion au réseau électrique. Le biogaz doit être épuré sur site avant d entrer dans le pipeline afin d éviter l apparition de condensation dans les canalisations, la production d acide sulfurique, et la corrosion du moteur de la centrale de cogénération. L épuration du biogaz comprend principalement un séchage par refroidissement et condensation, la désulfuration (normalement par charbon actif) et la compression à plusieurs centaines de millibars (en fonction de la longueur du pipeline et des besoins de la centrale de cogénération). L unité de cogénération sera construite sur l emplacement des demandeurs d énergie thermique. À partir de là, les systèmes de récupération de chaleur de l unité de cogénération seront connectés au système de chauffage des demandeurs (par ex. un hôpital ou une industrie). De nouveau, la chaleur sera livrée à travers des échangeurs de chaleur. L électricité générée peut également être utilisée sur place ou être injectée dans le réseau électrique public. La centrale de cogénération n étant plus sur le site de l usine de production de biogaz, la chaleur nécessaire au procédé de digestion anaérobie doit être fournie par une autre source. En Allemagne, les réglementations en énergies renouvelables imposent que cette nouvelle source de chaleur soit également d origine renouvelable. Dans cette situation, l utilisation de brûleurs à copeaux de bois a donné de bons résultats, techniquement et économiquement. 52

3.3 Biogaz épuré Alimenter le réseau existant de gaz naturel avec du biogaz est une autre option d utilisation future du biogaz. La mise en place d une usine de biogaz pour alimenter le réseau en gaz est assez similaire aux installations conçues pour la cogénération. La différence principale réside dans la cogénération elle-même qui, dans ce cas, n est pas construite. Au lieu de l unité de cogénération, c est l équipement nécessaire pour l épuration du biogaz pour l obtention de méthane pur qui doit être modélisé et installé. En raison des paramètres économiques en Allemagne (coûts d investissement, tarifs de l électricité, prix du gaz, etc.), c est une option réalisable pour les usines de biogaz produisant plus de 300 Nm³/h de biogaz. Pour épurer le biogaz au niveau requis afin qu il puisse être injecté dans le réseau, le biogaz doit auparavant être traité. Ce prétraitement comporte un séchage et l élimination du sulfure d hydrogène. Durant la deuxième étape, le dioxyde de carbone doit être éliminé du biogaz pour atteindre une pureté d environ 95 % en méthane. Il existe plusieurs technologies de capture du CO2 à partir du biogaz, les plus utilisées étant le lavage à l eau, le lavage chimique (avec des amines ou d autres solvants pour CO2), l adsorption par variation de pression (PSA) et la séparation par membrane. Après l enrichissement en méthane, l odeur doit être éliminée du biogaz épuré et ce dernier pressurisé au même niveau que le réseau. Des mesures en ligne constantes des caractéristiques du gaz injecté doivent être effectuées afin de garantir sa qualité et de permettre son introduction dans le réseau public. 53

Comme dans le cas des pipelines de biogaz, l alimentation en chaleur et en électricité de l usine ne peut pas être assurée par une unité de cogénération et doit l être par d autres moyens. L option la plus simple peut être l utilisation d une chaudière standard et de l électricité du réseau public. 3.4 Conversion d énergie en gaz combustible La motivation derrière le développement de plusieurs technologies de conversion d énergie en gaz est la nécessité d utiliser le surplus d énergie renouvelable (surtout solaire ou éolienne), généré par exemple lors d un jour de tempête. Dans les cas où l énergie produite par les sources renouvelables est supérieure à la demande, la stabilité du réseau pourrait être en danger. Dans ces circonstances, l excédent d énergie doit être évacué du réseau ou à partir de plusieurs sources d énergie. Généralement, les éoliennes ou les installations solaires doivent être déconnectées du réseau. Puisque le rejet de l énergie éolienne pouvant être exploitée n est pas attractif du point de vue économique ou de l efficacité énergétique, la solution proposée de convertir l énergie en gaz vise à offrir la possibilité de stocker l excédent momentané en électricité du réseau, en transformant l énergie électrique en énergie chimique de stockage. Le principe de fonctionnement de la conversion d énergie en gaz se base sur l électrolyse de l eau. En utilisant le surplus d énergie, l eau pure peut être dissociée en oxygène et en hydrogène. L hydrogène produit peut être utilisé pour la combustion (par ex. injecté en petites quantités dans le réseau public) ou converti en CH4 54

(méthane) par processus chimique. Le méthane produit peut être stocké ou injecté dans le réseau public de gaz naturel afin d être utilisé dans les foyers, ou même dans des turbines à gaz ou des centrales à cycle combiné pour la génération d électricité. Les technologies de conversion d énergie en gaz combustible sont actuellement en phase de prototype, et sont aujourd hui principalement limitées par leurs performances économiques. 3.5 Comparaison de différents biocombustibles. La comparaison des biocombustibles par rapport à leur utilisation des sols est un indicateur important pour l évaluation des différents types de biocombustibles en termes de développement durable. Le graphique illustre un concept clé permettant d estimer le rendement énergétique par hectare de culture énergétique exploité. Le graphique représente la distance que peut parcourir une voiture avec l énergie générée à partir d un hectare de différents types de biomasse ou de vecteurs énergétiques (cultivés ou non). Par rapport à un hectare de terre arable, une voiture peut parcourir 67 600 km avec du biométhane issu d une usine de biogaz. La même voiture roulant au bioéthanol (BtL) n atteint que 22 400 km en utilisant la même surface de culture. Si les résidus sont pris en considération, l autonomie augmente de 14 400 km. Ces aspects sont très importants lorsque les cultures énergétiques et alimentaires sont en compétition. Le biométhane et le BtL (Biomass to liquid) ont quasiment le même rendement d utilisation des sols. L huile de colza, le biodiesel et le bioéthanol atteignent des autonomies similaires mais significativement inférieures à celles 55

du biométhane et du BtL. Le BtL, ou procédé de biomasse transformée en liquide, inclut les biocombustibles générés à partir de biomasses solides, soumises à des procédés de transformation chimique, comme le procédé Choren. Parmi ces procédés de transformation chimique pour la génération de combustibles synthétiques (ou biobrut), la pyrolyse et la carbonisation doivent être mentionnées. Jusqu à aujourd hui, il n existe pas encore d installation de production commerciale opérationnelle. Le biodiesel et les huiles végétales comme l huile de colza obtiennent des résultats similaires et sont également chimiquement semblables. Le biodiesel est fabriqué à partir d huiles végétales. Mais là où le biodiesel peut être mélangé au diesel standard dans des proportions allant jusqu à 50 %, tout en étant encore utilisable avec les moteurs standards, l utilisation d huiles végétales implique l adaptation des moteurs et ne représente qu un petit marché de niche. Le bioéthanol produit à partir de la betterave à sucre, de la canne à sucre, de l amidon du manioc ou encore du maïs est une technologie ayant fait ses preuves et largement utilisée. Notamment au Brésil et aux États-Unis, la flotte de véhicules flex-fuel (FFV) est très importante, ces derniers pouvant être alimentés avec n importe quel mélange d essence et de bioéthanol. 3.6 Utilisation du digest du biogaz 56

Une usine de biogaz basée sur les cultures énergétiques fonctionne d une façon semblable à celle d un estomac animal. Le procédé de fermentation anaérobie est très similaire, tout comme les résidus. Après la digestion anaérobie du substrat, un mélange de matière organique non digestible, d eau et d autres substances non organiques subsistera comme un sous-produit. En fonction des réglementations locales en matière d hygiène et de la composition du substrat, ce digestat pourra ensuite être utilisé ou devra être considéré comme un déchet et éliminé comme tel. Si la réglementation locale le permet, le digestat du biogaz peut être facilement utilisé en tant qu engrais naturel dans les terres cultivables. Tant que des déchets non organiques sont utilisés dans l installation, le digestat peut être répandu sur les terres arables, de la même manière que le purin conventionnel d origine animale. Dans le cas de déchets organiques, un procédé spécial est nécessaire. Un exemple bien connu est la pasteurisation des déchets organiques à 70ºC afin de détruire les germes éventuellement dangereux pour les humains et les animaux. Une fois cette étape terminée, la biomasse à l intérieur du réacteur est libre de tout microorganisme pathogène, et le digestat peut être géré de la même manière que le purin ou le fumier normal. Le digestat possède les mêmes substances nutritives que la matière première utilisée dans le procédé de production du biogaz. Le processus de fermentation produit des changements principalement dans la fraction organique du substrat. Durant les processus chimiques ayant lieu à l intérieur du réacteur, la solubilité même des nutriments augmente, et par conséquent également la biodisponibilité pour les plantes. Un autre avantage de l utilisation du digestat comme engrais est sa faible odeur comparée à celle du purin. La fermentation stabilise le substrat, détruisant les composés organiques responsables des mauvaises odeurs. 57

En outre, le digestat issu des installations de biogaz possède une acidité plus faible que celle du purin, réduisant ainsi les risques de brûlures chimiques sur les feuilles après l épandage. Le digestat voit également ses propriétés d écoulement augmentées, ce qui diminue les salissures et les taches sur les feuilles après sa pulvérisation, et demande moins d effort pour le mélanger et obtenir ainsi son homogénéisation. La concentration de polluants (minéraux et métaux lourds) dans le digestat dépend du substrat utilisé. Au vu des augmentations de prix des engrais minéraux, le seuil de rentabilité pour le transport et l utilisation de digestats en tant qu engrais a été atteint. De plus, l utilisation des digestats est préférable à celle des engrais minéraux, notamment par rapport à la contribution de leur efficacité énergétique dans le bilan énergétique global. 3.7 Choix du site. Il existe différents aspects à considérer lors de la recherche d un site potentiel. Normalement, une usine de biogaz ne doit pas être installée très loin d une source de biomasse. Puisque que la densité énergétique des vecteurs bioénergétiques (cultures, déchets) est faible, voire très faible, les distances de transport du substrat peuvent jouer un rôle important dans le prix final ou le coût de la biomasse. L infrastructure routière doit répondre aux exigences du transport de biomasse par poids lourds et/ou par machines agricoles. Si le digestat est utilisé dans les champs, la distance jusqu à ces derniers est également un paramètre important à considérer. Dans le cas où la biomasse est fournie par un tiers (par ex. lisier de fermiers voisins) le fournisseur peut avoir intérêt à emmener le digestat de l usine dans ses champs. En 58

fonction de l utilisation du biogaz, un accès au réseau pour l acheminement de l électricité devrait être considéré. Le point d accès au réseau devrait se situer près de l usine de biogaz afin de minimiser les pertes électriques dans les câbles et les coûts d investissement. Les consommateurs de l énergie thermique résiduelle de l unité de cogénération doivent se trouver le plus près possible de l usine de biogaz, à cause des pertes dans le réseau de chauffage et des coûts d investissement. Le recours à un pipeline de biogaz peut être considéré pour les grandes distances. En fonction de la quantité de chaleur fournie et des paramètres économiques (prix de l énergie thermique, etc.), la distance limite peut varier entre 0,5 et 2,5 km. En cas d injection de biogaz épuré dans le réseau de gaz naturel, un point d accès doit également se situer près de l installation. Le point d accès optimal devrait être choisi en fonction du niveau de pression du réseau public. Dans ce cas, le biogaz sera prélevé du réseau à un emplacement où l accès au réseau électrique et au réseau de chauffage est garanti. 59

4 Développement du marché du biogaz 4.1 Production de biogaz dans la UE Le marché allemand du biogaz est le plus grand de l UE. Avec 51,2 tonnes équivalent pétrole pour 1000 habitants, la production d énergie à partir du biogaz surpasse de 90 % celle du Royaume-Uni, le deuxième du classement. La production moyenne dans l UE est de 16,7 tep/habitant, soit le tiers de la production allemande. Ce déploiement est motivé par la loi allemande sur les énergies renouvelables, appelée l EEG. Cette loi spéciale pour les énergies renouvelables promeut le développement des technologies utilisant des sources d énergie renouvelable, garantissant un tarif de rachat pendant 20 ans pour différentes sources d énergie. Le biogaz est l une de ces formes d énergie recevant ce type de subvention. Actuellement, il existe plus de 8 000 installations de biogaz en Allemagne avec une capacité électrique totale de plus de 3 500 MW, contribuant de manière significative à l alimentation en électricité renouvelable du pays. Depuis 2004, le système de tarifs de rachat de l EEG en Allemagne a mis en place des primes très avantageuses pour les agriculteurs. L objectif est que ces derniers passent de fournisseurs de récoltes pour l industrie alimentaire à fournisseurs d énergie indépendants, générant du biogaz à partir des substrats produits localement, ainsi que l électricité et la chaleur en dérivant. Ainsi, les installations de biogaz opérationnelles les plus répandues en Allemagne sont les installations de biogaz agricoles. 60

