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BTS Biogas   //   Le biogaz

Qu'est-ce que le biogaz?

Énergie renouvelable à partir de déchets


Le biogaz est issu du traitement des effluents de l'élevage (déjections, fumier et aliments non consommés), de la production alimentaire (déchets de fruits et de légumes, résidus de viande, de poisson et de produits laitiers, déchets de brasserie, déchets alimentaires et bien plus encore) et des eaux usées provenant d'installations de traitement industrielles et municipales. En construisant des unités de méthanisation, l'agriculture contribue de manière importante à la fourniture d'énergie à partir de ressources renouvelables ainsi qu'à l'élimination des déchets organiques. Les digestats sont des sous-produits de la production du biogaz, et peuvent à leur tour être utilisés comme engrais de haute qualité.

La Loi sur le recyclage et la gestion des déchets est parfaitement mise en application à travers la construction d’unités de méthanisation en milieu rural, dans une perspective économique et environnementale.


Composition


Le biogaz est produit par la digestion anaérobie de matières organiques dans un fermenteur hermétique. Ce fermenteur transforme les matières organiques en biogaz, en faisant agir des bactéries selon un processus biologique complexe à une température comprise approximativement entre 38 et 55 degrés Celsius. Plus de la moitié du gaz obtenu est du méthane (CH4) ; le reste est du dioxyde de carbone (CO2). Une installation de cogénération transforme le méthane en électricité et chaleur. Le biogaz est totalement écologique et neutre en CO2. Le processus de production génère uniquement la quantité de CO2 précédemment absorbée par les plantes au cours de la photosynthèse. Il s'agit du cycle écologique naturel du carbone.

Le besoin en biogaz


Le biogaz est connu depuis plusieurs centaines d'années. Le méthane a été découvert dans les gaz des marais vers 1750. Les premiers procédés de fermentation en continu datent d’après 1900. Au début des années 1970, le biogaz devint à nouveau intéressant en Europe en raison de la forte augmentation des coûts de l'énergie (crise pétrolière). Depuis 1980, l'importance croissante de l'écologie et la sensibilisation de la population aux questions d'environnements ont donné un nouvel élan au biogaz.

Le biogaz, issue de la fermentation de déchets organiques, apporte une solution aux problèmes environnementaux:

  • Réduction des gaz à effet de serre
  • Preservation de la couche d'ozone
  • Diminution de la dépendance vis à vis de l'énergie nucléaire
  • Subsititution aux carburants fossiles traditionnels

Procédés de développement

Types de procédé fermentation

Fermentation aérobie: 

avec apport d'air ou d'oxygène
→ (produits finis: CO2 et H2O)

 

Fermentation anaérobie:

sans apport d'air ou d'oxygène
→ (produit fini CH4 - biogaz)

Procédé de formation du biogaz

  • Hydrolyse (liquéfaction)
    Décomposition de substances organiques en acides gras volatils, acides acétiques, acides butyriques, acides propioniques (similaires à la préparation destinée à l’ensilage).
  • Transformation de ces produits finis en méthane CH4, dioxyde de carbone CO2 et eau H2O.

 

Le processus de fermentation est effectué par une flore bactérienne se développant au sein du digesteur.

Facteurs d'influence importants pour la production de biogaz

Température psychrophile 15 - 30 °C

→ long temps de séjour, faible rendement en gaz, processus de fermentation sensible

Mésophile 30 - 45 °C