4.2 Développement du marché allemand Le marché allemand du biogaz a fait preuve d une croissance prodigieuse durant les 10 dernières années. Le nombre d installations a doublé depuis 2008. Durant la même période, la capacité installée a augmenté de 270 %. La hausse la plus importante a eu lieu entre les années 2008 et 2009 et entre 2010 et 2011 en raison de modifications de la loi allemande sur l énergie renouvelable EEG. En 2008, la technologie du biogaz est devenue notoire et a expérimenté une croissance explosive, principalement due à l annonce des modifications de l EEG. Après l amendement de l EEG, le marché a expérimenté un nouveau boom entre les années 2010 et 2011 mentionnées auparavant. Le changement le plus important entre l EEG allemand de 2004 et celui de 2009 a été le soutien accru accordé à l utilisation des cultures énergétiques, fournissant un soutien financier supplémentaire aux opérateurs d installations de biogaz. Les installations de biogaz agricoles, avec des capacités électriques dépassant les 300 kw, ont été le type d installation le plus construit pendant ces périodes, ce qui explique la hausse disproportionnée de la capacité de biogaz installée en Allemagne. Depuis le dernier amendement de l EEG en 2012, le marché allemand du biogaz a connu une décélération de sa croissance, principalement à cause de nouvelles restrictions quant aux substrats utilisés (60 % maximum de maïs ensilage), de l obligation d utiliser la chaleur résiduelle produite, ainsi que d autres aspects concernant les tarifs de l électricité et les coûts d investissement. Un nouvel amendement est examiné pour 2014 et pourrait, selon les experts, causer une stagnation du marché. 61

4.3 Les entreprises de biogaz dans l UE 62

5 Phases de développement d un projet 5.1 Chronologie d un projet La chaîne de développement d un projet de biogaz commence par les premières étapes d évaluation. Disposant des premières données du projet, y compris les estimations de coûts et de revenus, une analyse adéquate de préfaisabilité doit être menée afin de décider ou non l entrée dans le projet. Après cela, une étude approfondie de faisabilité doit être réalisée afin de garantir des résultats satisfaisants pour le projet. Dans cette phase, la faisabilité technique et économique du projet doit être évaluée. La réalisation de cette étude devrait se faire en collaboration avec des experts afin de profiter de leurs conseils concernant le grand nombre de questions devant être résolues, notamment les aspects techniques, économiques, environnementaux et commerciaux. En fonction de sa complexité, cette phase peut durer de 6 mois à 1 an. Une fois que la décision de mise en œuvre du projet est prise, la phase de planification d ingénierie et de construction peut commencer. En Allemagne, les phases d ingénierie et de construction seront réalisées par un fournisseur de technologie qui livrera une usine de biogaz clés en main. Cependant, il est recommandé à l investisseur de disposer d un conseiller expérimenté contrôlant le planning et les plans de construction, réalisant les procédures de délivrance de permis et vérifiant les normes et les finances du projet. Cette phase, en fonction des procédures de délivrance de permis, peut durer de 6 mois à 1,5 an, ou plus encore dans les régions où les procédures de délivrance de permis ne sont pas clairement définies. En fonction de sa 63

complexité, les délais de construction d usine de biogaz atteignent 6 à 12 mois. L inoculation et le remplissage des réacteurs peuvent durer de 3 à 6 mois. La construction d une usine de biogaz implique un investissement initial considérable et fixe les orientations d une entreprise agricole pour le futur proche. 5.2 Évaluation des ressources La disponibilité de la biomasse est l une des premières choses devant être vérifiées avant la construction d un projet de biogaz. Le substrat étant le combustible réel de chaque projet de biogaz, il est primordial de connaître la qualité et la quantité de biomasse disponible. Cette évaluation sera normalement réalisée pendant l étude de faisabilité, une fois les conditions-cadres du projet grossièrement vérifiées et déclarées positives. Bien entendu, en fonction des conditions-cadres (subventions économiques, réglementations en matière d hygiène et de déchets, etc.) différents types de biomasse peuvent être considérés intéressants pour un projet de biogaz. Dans une étude d évaluation des ressources réalisée par des conseillers expérimentés, plusieurs questions doivent être abordées. La première concerne la disponibilité de la biomasse dans la région et la distance à parcourir, raisonnable ou non, pour son transport. Cela inclut également le choix du type de biomasse utilisé pour le projet. L utilisation actuelle de la biomasse choisie, compte tenu des types d utilisations et des quantités, tout comme leur développement futur devront être analysés afin d empêcher de possibles impacts dans 64

l avenir. En ce sens, l évaluation de possibles projets concurrents doit être incluse. Un autre aspect important est l analyse des prix et des coûts relatifs (par ex. le transport) à la biomasse dans le passé, afin de pouvoir effectuer des prévisions raisonnables de ces coûts pour le futur.un dernier aspect à considérer est l acquisition d information sur de possibles fournisseurs de biomasse dans la région. Si possible, il est recommandé de mettre en place, à ce stade, un protocole d entente afin de donner au projet une nature contraignante. 5.3 Questions liées à la délivrance de permis Un facteur important pour l évaluation et la planification d un projet de biogaz est l impact environnemental que celui-ci pourrait avoir, ainsi que les réglementations locales concernant ces impacts environnementaux. En général, les impacts environnementaux les plus importants et devant être pris en compte pour une usine de biogaz sont ceux répertoriés dans la diapositive. Concernant les émissions, il est très important de connaître les niveaux d émission autorisés pour les contaminants atmosphériques (comme les NOx, SO2, CO, poussière et carbone total), mais également pour d autres types de polluants comme le bruit, les huiles usagées, etc. Les équipements choisis pour l usine (particulièrement l unité de cogénération ou de combustion) doivent être conformes à ces normes. Il est également très important de prouver que l impact sur l air, le sol, l eau (y compris les nappes phréatiques) et sur la vie animale, végétale 65

et humaine sont faibles voire inexistants. Par conséquent dans la phase de faisabilité, tous les impacts devraient être analysés et les mesures d atténuation (par ex. catalyseur pour les gaz d échappement) devraient être incluses dans le planning et dans l analyse économique. D autres sortes d émissions devant être prises en considération, et dépendant strictement des réglementations locales, sont les émissions d odeurs nauséabondes (zones habitables importantes à proximité). Les aspects relatifs à l hygiène (pendant le traitement de n importe quel type de déchets et pendant l utilisation ou l élimination du digestat) et l augmentation du trafic dans les zones environnantes en conséquence de la livraison de biomasse ou du retrait du digestat, doivent également être pris en compte. Une analyse des permis environnementaux nécessaires, et des normes requises pour leur obtention, donne une vue d ensemble utile pour l évaluation de la faisabilité du projet et des possibles coûts additionnels. 66

6 Risques spécifiques et prévention 6.1 Sensibilité de la rentabilité Il existe de nombreux facteurs pouvant influencer la rentabilité d un projet en général, et plus particulièrement d un projet de biogaz, que ce soient des facteurs internes (selon le projet et son développement en soi) ou des facteurs externes (en fonction des conditions-cadres dans lesquelles le projet sera exploité). Parmi les facteurs internes se trouvent toutes les conditions qui, d une certaine manière, peuvent être modifiées par le promoteur du projet. Font partie de cette catégorie plusieurs paramètres techniques du projet, tout comme certaines conditions économiques ou commerciales. Dans le cas des facteurs techniques, il peut être fait mention de l efficacité du matériel (affectant la production d énergie et les coûts), de la fraction de l investissement correspondant à des fonds propres, des dépenses d entretien (contrats ou personnel propre), des coûts d exploitation, etc. Les facteurs externes peuvent être identifiés comme étant des conditions ne pouvant pas être modifiées par le promoteur du projet comme la politique économique, la législation environnementale, les normes, les taxes, la politique de subventions, etc. L influence de certains paramètres devrait être étudiée dans une analyse économique du projet. Pour cette analyse de sensibilité, l un des paramètres de l évaluation doit être désigné en tant que variable (par ex. les coûts d investissement). Les autres paramètres étant constants, l analyse économique doit être réalisée afin d évaluer le comportement de la rentabilité du projet en fonction des variations de ce paramètre spécifique. Une fois que sont détectés les paramètres ayant le plus d influence, les efforts 67

devraient se concentrer sur la minimisation de la possibilité de variation de ces facteurs durant la durée de vie du projet. Si les facteurs externes ont été détectés comme ayant une influence importante, les activités devraient tendre à minimiser leur dépendance ou avoir la possibilité de couvrir les risques dus aux changements. 6.2 Risques spécifiques et prévention Risques endogènes 68

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Suivant la même classification que les facteurs, les risques ayant des répercussions sur le projet sont également divisés entre risques endogènes (des risques internes relatifs à des conditions internes, affectant la rentabilité) et risques exogènes, relatifs à des conditions externes affectant les performances de chaque projet. L un des risques internes habituel relatif aux facteurs techniques est le risque de réalisation du projet. Il ne se rapporte pas seulement à la conclusion du chantier et au fonctionnement de l installation, mais également au respect des délais et des coûts estimés ainsi qu à la qualité requise pour tous les travaux et le matériel livrés. Pour le développement de n importe quel type de projet énergétique, il est très habituel de réaliser les phases de planification et de construction à travers différentes entreprises. Alors qu une entreprise de planification générale prendra en main le planning et la supervision du chantier, plusieurs entreprises livreront différents types de matériel ou s occuperont de la construction de différentes parties de l installation énergétique. Dans le cas d autres sources d énergies renouvelables (solaire, éolien), bien qu elles reposent sur des équipements très complexes, la coordination entre les différentes entreprises est assez simple. Dans le cas des installations de biomasse et plus concrètement de biogaz, la coordination entre les livraisons et la construction atteint un haut niveau de complexité. La façon la plus courante de minimiser les risques de réalisation est de signer un contrat avec le fournisseur de technologie pour une livraison clé en main de l'usine. De plus, la participation d un ingénieur représentant le propriétaire est une autre mesure importante afin de minimiser ce type de risques pour un projet de biogaz ou tout autre projet en général. L ingénieur est un professionnel expérimenté présent pour 70

conseiller et superviser le fournisseur de technologie, ainsi que pour assumer le rôle du propriétaire et du futur exploitant de l usine pendant les travaux. Le premier risque, et l un des plus importants, est la livraison tardive de l installation. Les conséquences peuvent être de nature économique (arrivée tardive des revenus), contractuelle (distribution tardive d énergie ou de la capacité de traitement des déchets) ou même de nature légale (pouvant transgresser certaines conditions des permis de construction). Une manière très efficace de réduire ce type de risque est d ajouter une chronologie au contrat de livraison clés en main, reprenant toutes les étapes de la construction de l usine et établissant la responsabilité de leur réalisation comme appartenant au fournisseur de technologie. En cas de non-respect des clauses, des pénalités (ou même des primes pour une livraison en avance) doivent être incluses dans l accord. Afin d assurer la validité légale de telles dispositions contractuelles, la chronologie doit être mise par écrit (signée, en réalité) et convenue par toutes les parties. Les conditions et les activités normales que doit réaliser le propriétaire de l usine afin de permettre au fournisseur d accomplir son travail dans les délais doivent également figurer dans l accord. Un deuxième risque important est le risque de réalisation de l usine à un coût plus élevé que prévu. Ce risque peut avoir plusieurs causes et ses conséquences peuvent aller d une rentabilité plus faible que prévu pour tout le projet, jusqu à son abandon et la perte de capital. Un contrat clé en main établissant un prix fixe pour l installation complète et tous ses éléments, aide à minimiser ce type de risque. Dans ce cas, une description rigoureuse de l usine achetée (y compris les types et les labels des équipements, les matériels utilisés, les normes de qualité, etc.) doit constituer une partie contraignante du contrat. Un troisième risque caractéristique est la possible sous-performance de l usine de biogaz. Plus particulièrement dans les installations de biogaz, il est possible de trouver des problèmes après la mise en service. La production du biogaz étant un procédé biologique, la conception et la construction de l usine doivent garantir le respect des critères et des conditions biologiques. Il est donc recommandable de stipuler dans un contrat de livraison clés en main, les conditions minimales d exploitation tout comme certains niveaux cibles pour différents paramètres de fonctionnement et de production tels que le rendement de biogaz par tonne de matière organique, ou le fonctionnement à pleine charge de la centrale de cogénération, etc. En outre, le contrat doit inclure les conditions requises pour atteindre ces objectifs (y compris les tâches devant être effectuées par le propriétaire ou l exploitant de l usine) et des pénalités ou des garanties pour le manquement à certains objectifs dans des conditions normales. De nouveau, les conseils de l ingénieur représentant le propriétaire peuvent être utiles pour établir les clauses nécessaires du contrat. Une dernière situation possible pouvant compromettre sérieusement la réussite d un projet est la nonréalisation ou la non-livraison de celui-ci. Il peut exister plusieurs causes pour l interruption de la construction d une installation de biogaz. L une des plus courantes est la faillite de l entreprise de construction sous-traitée ou du fournisseur de technologie. Afin d éviter ce type de risque, la santé économique du fournisseur doit être vérifiée durant les négociations du contrat et doit être documentée avec des informations et des archives fiables et solides. Une assurance supplémentaire pour ce genre de cas peut être utile, mais de telles polices d assurance ne sont pas toujours disponibles. 71

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L exploitation d un projet, et en particulier d un projet de biogaz, est affectée par plusieurs risques pouvant nuire à son succès économique. À part le risque de réalisation décrit ci-dessus, il existe plusieurs causes d échec d un projet durant son exploitation. Concernant les projets de biogaz qui présentent un niveau élevé de complexité dans leur configuration technique, et tenant compte du fait que l une des étapes les plus importantes du procédé est réalisée par des éléments biologiques comme la population bactérienne, il devient très important de gérer les sources de risques pendant le fonctionnement. Dans la catégorie des risques opérationnels et de gestion pourraient être regroupés toutes sortes d évènements ou de conditions pouvant entraîner un dysfonctionnement, des mauvaises performances, une interruption ou un arrêt du procédé de production. Dans cette catégorie se trouvent indistinctement les problèmes techniques ou commerciaux. Un exemple classique de dysfonctionnement technique est la surcharge du réacteur. Elle peut être détectée à travers des changements soudains dans la composition du biogaz (une forte diminution de la concentration de méthane ou une augmentation du sulfure d hydrogène). Les conséquences d un réacteur surchargé sont généralement dévastatrices. Normalement, la production de méthane cessera car le procédé biologique se dégradera et ne sera pas capable de recommencer avant un nettoyage complet et une nouvelle inoculation du réacteur. Le processus d une nouvelle inoculation d un seul réacteur pourrait durer de trois à 6 mois avant qu il ne soit de nouveau complètement opérationnel. Les dommages économiques sur le résultat opérationnel d une usine de biogaz sont très significatifs et devraient être évités à tout prix En général ceci peut être évité grâce à une exploitation compétente et 74

responsable. Plusieurs causes peuvent mener à une surcharge des réacteurs. L une d elle est la mauvaise alimentation des réacteurs, avec un taux de charge très supérieur à celui pour lequel ils ont été conçus. Une autre défaillance courante est l utilisation d une biomasse non appropriée ou non prévue pour le réacteur. Des changements soudains dans les caractéristiques du substrat ne laissent pas suffisamment de temps à la population de bactéries méthanogènes pour s adapter aux nouvelles conditions, conduisant à leur diminution et à l augmentation d autres populations bactériennes. Cela peut causer l acidification du réacteur et la destruction des bactéries méthanogènes. Une manière appropriée de minimiser ces risques biologiques est de demander au fournisseur de technologie d ajouter au manuel d opération des indications explicites sur le type de biomasse pouvant être utilisé, sur la ration d alimentation et sur la manière de procéder en cas de changements biologiques. Pendant l exploitation, un registre journalier d exploitation doit être tenu et actualisé avec précision, dans lequel seront spécifiées les informations concernant les matériaux d alimentation et leurs quantités. Dans certains pays possédant une grande expérience en matière de biogaz, il existe des travailleurs indépendants pouvant être consultés quant à l état du réacteur grâce à l envoi périodique d échantillons. Ce type d assistance biologique peut aider à détecter et à interrompre des procédés d acidification et de dégradation biologique. Un contrat d entretien prolongé avec le fournisseur, incluant l assistance biologique, pourrait être une autre forme de prévention. Une installation de biogaz étant un système complexe conçu pour certains types de substrats, l utilisation d autre types de biomasse, non pris en compte dans le processus de planification, pourrait conduire, par la présence d impuretés (sable, pierres, pièces métalliques, etc.), à la défaillance de certains éléments importants de l installation comme les systèmes de transport, les pompes, les canalisations, les valves, etc. Par conséquent, toute modification du substrat devrait être discutée avec le fournisseur afin d assurer les passifs et le rendement de l installation. Dans d autres cas, l entretien négligent ou erroné peut conduire également au mauvais fonctionnement de pièces d équipements ou de l installation toute entière. L infrastructure la plus importante, lorsqu elle est présente, est l unité de cogénération. Cet équipement très sophistiqué et dépendant de toutes les autres sections de l installation est le centre de l usine de biogaz, et la partie de l installation normalement responsable de générer les revenus. Il est donc vital de conserver cette section de l installation en fonctionnement le plus longtemps possible et sans interruptions inattendues. De la même manière, l utilisation de technologies très récentes, revendiquant être innovantes mais n ayant pas été mises à l épreuve durant de nombreuses heures de fonctionnement, peut conduire au mauvais fonctionnement de l installation de biogaz ou à l interruption des revenus. Une bonne façon de prévenir ce type de risques est l approbation d un contrat de maintenance avec le fournisseur de technologie. Dans ce contrat, un plan de maintenance strict doit être établi, dans lequel les activités de maintenance devant être réalisées par l exploitant et le fournisseur sont clairement définies et répertoriées, tout comme la périodicité de réalisation desdites tâches. Ces contrats de maintenance sont normalement plus chers que d autres alternatives, mais ils assurent le fonctionnement de l installation par l incorporation de pénalités ou de garanties pour certains niveaux de performances. Dans le cas de l unité de cogénération, il est habituel que le fournisseur de l unité en réalise la maintenance et assure par contrat une disponibilité de plus de 92 %. Il est important de préciser que dans le cas d une technologie innovante et n ayant pas fait ses preuves, un contrat de maintenance ou une garantie de performances ne pourra que minimiser partiellement les risques de défaillances. Dans le pire des cas, le fournisseur de technologie ne sera pas capable de répondre aux exigences garanties dans plusieurs usines fournies et pourrait faire faillite. 75

6.3 Évaluation des risques et prévention Risques endogènes d un projet 76

L un des risques majeurs pouvant influencer les projets de bioénergie est la ressource énergétique ellemême, la biomasse. Comme dans tous les projets énergétiques, le rendement et donc le succès économique dépendent fortement de la ressource, du carburant. Ces carburants peuvent être divisés en trois groupes en fonction du type de ressource: 1. Sources d énergie primaires avec une qualité homogène et standardisée et un flux d approvisionnement continu (comme par ex. le gaz naturel fourni via pipelines), 2. Sources d énergie primaires connaissant des variations de qualité (par ex. les centrales de biomasse ou les usines de biogaz), 3. Sources d énergie avec variations de qualité et approvisionnement intermittent (comme les centrales d énergie solaire ou éolienne). La biomasse peut être fournie en continu pour générer des formes utilisables d énergie (chaleur, électricité, etc.), ce qui représente un avantage pour les centrales de bioénergie par rapport aux centrales d énergie solaire ou éolienne qui ne peuvent fonctionner que lorsque la ressource est disponible lorsque le soleil brille ou le vent souffle. Cependant, les quantités de biomasse varient et le rendement énergétique dépend fortement de la manière dont la centrale de bioénergie a été conçue pour fonctionner dans une certaine gamme de qualité. Le rendement dépend également de la façon dont les contrats d approvisionnement en biomasse ont été structurés pour recevoir la qualité de biomasse requise. En général, il peut être affirmé que, moins la biomasse est chère et pire sera sa qualité ou plus grand sera son éventail de qualité. La qualité de la biomasse et son prix influencent donc le succès économique du projet de bioénergie. Afin de réduire les risques relatifs à la qualité de la biomasse, de nombreux aspects peuvent et doivent être contrôlés. Les caractéristiques de la biomasse les 77

plus importantes devant être contrôlées sont le contenu énergétique, la teneur en eau et en cendres ainsi que la taille de la biomasse. En général, les contrats d approvisionnement en biomasse incluent des valeurs minimum et maximum pour ces paramètres, ainsi qu une adaptation des prix en cas de dépassement des limites. Afin de garantir la sécurité de l approvisionnement en biomasse tout au long de la durée de vie de la centrale de bioénergie, il est également important de s assurer que l autre partie le fournisseur de biomasse ait de bonnes références, une solide réputation sur le marché et la puissance économique suffisante pour effectuer l approvisionnement. Idéalement, le fournisseur de biomasse participe financièrement au projet, ce qui contribue à garantir le succès économique de ce dernier. Avant de signer un contrat d approvisionnement en biomasse, une analyse de sensibilité de l influence des variations possibles des prix et de la qualité de la biomasse sur les résultats du projet, doit être effectuée. De plus, une analyse de la disponibilité régionale de la biomasse et des acteurs du marché, y compris de leur capacité logistique, devrait être réalisée. Idéalement, au moins deux ou trois fournisseurs de biomasse devraient être retenus pour l approvisionnement, afin de garantir la disponibilité durant les périodes de forte demande comme l hiver. Cependant, une bonne compréhension du marché de la biomasse et de ses acteurs est nécessaire pour trouver les partenaires appropriés. Il existe autant de types d acteurs que de fournisseurs existants ; certains ont un accès direct à leurs propres réserves de biomasse (forêts, etc.) et d autres sont des négociants ou des entreprises de logistique se fournissant à partir de la sylviculture ou autre, revendant la biomasse à des tiers. Ces derniers accèdent parfois à la même quantité de biomasse issue de la sylviculture, ce qui les amène à se concurrencer et entraîne une augmentation des prix. 78

La valeur ajoutée des projets de bioénergie est créée à travers la vente des produits des centrales de bioénergie. Par exemple, une centrale thermique à biomasse vend de la chaleur, une centrale électrique et thermique à biomasse peut vendre de la chaleur et de l électricité et une usine de biogaz peut vendre de la chaleur, de l électricité et des engrais. En plus des produits mentionnés, la chaleur peut être transformée en froid puis être vendu comme produit si la demande le permet. L électricité est vendue aux consommateurs locaux ou simplement à l exploitant du réseau si le cadre juridique l accepte. Généralement, un promoteur de centrale électrique ne se lance dans ce type de projet que si la vente d électricité est garantie. La chaleur et le froid sont des produits dépendant fortement de la demande locale puisqu il n est généralement pas rentable de les transporter sur de longues distances. Habituellement, les distances de transport ne dépassent pas quelques kilomètres. Si une installation de production d énergie ne peut pas vendre toute l énergie produite, le succès économique du projet diminue. Il est donc important de dimensionner l installation en fonction de la demande et de l évaluer minutieusement. En particulier dans le cas des centrales de cogénération, il n est pas possible de varier sensiblement la quantité totale d énergie générée tout comme la quantité individuelle de chaque forme d énergie produite. Par conséquent, avant d investir de grands efforts dans le développement d un projet de bioénergie, l étape la plus importante est de garantir l approvisionnement en biomasse et la vente des produits générés. À travers des contrats de vente, il faut s assurer qu idéalement toute l électricité, toute la chaleur et tout le froid soient vendus dans le cadre d un accord à long terme, avec des prix fixes ou indexés représentant l évolution des prix du marché de la biomasse. Les prix de la biomasse sont souvent indexés 79

sur les prix des combustibles fossiles, ces derniers représentant les formes d énergie concurrentes. Les acheteurs des produits devraient également être des acteurs solvables du marché. 6.4 Évaluation des risques et prévention Risques exogènes d un projet 80

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Les risques exogènes inhérents à un projet sont en général beaucoup plus difficiles à contrôler et à prévenir. Notamment lorsqu il est question du cadre politique dans ce cas pour les projets de bioénergie un promoteur ou un investisseur n a peu ou pas d influence. Cependant, durant le processus de développement du projet, ces risques doivent également être identifiés et évalués. D un côté, l influence de ces risques sur le projet doit être calculée, et d un autre côté les options de prévention et de minimisation de tels risques doivent être examinées. Dans les pays politiquement stables, les changements du cadre réglementaire n affectent que les nouveaux projets, n ayant donc pas d effet rétroactif sur les projets existants. Cela implique de développer un projet sous une réglementation en vigueur et de s assurer que les aspects économiques soient favorables. Néanmoins, dans certains pays comme l Espagne, des modifications de la loi ont eu des répercussions rétroactives sur des projets d énergie renouvelable. Dans une situation de difficulté économique pour des pays entiers, de tels changements peuvent arriver, alors l ensemble de la situation devient délicate. Par conséquent il est toujours important, lors de l évaluation du cadre politique d une technologie spécifique, de vérifier l histoire des politiques et de juger la situation économique et politique générale d un pays, avant de prendre la décision d y investir. Si les gouvernements veulent encourager les investisseurs à investir dans des secteurs spécifiques, un cadre politique stable et à long terme est nécessaire. Il existe d excellents exemples de cas où les gouvernements ont créé de tels environnements d investissement, dans le cadre desquels de nombreux investisseurs ont dépensé leur argent. Parmi eux se trouvent des pays comme l Allemagne, l Autriche, le Japon, l Italie, la 82

Suède ou la Finlande. Cependant, les mécanismes de soutien peuvent être très différents et doivent également être évalués. Il existe plusieurs conditions d encadrement politique importantes influençant un projet de bioénergie et appartenant à la catégorie des risques exogènes. Elles peuvent être séparées en deux groupes principaux: 1. Celles ayant une influence directe sur les aspects économiques du projet et 2. Celles influençant les permis, la réalisation et le fonctionnement de l installation de bioénergie. En général, les mesures réglementaires influençant les aspects économiques ont été mises en œuvre pour soutenir l entrée des énergies renouvelables sur le marché. De telles mesures peuvent être par ex. des tarifs de rachats fixes, des subventions d investissement, des avantages fiscaux ou des prêts à faible taux d intérêt, etc. La deuxième catégorie de mesures réglementaires regroupe principalement des règles techniques devant être respectées afin de pouvoir bénéficier des permis de construire et d exploiter l installation de bioénergie. L objectif de ces règles est de limiter les risques de défaillance technique (par ex. éviter les explosions), de protéger l environnement (par ex. contrôle des émissions d odeurs ou de bruits, la protection des eaux, etc.) ou pour des raisons de santé et de sécurité. D autres risques exogènes peuvent être associés à la situation économique générale d un pays. Des changements dans la situation économique peuvent avoir des effets comme la dévaluation de la monnaie, l augmentation des taux d intérêt impactant la partie du financement par emprunt du projet, ou encore une inflation au-delà de toute attente. La seule possibilité de minimiser ces risques est le recours aux instruments financiers tels que les instruments financiers dérivés. De plus, un investisseur devrait toujours éviter d investir dans des pays instables, ou sinon, diversifier le portefeuille d investissement afin de couvrir de possibles pertes avec d autres revenus. Bien entendu, les investissements présentant des profils de risques plus élevés impliquent généralement un potentiel supérieur de bénéfices. Pour cette même raison, il est important de diversifié. Il existe plusieurs risques exogènes imprévisibles et ne pouvant absolument pas être maîtrisés, pas même avec les meilleures connexions politiques. Ce sont les catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre, les tempêtes, les feux ou les inondations. Les assurances sont la seule possibilité d éviter les pertes associées. Les primes de ce type d assurances sont généralement raisonnables de sorte que personne ne devrait hésiter à souscrire les contrats d assurance respectifs. Un autre risque exogène pouvant avoir une influence sur les projets de bioénergie sont les guerres. Il n existe aucune assurance contre celles-ci, ne restant qu à espérer qu il n y en aura aucune ou précisément en évitant les investissements dans les pays instables. 83

7 Financement de projet 7.1 Quels sont les types de projets admissibles? 84

7.2 Structure de financement de projet En général, le terme financement de projet fait allusion à des projets d une certaine taille et ayant besoin d investissements importants. La caractéristique principale du financement de projet est que l investissement n est pas seulement financé par les fonds propres de l investisseur, sinon qu il est également cofinancé par des institutions financières comme les banques, à travers des prêts ou des crédits (capital d emprunt). Il n existe pas de taille universelle pour les investissements quand les projets peuvent être financés par capital d emprunt. Cela dépend plutôt de l expérience des institutions financières pour financer, dans ce cas, des projets de bioénergie, ou de l existence d instruments pour les projets de différentes tailles. Habituellement, les projets admissibles au financement de projet ont les caractéristiques suivantes: ils sont de grande taille, ils ont durée de vie longue et finie, ils ne font pas partie d une entreprise mais sont des projets autonomes détachés des autres exploitations d une entreprise. Les projets d énergie renouvelable comme les parcs éoliens, les centrales de cogénération de biomasse, les usines de biogaz, etc. qui sont généralement de grande envergure, peuvent être financés de cette manière. Pour donner un exemple de financement de projet dans la vie quotidienne: l investissement pour l achat ou la construction de maisons privées est habituellement financé par les banques de la même manière que pour les projets d énergie renouvelable: une partie de l investissement est en fonds propres (argent de l investisseur) et le reste est couvert par un prêt de la banque. 85

La raison pour laquelle les nouveaux projets sont organisés en entités de projet autonomes, également appelées «Fonds Communs de Créances», ou en abrégé FCC, réside principalement dans la possibilité d avoir une vue d ensemble plus simple du fonctionnement du projet et des risques économiques inhérents. Lorsque l arrivée d une technologie sur un marché est encore récente, et que les banques n ont pas ou peu d expérience en gestion de projets utilisant cette technologie, elles n offriront généralement pas d instruments financiers; cependant il peut y avoir d autres pays avec une grande expérience en la matière. Le fond commun de créances (FCC) l entité de projet autonome a divers rôles et interagit avec plusieurs parties dans le cadre de chacun de ces rôles. Un projet est décrété prêt à être réalisé lorsque 1. Tous les contrats nécessaires ont été signés afin de fixer toutes les conditions économiques limites et de s assurer que le projet peut être réalisé, et 2. Tous les permis de construction et d exploitation ont été accordés. Un FCC est communément le titulaire de tous les contrats et de tous les permis. Une fois que le statut «apte à la réalisation» est près d être obtenu, le FCC commence les recherches de financement du projet. Les contrats les plus importants devant être souscrit sont les suivants: Les contrats de vente ou de location du terrain sur lequel le projet devrait être réalisé (pour le terrain où l usine sera implantée et pour le terrain sur lequel seront construites les canalisations de vapeur ou les lignes électriques). Les contrats de ventes avec les acheteurs des produits fabriqués / générés dans le cadre du projet (par ex. accords d achat d énergie et de connexion au réseau pour la vente d électricité, les contrats de vente pour la chaleur et le froid). Contrats de récupération des résidus pour les cendres et le digestat Contrats d approvisionnement pour la biomasse Contrats d exploitation et de maintenance Contrats d ingénierie, de fourniture des équipements et de construction Contrats de crédit / prêt auprès d institutions financières pour le financement du projet De plus, il est nécessaire d avoir les permis de construction et d exploitation pour l installation. 86

8 Diligence raisonnable du projet 8.1 Principaux paramètres pouvant influencer la rentabilité 87

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En général, une diligence raisonnable sert à évaluer la faisabilité technique, économique et légale d une entreprise, d un produit ou d un projet. Durant le développement d un projet, dès la première idée jusqu à l obtention du statut d aptitude à la construction et même après durant l exploitation, la diligence raisonnable est un processus continu d évaluation de la faisabilité, et donc de la rentabilité d un projet. Cependant, la diligence raisonnable est souvent perçue comme une activité propre à un processus de prise de contrôle potentielle ou au processus d achat / vente d un projet (ou d une entreprise). Dans ce cas, des entreprises de conseil se voient assignées la réalisation de la diligence raisonnable ainsi que l investigation neutre de tous les aspects du projet pouvant influencer sa réussite économique. Le plus important pendant la réalisation d une diligence raisonnable est d identifier les paramètres ayant le plus d influence sur la rentabilité du projet, ainsi que les risques principaux devant être connus ou contrôlés. Les revenus principaux pour les projets de bioénergie proviennent de la vente des produits générés l électricité, la chaleur, le froid et parfois les sous-produits comme les cendres ou le digestat, ces derniers pouvant être vendus comme engrais. Des revenus supplémentaires peuvent venir de la récupération des déchets et de la réception des subventions d élimination s y rapportant. Ce cas peut se produire par ex. lors de l incinération de déchets de bois contaminé ou de la digestion de flux de déchets organiques comme les restes d abattoirs. Dans tous ces cas il est très important de déterminer les prix de vente des produits, soit en les fixant pour toute la durée de vie du projet, soit en les indexant sur les paramètres d inflation appropriés. Il est également nécessaire d organiser les alternatives physiques de transport des produits 89

pour l acheteur; par ex. s assurer de l accès et de la connexion au réseau ou construire les canalisations de vapeur nécessaires. Pour l électricité issue de systèmes d énergie renouvelable, certains pays offrent un accès préférentiel au réseau, c est-à dire qu il est exigé à l exploitant du réseau de connecter l exploitant de l installation et de lui donner accès au réseau. La distance entre l installation et le point d accès au réseau est cruciale, chaque mètre supplémentaire de ligne électrique s ajoutant aux coûts d investissement totaux. Il y a quelques années existait également l option de générer des revenus à partir de la vente de certificats de réduction des émissions grâce aux économies d émissions générées dans les projets d énergie renouvelable. Mais les prix des certificats de réduction des émissions (CER) ont tellement baissé que le coût du processus d inscription d un projet au système CER est supérieur aux revenus pouvant en dériver. Malgré tout, il existe toujours des unités de crédit-carbone (VER) revendues sur le marché d échange volontaire, qui possèdent une valeur pouvant être ajoutée à la rentabilité du projet. Ce n est cependant qu une faible part des revenus totaux. En résumé, les contrats de ventes sont très importants et sont l un des paramètres majeurs pouvant influencer la rentabilité d un projet de bioénergie. La deuxième partie, qui est d égale importance, sont les contrats d approvisionnement en biomasse, dans lesquels les prix de la biomasse sont fixés. De plus, de tels contrats régulent également les changements de prix dans le cas de déviations par rapport à certaines normes de qualité, des paramètres influençant l énergie biomasse. Les teneurs en eau et en cendre sont, dans ce cas, les principaux paramètres. Une évaluation approfondie du marché de la biomasse et des flux de biomasse disponibles, ainsi que de leurs caractéristiques respectives, est nécessaire avant la signature du contrat d approvisionnement afin de garantir la rentabilité du projet de bioénergie. Les paramètres d influence des coûts énumérés ci-dessous sont également importants pour la rentabilité du projet: Les coûts d investissement pour la construction et la réalisation du projet, avec la qualité technique et la fiabilité technologique requises afin d arriver à un nombre d heures de fonctionnement élevé; l une des clés de la réussite économique du projet, La disponibilité de personnel qualifié pour le fonctionnement et la maintenance de l installation (la biomasse étant un combustible livré tous les jours avec une qualité différente, il est important de disposer de personnel qualifié sachant comment gérer ce genre de combustible) Les conditions de financement du projet; ici, le niveau des taux d intérêt du prêt, le taux de retour sur les fonds propres prévu, la période de crédit et le nombre d années de remboursement des intérêts sont très importants Et finalement, le taux d imposition influence aussi la rentabilité du projet. Les paramètres mentionnés ci-dessus étant parmi les plus importants pour la réussite économique d un projet de bioénergie, il est nécessaire de les gérer le mieux possible afin de minimiser les risques économiques d un projet de bioénergie. Cela aide également à recevoir de bonnes conditions de financement de la part des institutions financières, si ces paramètres sont fixés à des conditions favorables. 90

Quelle sont les raisons du degré de pénétration des systèmes d énergie renouvelable (SER)? Pourquoi l électricité générée à partir de sources d énergie renouvelable joue-t-elle un rôle important sur le marché de l électricité dans certains pays, comme par exemple l Allemagne et l Espagne, et non dans d autres pays? Les deux principales raisons sont d ordre économique et réglementaire. La nature des marchés de l électricité mondiaux peut aller des marchés de l énergie contrôlés par l état, aux marchés ouverts totalement libéralisés dans lesquels chaque forme d électricité n existe que pour des raisons purement économiques et où règne généralement la préséance économique. Cela veut dire qu en fonction de la demande en électricité, une certaine quantité d électricité est nécessaire et l offre la moins chère des producteurs d électricité sera acceptée, permettant au producteur choisi de vendre son électricité générée. Le type d électricité issue de sources d énergie renouvelable ou fossile dépend fortement du parc de production des différents pays. Par exemple, le marché de l électricité d Europe Centrale est couplé et de grandes quantités d électricité proviennent de l énergie hydraulique, du charbon et de l énergie nucléaire, les prix étant relativement bas. À l inverse, dans d autres marchés comme les marchés les plus isolés de certains pays africains, les prix de l électricité sont plutôt élevés en raison de la nécessité d importer toutes les ressources. Avec les prix actuels pour des systèmes d énergie renouvelable comme le photovoltaïque ou les éoliennes, de tels systèmes peuvent déjà être installés dans ces pays tout en étant compétitifs. D autres pays comme la plupart des pays européens ont toujours besoin de mesures de soutien pour pouvoir rivaliser avec les combustibles fossiles. 91

Ce genre de mécanisme de soutien peut être par ex. des aides à l investissement, des crédits d impôt, etc. En plus des obstacles de nature économique, il existe souvent des barrières réglementaires qui gênent la pénétration du marché des SER. La plus commune est l accès nécessaire au réseau électrique afin de pouvoir y injecter l électricité générée. Bien qu il ne soit pas commun que des nouveaux producteurs d énergie indépendants (PEI) entrent ou soient autorisés à entrer dans le marché, de nouvelles règles sont nécessaires afin de surmonter ces barrières. Concernant tout particulièrement les projets de bioénergie, certaines règles supplémentaires sont essentielles notamment pour la périodicité d utilisation des flux de déchets ou encore la régulation nécessaire des résidus (cendres, digestat). 92

9 La biomasse 9.1 La biomasse solide - Matière première, Technologie, Opération C est quoi le développement d un projet? Qu est-ce que c est qu un projet dans le domaine de l énergie? Un projet est une solution technique qui fournit une option économique de fourniture d énergie. L énergie peut être l électricité, la chaleur, le froid ou autres formes plus spécifiques d énergie tels que l air pressurisé ou l éclair. Élaborer un tel projet, c est identifier la demande - le besoin spécifique d énergie, travailler sur l idée de conception technique, exposer plus en détail la planification, évaluer le projet d un point de vue économique, évaluer les risques de réalisation et d exploitation et, enfin, construire le système, le démarrer et le mettre en service. Un aspect très important d élaboration réussie d un projet est l évaluation continue et la mise à jour des paramètres du projet à des fins d évaluation continue des paramètres économiques et pour juger de la réussite de réalisation au fil des changements de paramètres. Après avoir traversé la phase de pré-évaluation technique et économique, l étape suivante la plus importante est de négocier les contrats les plus pertinents en vue de fixer les paramètres les plus importants. Il s agit des contrats suivants : approvisionnement en combustible et prix correspondants, fixation des prix de conversion de d énergie à partir de la chaleur, de l électricité, etc. ; des contrats de sécurisation du terrain devant abriter le système à ériger et le terrain nécessaire à la fourniture de l énergie à l acheteur. Une fois ces contrats arrêtés, le développement du projet peut se poursuivre par une planification plus détaillée qui va conduire à la 93

réalisation du projet après obtention de son financement. Une caractéristique distincte des projets de bioénergie est que le combustible est la biomasse. La biomasse s accompagne d une grande diversité de paramètres. Aucune biomasse n est la même [partout]. Il est donc fondamental de connaître les caractéristiques de la biomasse spécifique disponible. 9.2 La biomasse en énergie - Conversion technique En général, il existe deux formes principales de conversion de la teneur énergétique de la biomasse en une forme d énergie utilisable : 1) par un procédé biochimique et ; 2) par des procédés thermochimiques. Pour ce qui est du processus biochimique, le terme le plus courant est la digestion anaérobie qui aboutit à la production du biogaz, un des vecteurs bioénergétiques potentiels qui peut être utilisé comme source d énergie primaire. Les procédés de conversion thermochimique peuvent être divisés en différents sousgroupes, suivant la façon dont la quantité d oxygène est ajoutée au processus de conversion. Le procédé le plus connu est la combustion par lequel l excès d oxygène est fourni au processus de sorte que toute la matière organique de la biomasse peut être oxydée, et donc toute l énergie disponible peut être libérée. La gazéification, la liquéfaction et la pyrolyse sont d autres procédés de conversion thermochimique de la biomasse en vecteurs bioénergétiques. Mais ces procédés sont encore au stade pilote et ne sont donc pas considérés comme des technologies commercialement disponibles. Il y a plusieurs façons différentes de 94

générer des formes utilisables d énergie à partir de la biomasse, selon la provenance très diverse et les multiples propriétés énergétiques essentielles de la biomasse. La teneur en eau est la principale caractéristique qui détermine le procédé de conversion biochimique ou thermochimique appropriée à une biomasse. Plus humide est la biomasse - ce qui signifie que plus la teneur en eau est élevée, plus difficile sera de brûler la biomasse, à tel point qu elle sera plutôt digérée en anaérobiose. La biomasse sous forme sèche est plus adaptée à la combustion. La chaleur transportée comme flux de gaz chauds est toujours libérée lors de la combustion de la biomasse «sèche». La combustion a lieu généralement dans une chambre de combustion qui fait partie d une chaudière. Dans le procédé de combustion, la teneur en énergie de la biomasse (100%) est transformée en une forme utilisable d énergie (chaleur). Comme à chaque procédé technique, le procédé de combustion est également assorti d un rendement de conversion technique. Jusqu à 90% de la teneur en énergie de la biomasse peut être convertie en chaleur transportée par les gaz de combustion ; les 10% restants sont des pertes de chaleur qui sont émises dans l atmosphère. D autres pertes de chaleur se produisent lors de l échange de chaleur du cycle primaire (gaz de combustion) au cycle secondaire (eau ou vapeur) en vue de son transport au site de soutirage. À la fin, 82% à 88% de la teneur en énergie de la biomasse peut être convertie en une forme utilisable de chaleur. Tout comme la matière organique qui est brûlée, la biomasse contient également des matières non combustibles, principalement minérales. Suite au processus de 95

combustion, ces minéraux vont rester sous forme de cendres et doivent être enlevés. Selon le type de biomasse utilisée, la teneur en cendres peut varier considérablement - de 1% à 20% de la masse. Lorsqu elle est brûlée, la biomasse solide qui est généralement constituée de matières de bois ou de paille produit de la chaleur à des températures de l ordre de 700 C à 1 100 C. Cette chaleur peut être uniquement convertie en chaleur utilisable, mais elle peut aussi servir à produire de l électricité comme c est couramment le cas dans les centrales qui utilisent d autres types de combustible comme le charbon ou le gaz naturel. La chaleur transportée par le gaz combustible est échangée dans l évaporateur pour produire de la vapeur qui peut alors faire tourner une turbine à vapeur pour faire fonctionner un générateur produisant de l électricité. Une fois que la vapeur est répandue dans la turbine, la chaleur résiduelle peut être utilisée et fournie aux potentiels acheteurs de chaleur. Cette chaleur est généralement transportée via un réseau de chauffage sous forme de vapeur ou d eau chaude. De par ce processus de turbine à vapeur, le rendement typique de transformation de la biomasse en électricité est de 15% à 25%. 55% à 60% de la teneur en énergie de la biomasse peuvent être utilisés sous forme de chaleur, et les 20% à 25% de la fraction de chaleur restante sont alors perdus dans l atmosphère. Les cendres vont rester comme résidus, tel dans le procédé de 96

chauffage unique. Les quantités de résidus dépendent de la qualité du biocombustible. Moins la biomasse contient des débris ou de contamination comme la peinture, moins il y a de cendres. 9.3 La biomasse solide Le terme biomasse solide se réfère à tout type de matière organique qui a une teneur élevée en lignine, des hydrates de carbone à chaîne longue qui peuvent être brûlés ainsi qu une teneur en eau relativement faible. La plupart des différents types de biomasse solide proviennent de l activité agricole ou forestière sous différentes tailles et qualités. Un certain type de biomasse solide a déjà traversé sa première utilisation à d autres fins (comme cadres de fenêtre ou meubles, par exemple) avant d être utilisé comme un vecteur d énergie. Ces flux de biomasse solide sont appelés déchets de bois et, en fonction de leur origine, ils peuvent également être contaminés par la peinture, etc. La combustion de ce type de biomasse nécessite des systèmes plus sophistiqués d épuration des gaz de combustion afin de se conformer aux normes d émission. La biomasse solide sous forme de branches ou similaires est le plus ancien vecteur d énergie qui a été utilisé pour allumer tout simplement un feu, par exemple. Aujourd hui, les moyens techniques d utilisation plus efficiente de la biomasse solide ont également apporté quelques avancées dans l amélioration de la qualité de la biomasse solide. Aujourd hui, des formes typiques de biomasse solide à utiliser à des fins énergétiques sont les copeaux ou les granulés de bois. Les granulés de bois sont la biomasse solide la plus uniforme en cours de normalisation pour laquelle la taille, la teneur en cendres, en eau, etc. sont définies. Tout type de culture agricole de céréales produit également une grande variété de biomasse sous forme de paille qui peut être utilisée pour la combustion. 97

La teneur en énergie (pouvoir calorifique inférieur (PCI)) de la biomasse solide (par exemple du bois ou de la paille) dans son état sec (pas de teneur en eau) est de 18 MJ/kg = 5 kwh/kg environ. Comparée à d autres vecteurs d énergie fossile, elle est d environ 30% à 35% de moins que la houille (en fonction de la qualité du charbon), d environ 60% de moins que le mazout et d environ la moitié par rapport au gaz naturel. Pour ce qui est des autres vecteurs bioénergétiques à l état liquide et gazeux, le pouvoir calorifique inférieur des huiles végétales est égal à 35 MJ/ kg ; ce qui est égal à quelque 10% de moins que le gazole ou l huile combustible. Le PCI du biogaz de 20-22 MJ/ m3 est d environ 35% à 45% de moins que le gaz naturel de 36 MJ/ m3. En raison du plus faible pouvoir calorifique des vecteurs bioénergétiques, la densité d énergie est toujours inférieure à celle des combustibles fossiles, au point que le volume du combustible nécessaire à la production de la même quantité de chaleur ou d électricité à partir de vecteurs bioénergétiques est toujours plus grand. Cela veut également dire que les chambres de combustion sont généralement un peu plus grandes que celles des combustibles fossiles. Le granulé est la forme la plus dense de la biomasse solide. Il a également les meilleures propriétés de combustion en raison de sa faible teneur en eau et en cendres. Cependant, étant donné que la production des granulés implique des coûts, ils ne constituent pas la forme de biomasse solide la plus économique pour produire une forme d énergie utilisable. 98

À l état naturel, la biomasse solide n est jamais absolument sèche. En fonction de son origine, la teneur en eau de la biomasse tourne autour de 0 en poids -0% à 50% en poids -0%. Les types de biomasse solide très sèche sont par exemple des déchets de bois provenant de la déconstruction des habitations, en cours de dessèchement depuis des dizaines d années et contenant de l eau à une teneur d environ 0-5%, ou des granulés séchés thermiquement à des fins de conformité aux normes de qualité des granulés (teneur en eau <10%), ou certains types de biomasse solide exotique telles que des coques de la noix de palme dont la teneur en eau est d environ 0% et qui contiennent même quelques portions d huile de palme. Pourquoi la teneur en eau est-elle si importante? L eau ne peut pas être brûlée étant donné qu elle est déjà totalement oxydée, de sorte que pendant le processus de combustion, l eau est évaporée, et cela nécessite de l énergie qui est alors perdue pour être utilisée. Ainsi, plus sèche est la biomasse, plus élevée est la valeur de son pouvoir calorifique net ou plus basse est sa valeur de chauffage. Et plus sa densité d énergie est élevée, meilleures sont ses caractéristiques de combustion. La relation entre le pouvoir calorifique net et la teneur en eau est linéaire. Plus d eau il y a dans la biomasse, le plus faible est son pouvoir calorifique net. La plupart des systèmes de conversion de la biomasse en énergie brûlent la biomasse dont la teneur en eau de 10% à 45%. 99

Etant donné que la biomasse solide provient de différentes sources, les valeurs calorifiques varient selon l origine et le type d installation de provenance de la biomasse. La diapositive montre un tableau des valeurs calorifiques nettes de différents types de biomasse. À titre d exemple, la biomasse ligneuse peut provenir de différents types d arbres comme le bouleau, le pin et le chêne, et chaque type de bois se caractérise par ses différences légères quant à ses propriétés de combustion. L une des principales différences réside dans le paramètre «densité d énergie». Ainsi, il y a lieu de noter la quantité d énergie contenue dans une unité de volume de biomasse. Par exemple, avec 600 kg (m. h. = matières humides) par mètre cube, la densité en vrac des granulés est très élevée par rapport à la densité des copeaux de bois ou des bottes de paille, en ce sens que la densité d énergie des granulés est la plus élevée avec plus de 2.750 kwh/ m3 de matières humides. Les copeaux de bois dur ont une densité énergétique supérieure à celle des copeaux de bois tendre, avec 785-1. 094 kwh/ m3 de moins que la moitié de la densité d énergie des granulés. Pour ce qui est de la biomasse à paille, la densité apparente et donc la densité d énergie devient encore plus basse en dessous de 500 kwh/ m3 (m. h.). Un aspect à remarquer est la similarité du pouvoir calorifique net des types de biomasse solide considérés, allant de 5,1% à 5,5 kwh/ kg (matière sèche absolue = m. s.). 100

10 Introduction 10.1 Qualité de la biomasse - Types de qualité - Exemple 1 Chaque biomasse est différente dans ses paramètres de qualité dont les plus importants sont la teneur en eau, la taille, la teneur en cendres, l homogénéité, la quantité de particules fines et la quantité de polluants. L utilisation efficiente de la biomasse comme source d énergie et de combustible qui est brûlée dans des chambres de combustion dépend fortement de l homogénéité du combustible et de la technologie de la combustion appliquée pour brûler la biomasse et transférer, de la manière la plus efficace, la chaleur générée dans le milieu respectif. La meilleure technologie de combustion est celle qui permet d utiliser une grande variété de biomasse ayant des paramètres très différents. Avec ce type de technologie, il est possible d avoir une grande flexibilité dans l achat de différents types de biomasse et donc, ne pas être dépendant d un type très particulier de biomasse qui, en conséquence, conduit à devoir payer à des prix plus élevés. Cependant, l utilisation de cette technologie est fortement dépendante de la taille du projet de biomasse. À titre d exemple, dans les plus petites chaudières à biomasse généralement utilisées pour le chauffage uniquement, les centrales ont besoin d une meilleure qualité de biomasse, étant donné qu il y a moins de coût de personnel de mise en service et d entretien disponible, de même qu il y a moins de besoin d entretien lorsqu il est fait usage d un matériau de qualité meilleure. La diapositive montre les paramètres d une biomasse à haute qualité de paramètres qui est également assez coûteuse, comparée à d autres types de biomasse. La taille de ce type de copeaux de bois est très homogène et la 101

quantité de particules fines y est très faible. Il n a aucune contamination et provient de la couronne et de la tige d arbres fraîchement ébréchée. La teneur en cendres y est également très faible ; la cendre n a aucune valeur énergétique et contribue avec ses minéraux à la corrosion du matériau de la chaudière. Pour le bois frais, sa teneur en eau est normale. 102

10.2 Qualité de la biomasse - Types de qualité - Exemple 2 Souvent, les centrales de combustion de la biomasse dotées de chaudières plus grandes comme celles ayant une capacité de combustion de plus de 10 MW sont conçues de façon qu elles puissent brûler une plus grande variété de qualité de biomasse. Ce qui permet, par ailleurs, d acheter de la biomasse à meilleur marché et, en conséquence, d être en mesure d améliorer le profit économique de l opération. L ensemble de la chaîne logistique de la biomasse allant de son premier point d acceptation jusqu à la grille de la chaudière doit être techniquement conçu de sorte que les différents types de biomasse ayant une taille, une teneur en eau et une teneur en cendres différentes puissent y être traités. La conception des systèmes de convoyage est fortement dépendante de la taille de la biomasse. Il y a lieu de s assurer que les blocages de la voie de transport puissent être évités. Les différences de teneur en eau influent sur la taille de la grille et sur le processus de combustion dans la chaudière et, par conséquent, sur la façon dont la biomasse sera complètement brûlée. Cette diapositive présente une biomasse dont la qualité est nettement dégradée par rapport aux copeaux de bois propres indiqués dans la diapositive précédente. La biomasse provient également d arbres naturels, mais contient beaucoup plus d écorce et de contaminants ; ce qui fait que sa teneur est plus élevée. La taille est beaucoup plus grande et la teneur en eau peut être plus élevée, allant jusqu à 60%. En général, le pouvoir calorifique est nettement plus faible en raison de la cendre et de la teneur en eau plus élevées. En utilisant ce type de biomasse, le système de convoyage et la chaudière en prennent davantage, et la chaudière aura besoin d être bien entretenue et remplacée plus souvent. Cependant, comparé aux copeaux de bois plus propres de haute qualité, le matériau est beaucoup moins cher et donc, aide à améliorer les coûts généraux de l opération. 103

10.3 Coûts de la biomasse En principe, les coûts de la biomasse sont influencés par leur origine, la méthode de préparation requise et la qualité du matériau. De même, les prix de la biomasse sont également influencés par la distance entre leur provenance et leur lieu d utilisation, et par conséquent, par les coûts de transport et par la demande de la biomasse spécifique dans la zone de marché ou dans la région. La plus grande différence concernant l origine de la biomasse est de savoir s il s agit d un matériau émanant d un déchet ou qu elle est récoltée dans le but de générer un combustible. Les déchets de bois peuvent provenir de diverses sources telles que les déconstructions de bâtiments (comme déchets de bois contaminés) ou de l entretien des jardins publics (comme les coupes d arbre et les boutures d arbustes) ou ce que l on appelle le bois affaibli (comme le matériau de couronne ou les plus petites branches), un sous-produit obtenu de la récolte du bois. En général, ces fractions de déchets de bois peuvent être obtenues à des prix plus bas qui, cependant, dépendent également de la demande du marché. Par exemple, en raison de la construction en Allemagne de nombreuses centrales de plus grande puissance alimentées à la biomasse, la demande sur les déchets de bois - contaminés ou non contaminés - a considérablement augmenté, à tel point que les prix ont également augmenté. Pour ce qui est de l origine, le matériau le plus cher est le taillis à courte rotation, une biomasse qui est spécifiquement cultivée dans le but de générer un biocombustible. Le coût de la biomasse dépendra de la façon dont le matériau est prélevé ou récolté et du nombre de fois qu il doit être traité. 104

Par exemple, la biomasse qui provient de mesures publiques d entretien écologique est généralement coupée sur site, puis transportée en petites quantités à l utilisateur et, donc un peu moins chère que les déblais provenant des activités d exploitation forestière d où les fractions de bois les plus petites sont généralement laissées à l endroit où les arbres sont abattues et plusieurs activités sont nécessaires pour préparer ces très petites fractions de bois en combustible. Le graphique ci-dessus compare, en euros et par pouvoir calorifique de la mégawatheure, l évolution des prix des différents combustibles utilisés à des fins de chauffage. L évolution des prix montre des différences significatives au cours des ces dernières années - de 2011 à 2014. Les prix du mazout ont augmenté de façon continue à partir de 2009 jusqu en 2012, alors que les prix du gaz naturel ont affiché une légère hausse au cours de ces années. Ces dernières années (2013/2014), les prix du carburant ont chuté à leur niveau de 2011. Il n y a pas eu de changement drastique des prix, même si la situation politique incertaine de la Russie aurai t pu avoir une influence plus forte sur les prix du gaz en Europe. L une des raisons peutêtre une offre excédentaire de gaz naturel provenant d autres sources européennes, mais aussi la fourniture sur le marché européen de nouveaux produits comme le gaz naturel liquéfié (GNL) qui est un sous-produit d extraction du fioul/ pétrole par exemple, en provenance des champs de pétrole du Proche et du Moyen-Orient. En revanche, les prix des deux différents combustibles organiques - les copeaux de bois et les granulés - affichent une évolution des prix plutôt stable ; ce qui implique des risques de prix plus 105

bas des combustibles organiques par rapport aux combustibles fossiles. Le graphique montre également que le niveau absolu des prix des biocarburants est beaucoup plus faible que celui des combustibles fossiles. Les copeaux de bois sont le type de combustible le moins cher qui coûte moins que la moitié du prix du gaz naturel et beaucoup moins que le mazout. Cependant, le prix du combustible n est qu un facteur qui influe sur la réussite économique globale d un projet énergétique. L autre facteur très important est le coût de l investissement nécessaire à l achat et à la construction d un système de chauffage. Et ces coûts sont beaucoup plus élevés pour les installations de chauffage à la biomasse que celles consacrées au gaz naturel ou les chaudières à mazout, à tel point qu en fin de compte, les coûts globaux de la mégawatheure de chaleur générée doivent être comparés à un calcul du coût total. Toutefois, les prix ci-dessus indiqués montrent que le chauffage à la biomasse peut aujourd hui rivaliser avec le chauffage au mazout. Le chauffage au gaz est plus économique. Un autre aspect à mentionner est que la biomasse est un combustible régional qui n est pas transporté à de très longues distances. Par conséquent, les prix des biocombustibles fixés au prix du marché allemand peuvent varier d une région à l autre et selon la qualité, et ce, beaucoup plus que les prix des combustibles fossiles. 106

10.4 Matières premières de biomasse la paille La paille est une autre ressource de biomasse à mentionner. La paille est un sous-produit agricole qui provient de la production du blé, du maïs ou même du riz. Le fait qu il soit un sous-produit signifie qu il n est pas nécessaire de convertir les terres arables additionnelles pour développer cette biomasse. Après le bois, la paille offre le deuxième plus grand potentiel de toute la biomasse à convertir en énergie renouvelable. En Allemagne, il y a chaque année jusqu à 30 millions de tonnes de paille disponibles dont 8 à quelque 13 millions de tonnes sont déjà utilisées d une autre manière. En général, la paille a un énorme potentiel de ressource d énergie bio. Cependant, pour des raisons de durabilité et pour garder les sols fertiles, il est important de garder certaines quantités de paille sur les champs, étant donné qu elle est le plus important substrat de reconstitution de la couche arable. Si la paille est complètement collectée et brûlée à des fins énergétiques, le sol ne pourra se reconstituer et de plus grandes quantités d engrais seront nécessaires ; ce qui, en conséquence, entraîne une augmentation des coûts. Il existe plusieurs grandes différences entre le bois et la paille qui, elle, fait l objet d un processus de récolte décrite à la diapositive ci-dessus. La moissonneuse-batteuse est le principal outil utilisé pour la récolte des graines. La moissonneuse sépare les graines de la paille. La séparation de la paille des graines présente un avantage dans le transport, car les graines ont un poids spécifique beaucoup plus élevée de l ordre de 500 à 800 kg par m3 par rapport à la paille. Aussi, les infestations de rongeurs sont beaucoup plus fréquentes lorsque la plante est stockée en entier. Les graines sont transportées pour être stockées et commercialisées. Dans le 107

champ, la paille reste sous forme d andains et doit être collectée et pressée sous forme de balles à l aide d un faucheur d andains et d une presse. Aujourd hui, la plupart des batteuses collectent les graines et la paille en une seule opération, de sorte qu il n y ait pas une seconde manipulation additionnelle de la paille nécessaire. Les andains peuvent également être coupés en paillettes en lieu et place de les presser en balles. La paillette sera ensuite récoltée et stockée pour une utilisation ultérieure. À la récolte, le grain est séparé de la paille. Afin d améliorer les propriétés de combustion de la paille, il est bon de laisser la paille sur les champs au lieu de l amener directement au stockage. L eau de pluie va pénétrer dans les balles et réduire ainsi la teneur en chlore. Le chlore augmente la corrosivité de la paille comme combustible et comme un minéral et améliore également le bouillonnage sur les tubes de l évaporateur. Par conséquent, il est recommandé de laisser la paille se laver par la pluie. En plus de la teneur élevée en chlore dans la paille qui produit de l acide chlorhydrique hautement corrosive, les émissions de fumées d oxydes d azote et de soufre sont plus élevées par rapport à la combustion du bois. Par rapport au bois, la forme constitue une autre grande différence qui fait de la paille un combustible. Pour ce qui est de leur taille volumétrique et de leur type de livraison, les balles nécessitent une technologie de manutention, de passage et de transport complètement différente. Les chaudières de même que le procédé de combustion utilisés sont également différents. Sur le site de la centrale bioénergétique, les balles doivent être broyées et les pièces de fixation métalliques doivent être séparées de la paille. Aujourd hui, la technologie est aussi bien développée que la technologie de la biomasse 108

ligneuse, de sorte que juste après réception des balles, elles sont [aussitôt] broyées et automatiquement transmises à la chambre de combustion. Selon la taille de la centrale, il existe également sur le marché des chaudières qui peuvent brûler des balles entières et économiser l étape de déchiquetage sur place. Elles sont appelées brûleurs à cigares car les balles sont déplacées et pressées directement dans la chambre de combustion. La plus grande expérience mondiale de combustion de la paille a lieu au Danemark et en Autriche où la paille est utilisée pour le chauffage des petites, moyennes et grandes centrales de chauffage et de cogénération. Dans ces pays, la paille est même parallèlement utilisée comme combustible dans les centrales électriques alimentées au charbon ; ce qui montre que la technologie est éprouvée et fiable. D autres pays comme la Thaïlande ou l Inde font usage de la paille de riz dans les centrales électriques. Une fois que la paille est récoltée, les balles sont ramassées au champ à l aide d un chargeur tracteur frontal et transportées par des camions plus petits à leur lieu de stockage intermédiaire d où elles sont enlevées pour être livrées à la destination finale d utilisation par des camions plus gros. Trois à quatre balles peuvent être facilement stockées les unes sur les autres. Pour des raisons de fertilité et d aération, il est recommandé de laisser quelque 30% de la paille sur les champs. Les 70% restants sont habituellement vendus. L un des principaux acheteurs de paille sont les fermes d élevage de chevaux er les centres d équitation. La paille sert également de fourrage pour les animaux, mais aussi des quantités importantes de paille vont aux producteurs de matériaux isolants. Comme la paille en balles ne contient que peu d eau, elle est un tout aussi bon combustible que le bois. Cependant, par rapport aux copeaux de bois, la densité d énergie est au moins dix fois inférieure. Ce qui requiert un plus grand nombre de transport pour la même 109

quantité d énergie ainsi que des installations de stockage plus grandes. Le faible contenu énergétique des tiges et les besoins en combustibles homogènes ont poussé au développement de nouvelles technologies de récolte. Une des approches était d intégrer toutes les étapes de traitement nécessaires dans une machine de compactage automoteur afin de presser, directement sur site, les tiges en granulés. À l entrée de la centrale de chauffage ou électrique, la paille doit passer un contrôle de qualité et être également reconnue comme un biocombustible ligneuse. Les paramètres suivants qui influent sur la combustion et déterminent le prix de la paille sont généralement vérifiés : teneur en eau, composition de la paille et existence de la moule. En raison de la demande et de la quantité disponible qui sont variables, les prix de la paille varient considérablement au fil du temps et selon la région. 10.5 Conclusions Pour tirer pleinement profit du potentiel de la bioénergie, il est très important de garder à l esprit qu il n y a pas une solution ou technologie globale qui soit disponible. Au contraire, la diversité des biomasses disponibles permet une approche spécifique à chaque matière première nécessaire. La biomasse disponible doit être examinée à fond, et le résultat de cette évaluation de la charge d alimentation va donner des indices importants dans les étapes suivantes de développement du projet. Les principaux paramètres de qualité qui doivent être évalués dans le cadre de l évaluation de la charge d alimentation sont entre autres, sa teneur spécifique en eau, en cendres, sa forme et sa taille, sa composition chimique ainsi que la 110

température de fusion des cendres. Cette évaluation n est pas uniquement importante au début du projet, mais elle doit être suivie en permanence pendant l opération, car seul l apport spécifié pourra garantir la production attendue. La teneur en eau par tonne de matière fraîche ne va pas non seulement donner une indication sur le Pouvoir calorifique inférieur et le contenu énergétique, mais elle va également indiquer les distances à parcourir pour se procurer de la biomasse à des coûts de transport économiques. Une autre différence de la paille par rapport à la biomasse ligneuse est la température de fusion inférieure de la cendre de paille (environ 900 C par rapport aux 1300 C pour le bois). Ces températures de fusion inférieures de la cendre nécessitent des grilles d air refroidi dans les chambres de combustion de la chaudière afin d éviter le colmatage des grilles par les scories. De plus, les prix peuvent être très volatiles. À titre d exemple, les coûts de la paille après récolte sont plus faibles qu ils le sont après l hiver. Et dans certaines régions, la paille est utilisée pour différentes applications ; ce qui augmente les prix à un niveau non- économique pour son utilisation comme combustible de production d énergie. 111

11 Technologie de conversion de la biomasse en énergie 11.1 Systèmes de combustion de la biomasse Les types de chaudières à biomasse les plus courantes sont les chaudières à billes de bois, les fours à granulés, les chaudières à copeaux de bois et les grandes chaudières à biomasse. Le type de chaudière sera différent selon le type de biomasse utilisée et ses caractéristiques. La gamme de biomasse comprend toutes les formes de bois existantes : la biomasse sous forme de bûches, des bûches coupées sous forme de copeaux et des sciures de bois collées ensemble pour former des granulés. Comme chaque type de biomasse est différent en taille, en forme et en teneur énergétique. La technologie varie particulièrement selon la méthode d alimentation de la biomasse dans la chaudière et en fonction de la taille de la chambre de combustion. De plus, pour les grandes chaudières, il existe différentes technologies de chambres de combustion telle que la technologie de chauffe à grille, du lit fluidisé ou du lit fluidisé circulant (LFC). Alors que les trois technologies ci-dessus peuvent encore être considérées comme des applications domestiques, les grandes chaudières à biomasse se trouvent principalement dans des installations centralisées ou sont utilisées dans des applications commerciales et industrielles. Sauf pour le brûleur de campêche utilisé dans les applications domestiques, l alimentation de la biomasse dans la chambre de combustion se fait automatiquement. Les copeaux ou les granulés de bois sont mécaniquement déplacés à l aide d une sorte de système de transport tels que les vis transporteuses, les pistons ou les grilles mobiles et mécaniquement alimentés dans les 112

chaudières à biomasse. Le brûleur de bois de campêche doit être alimenté à la main. Un type particulier de système de combustion est la gazéification du bois de campêche. En fait, la gazéification n est pas tout à fait un procédé de combustion, étant donné que la quantité d air (oxygène) est contrôlée de sorte qu une quantité d oxygène inférieure à celle nécessaire pour oxyder les atomes de carbone est ajoutée au processus thermique d un gaz qu un produit à base de bois est généré et brûlé dans la même chambre. De tels systèmes sont principalement appliqués dans les ménages. 11.2 Exemples La diapositive ci-dessus montre un exemple typique d une demande de chaudière à biomasse alimentée au bois déchiqueté. La chaudière fournit de la chaleur à trois écoles dans une petite province de l ouest de l Allemagne via un réseau de chauffage urbain. Elle est située dans une des écoles et remplace le gaz naturel comme combustible, offrant ainsi une chaleur durable aux écoles. Le réseau de chauffage du district s inscrit dans une stratégie du conseil régional pour améliorer la durabilité de l approvisionnement en chaleur des bâtiments publics. Dans la même région, deux autres chaudières à bois déchiqueté de taille semblable sont raccordées à des réseaux de chauffage urbain. La capacité de cette chaudière est de 700 kilowatts thermiques. Elle fournit la plus importante partie de la demande totale de chaleur des écoles. Ce n est qu en hiver qu il y a un besoin de chaleur additionnelle à générer par la charge maximale de la chaudière alimentée au gaz naturel. En plus de la chaudière, il y a également une accumulation de chaleur qui permet 113

au système de satisfaire un peu plus la demande de chaleur des écoles pendant les périodes de transition à l hiver, au printemps et à l automne. Le système a été planifié et construit en 2010 et 2011 et depuis lors, il fonctionne sans problème. Il est opéré par le concierge de l école et entretenu professionnellement par le fabricant de la chaudière. Les copeaux de bois proviennent localement du service régional de gestion des forêts. Les tâches quotidiennes se limitent principalement au contrôle des paramètres opérationnels, à s occuper de l évacuation des cendres et à passer la commande d une nouvelle biomasse lorsque nécessaire. Chaque année, la centrale de cogénération Hambourg-Lohbrügge fournit environ 60 GWh de chaleur au réseau local de chauffage du district et environ 15 GWh d énergie électrique à l opérateur du réseau d électricité. Elle est alimentée par des fractions de bois naturel obtenues auprès de quatre principaux fournisseurs de biomasse de la région. Le bois est livré jusqu à dix fois par jour, et la charge de chaque camion est évaluée au hasard en vue de s assurer des caractéristiques attendues de la matière première. La grue place le bois dans le bunker principal. Le système de contrôle de la grue mémorise la composition de chaque charge et l endroit du bunker principal où la charge a été déchargée. Cette configuration permet à la grue de concevoir automatiquement un mélange parfait de combustibles pour la chaudière, afin que les différentes charges à différentes spécifications puissent être mélangées en un combustible homogène. Ce mélange de combustibles est ensuite placé dans un système mobile de la caisse qui l achemine à la chambre de combustion pour y être brûlé. Pour la production d électricité, un cycle de Rankine organique 114

(ORC) est appliqué pour faire fonctionner la centrale à haute efficacité électrique. Dans le cycle de la turbine, l ORC applique une huile synthétique en lieu et place de l eau ou de la vapeur, et une huile thermique est utilisée pour faciliter le transfert de la chaleur. L huile thermique et son inflammabilité ont été la cause de certains accidents dans les centrales ORC. Cependant, les facteurs économiques des centrales ORC sont plutôt favorables, par opposition aux centrales thermiques à vapeur, et les risques peuvent être minimisés au moyen d une opération et d un contrôle minutieux. Ce processus ORC peut être commandé à distance pendant 72 h d affilée, au point que moins de personnel est nécessaire pour exécuter une telle centrale, comparée aux centrales électriques à vapeur conventionnelles. Le personnel n est constitué que de quatre hommes seulement qui font fonctionner la centrale en continu et sont également en mesure de surveiller et contrôler l installation à distance. 115

11.3 Concept technique- Paramètres à définir Les premières étapes d élaboration des projets de bioénergie sont la détermination des paramètres les plus importants. Les questions suivantes doivent être répondues afin de parvenir au premier avis sur la faisabilité du projet : 116 1. Quelle est la demande d énergie? Quelle quantité de chaleur et/ou d électricité a-t-on besoin? 2. Quelle quantité de biomasse faudrait-il pour satisfaire la demande? Quelle est la quantité disponible? 3. À quelle qualité? Et à quel prix? 4. 3. Quel type de technologie serait nécessaire pour l application spécifique et la biomasse disponible? 5. Est-elle disponible? 6. 4. Y a-t-il suffisamment de terrains pour la construction de la centrale? 7. 5. Quelles sont les conditions de délivrance des permis? 8. Peuvent-ils être en adéquation avec la technologie sélectionnée? Les réponses à toutes ces questions s influencent mutuellement ; ce qui signifie que c est un processus itératif que de déterminer les paramètres. Comme pour tout autre projet de bioénergie, la fourniture de la biomasse doit être fortement prise en considération. Les contrats à long terme avec plusieurs fournisseurs

sont nécessaires afin de s assurer que le combustible est disponible à des coûts prévus sur toute la durée de vie du projet. Le deuxième et non moins important point est le dimensionnement approprié de la centrale avec l aide des bilans énergétiques et des graphiques sur la durée. La détermination de la taille appropriée à une demande donnée est une étape importante qui permet d assurer un nombre élevé d heures d exploitation. La disponibilité locale et son coût associé vont déterminer la ressource de biomasse à utiliser. Cette détermination va permettra de procéder au développement du concept technique à l étape suivante d où le choix de la technologie appropriée à la biomasse choisie devra provenir. Pour ce qui est du choix du site, certaines caractéristiques spécifiques de la biomasse doivent être prises en considération. Le site doit être facilement accessible pour les gros camions. Dans la plupart des cas, la taille du lieu de stockage de la biomasse est tributaire de la disponibilité des terres. Contrairement à la centrale à biomasse Hamburg-Lohbrügge, la centrale de cogénération Neustrelitz situé à l est de l Allemagne, à quelque 100 km au nord de Berlin, applique un cycle conventionnel à vapeur pour générer la chaleur et l électricité. L entreprise locale d énergie Stadtwerke Neustrelitz a développé ce projet et exploite la centrale depuis 2006. Chaque année, elle génère environ 45 GWh/a d électricité et fonctionne à pleine charge sur quelque 6 000 heures par an et fournit environ 63 GWh/a de chaleur qui est injectée au réseau local de chauffage urbain. La capacité de la centrale est de 7,5 MWel et 17 MWth. La centrale utilise comme combustible les boutures provenant des activités d exploitation forestière et les coupes d arbres et d arbustes sous formes de copeaux de bois. Le coût d investissement total de la centrale était de 17,6 Mio., qui a été partiellement cofinancé par le Fonds de développement régional de l Union 117

européenne et le Land de Mecklembourg-Poméranie occidentale. En remplaçant les combustibles fossiles par la biomasse qui est neutre en émissions de carbone, l exploitation de cette centrale électrique permet d économiser quelque 14 600 t/ a de CO2. Les principaux moteurs de développement de ce projet et d exploitation de la centrale électrique ont été la hausse du prix du pétrole et du gaz au cours de cette période. L objectif de la Stadtwerke Neustrelitz est de fournir aux citoyens de Neustrelitz de la chaleur durable à des prix d énergie stables. Contrairement à la centrale Hambourg-Lohbrügge, on peut voir sur la diapositive ci-dessus que de grandes quantités de copeaux de bois sont entreposées à l extérieur. Seule la quantité de biomasse pour quelques jours est stockée à l intérieur. De cette manière, l opérateur a une meilleure possibilité d acheter de la biomasse lorsque les prix sont plus bas, et la livraison à temps n est pas aussi importante qu elle l est à Hambourg où il y a une salle de stockage d une capacité de quatre jours seulement. 11.4 Les contrats importants - le combustible Les contrats de fourniture du combustible sont très importants, étant donné que la biomasse est le combustible nécessaire aux projets de bioénergie et est, en général, la principale composante des coûts d exploitation. Idéalement, les contrats d approvisionnement en biomasse sont conclus sur une période de dix ans et plus afin de fixer le prix de la biomasse au cours de cette période. Cela aide à réduire les risques d approvisionnement et d être en mesure d évaluer les facteurs économiques d un projet de bioénergie. La fixation des prix est souvent exigée par les banques lorsqu un projet fait une demande de crédits. Les 118

principaux paramètres qui sont réglementés dans les contrats d approvisionnement en biomasse sont les quantités de biomasse et leurs paramètres respectifs de qualité (taille, teneur en eau et en cendres, valeur énergétique, origine de la biomasse, etc.) ainsi que le prix et son écart en cas de non correspondance des paramètres de qualité. Cela requiert que des mesures de contrôle de qualité de la biomasse (quand et comment?) soient également définies dans le contrat. Les conditions de livraison (combien de camions par jour? Quel type de camions?, etc.) sont également définies d un commun accord. Outre le prix-qualitéécart, les paramètres d évolution des prix sont définis. Par exemple, le prix peut être couplé à l indice des prix du bois ou du combustible fossile qui a été remplacé, ou à certains indices plus généraux basés sur l inflation. Souvent, l approvisionnement en biomasse est combiné avec la prise de contrôle des déchets et donc, des cendres; ce qui signifie que le fournisseur de biomasse est également chargé de l élimination descendres. Quant à l élimination des cendres, les règlements sur l élimination des déchets ont défini que la structure en charge de l enlèvement/ élimination doit s y conformer. 119

12 Biomasse solide 12.1 Solution low-tech : efficience des fourneaux à biomasse Dans de nombreux pays en développement du monde, la demande d énergie pour des applications domestiques comme la cuisson est jusqu ici assurée par le bois. Cette situation a une forte influence négative sur la déforestation car elle est responsable de la perte de biodiversité d un nombre important de zones. En outre, la charge de travail pour la collecte du bois (principalement par les femmes) et la lourde charge de la cuisson et de la fumée des feux à l air libre sur leur état de santé sont des questions qui doivent être abordées car elles ont un effet négatif sur la société de ces pays. Pour augmenter le niveau de vie des personnes vivant dans les zones rurales loin de la plupart des infrastructures, un fourneau à biomasse efficace a été conçu pour brûler efficacement moins de bois avec moins d émission à la maison ; ce qui réduit les risques de maladies respiratoires. Cette conception du fourneau initialement appelé fourfusée est une solution low-tech facilement applicables pour améliorer la durabilité et la qualité des vies au niveau communautaire. Ce fourneau est constitué d une chambre de combustion, d une cheminée et - très important - une alimentation en air secondaire qui permet de brûler le bois presque complètement à des températures élevées. La conception du four-fusée a été inventée par le Dr Larry Winiarski de Aprovecho, une organisation à but non-lucratif qui travaille sur le développement de la permaculture et des énergies renouvelables et qui a reçu des prix pour son adaptation à la cuisine institutionnelle en Afrique. Si le fourneau est équipé d un échangeur de chaleur, il peut également être utilisé dans les chambres et pour le 120

chauffage de l eau nécessaire à la satisfaction de la plupart des besoins en énergie au sein d un ménage rural. 12.2 Biomasse solide Comme le montre le graphique, la part d utilisation traditionnelle de la biomasse pour la cuisson est énorme dans les pays en développement. Cela affecte la santé humaine et exerce une pression sur l environnement déjà éprouvé dans ces pays. La collecte du bois a entraîné la disparition de nombreuses forêts et est entrain de menacer même les zones intactes restantes. Habituellement, le recul du couvert forestier conduit à un processus de déforestation et de dégradation des sols ; ce qui abaisse le niveau de vie des populations vivant dans les zones affectées et détériore la productivité de l agriculture. Ce n est qu en Inde seulement que plus de 80% des 800 millions d indiens utilisent le bois de manière traditionnelle pour la cuisson. La zone du Sahel est un autre exemple de région où le recul du couvert forestier et des gommages utilisés comme bois de chauffage a conduit, entre autres facteurs, à une croissance désertique. Avec la forêt qui a disparu, la protection des sols contre les vents et les fortes pluies est alors perdue. Lorsqu il n y a plus de couvert, les rayons du soleil cuit le sol en un quasi-ciment telle la texture qui empêche l eau de s infiltrer. Cet effet augmente également le risque de crues soudaines et l érosion des 121

terres jusqu ici arables. Pour assurer la protection des forêts qui est importante pour le climat mondial, ainsi que pour la fertilité des sols au niveau local et dans le cadre de la lutte contre l érosion croissante, il est nécessaire de répondre à la demande d énergie au moyen d une technologie durable. Dans le cas des personnes pauvres vivant dans des zones reculées, seule une approche à faible coût comme le four-fusée ci-dessus mentionné est applicable. 12.3 Combustion de la biomasse les turbines à vapeur Au même titre que tout autre combustible comme le charbon ou le lignite, la biomasse peut être brûlée dans une chaudière et produire de la vapeur qui fait fonctionner une turbine à vapeur, comme on peut le voir dans les centrales électriques conventionnelles. La biomasse est introduite dans la chambre de combustion où le rayonnement et les gaz chauds provenant de la combustion transfèrent la chaleur produite à un fluide de cycle de la turbine à vapeur de production d eau des centrales conventionnelles. La vapeur à haute pression est par la suite détendue sur les pales d une turbine à vapeur jusqu à ce qu elle se libère dans un condenseur. L expansion fait tourner la turbine qui fait fonctionner la génératrice pour produire de l électricité. Le condenseur crée une basse pression en rejetant la chaleur latente du changement de phase de la vapeur à basse-pression qu il fait revenir à la phase liquide. Le fluide est mis sous pression par une pompe et pénètre dans la chambre de combustion pour être chauffée de nouveau et ainsi de suite. Comme nous l avons précédemment vu dans les études de cas, et notamment dans le cas de 122

la centrale électrique alimentée au bois à Neustrelitz par exemple, l utilisation de la biomasse avec un cycle de turbine à vapeur conventionnel est une technologie éprouvée. Les principales différences par rapport aux centrales conventionnelles alimentées par les combustibles fossiles tels que le charbon se rapportent à la taille des centrales et aux propriétés du combustible. Les centrales électriques de plus petite taille produisent généralement de la vapeur à une pression inférieure. Les températures de combustion moins élevées sont causées par les différentes caractéristiques de combustion de la biomasse utilisée. Les centrales à biomasse alimentées au bois ne peuvent pas obtenir les conditions de combustion de plus 600 C qui s appliquent aux centrales électriques modernes alimentées au charbon. Mais même avec un rendement global inférieur, la combustion d une source d énergie renouvelable ayant des caractéristiques climatiques neutres est non seulement plus écologique mais aussi très intéressante d un point de vue purement économique. 123

Depuis 2009, la société allemande de production d énergie régionale Stadtwerke Leipzig exploite l une des plus grandes centrales alimentées à la biomasse de Piesteritz/ Wittenberg, Allemagne. La centrale a une capacité électrique de 19,3 MW générant 157 GWh d électricité par an et 115 000 tonnes de vapeur par an. La vapeur est fournie à l industrie chimique située aux alentours de la centrale électrique. L énergie produite est égale à la demande en énergie de 60 000 ménages. Les coûts d investissement de la centrale électrique ont totalisé 56,9 Mio. d euros. L électricité est injectée dans le réseau de transmission 110 kv de l exploitant du réseau Mitnetz Strom. Stadtwerke Leipzig est l un des exploitants de centrales de cogénération à la biomasse les plus expérimentés en Allemagne. Le biocombustible provient des résidus de l exploitation forestière et de tout le bois rond récolté dans la forêt de la région. Environ 140 000 mètres cubes de bois sont nécessaires pour générer la quantité d électricité et de vapeur mentionnée ci-dessous. Du point de vue technique, la centrale est exploitée suivant une charge de base et, avec 8 000 heures par an, elle a une disponibilité de plus de 90%. Le processus de cogénération est efficacement optimisé, y compris un préchauffage multi-étape de l air de combustion. Le cycle de vapeur comprend deux turbines, une turbine d extraction basse pression et une turbine à contre-pression élevée. La chaudière est une technologie à lit fluidisé circulant d une capacité de 55,6 MJ/s qui produit 60 t/h de vapeur à haute pression à 130 bars à 535 C. Le condenseur fonctionne à 0,09 bars à température ambiante de 20 C. En mode électricité (condensation) uniquement, le procédé peut générer 20 MWel avec une efficacité de conversion 124

du combustible en électricité de 36,2% et, en mode extraction, les 19,3 MWel ci-dessus mentionnés génèrent une efficacité de conversion du combustible en électricité de 32,3 %. 15 tonnes de vapeur par heure à une pression de 3,5 bars et une température de 180 C sont extraites du procédé de vaporisation et sont livrés aux clients. Y compris l extraction de la vapeur, les cycles d énergie atteignent un rendement global de conversion du combustible en énergie utilisable de 50 %. La centrale électrique était autorisée selon la stricte loi allemande sur la limitation des nuisances (BImschG) et son 13ème décret BImschV. Les gaz d échappement sont nettoyés par un géotextile à quatre chambres. La centrale est exploitée par un personnel de 22 employés. Cette centrale de cogénération particulière est une excellente vitrine de meilleures pratiques puisqu elle a un rendement élevé et utilise une grande quantité de son potentiel de cogénération qui lui permet également d exploiter les coûts de façon efficiente, contrairement aux nombreuses autres centrales à biomasse en Allemagne qui fonctionnent comme des centrales de production d électricité uniquement et qui ne sont pas à mesure de tirer profit du revenu potentiel de ventes de chaleur. 12.4 Gazéification/ Pyrolyse de la biomasse La pyrolyse et la gazéification sont des procédés thermochimiques qui décomposent les matières organiques à des températures élevées et dans des conditions de disponibilité d oxygène limitée. La rareté de l oxygène est également la principale différence du procédé de combustion. Contrairement à la combustion standard, la pyrolyse est également un procédé endothermique qui nécessite l apport 125

d énergie pour se poursuivre. Cet apport d énergie peut être fournie par combustion partielle du substrat avec injection d air, par exemple; ce qui génère des produits de mauvaise qualité. Un autre moyen de fournir de l énergie est de procéder directement au tournoiement des gaz chauds ou des solides de façon indirecte via un échangeur de chaleur. La principale caractéristique distinctive du procédé de pyrolyse est la disponibilité de la quantité exacte d oxygène nécessaire pour oxyder tous les atomes de carbone du combustible. Cependant, puisqu il s agit d une valeur théorique, la combustion n est pas totalement effective, mais qu il est produit de l huile pyrolytique qui peut servir de combustible liquide. Le procédé de gazéification se caractérise par une quantité encore plus faible d oxygène qui est injectée dans la chambre de gazéification menant à la décomposition du combustible et une production d un gaz combustible. Ce gaz combustible peut également être brûlé pour produire de la chaleur ou de l électricité. Toutefois, le gaz combustible est souvent contaminé par des goudrons et des composants chimiques similaires qui compliquent son utilisation. La plupart des matières organiques y compris les déchets industriels peuvent servir de combustible à la pyrolyse ou à la gazéification. La pyrolyse est aussi fréquemment appliquée comme une forme de traitement thermique qui réduit le volume des déchets tout en utilisant toujours son contenu énergétique. 126

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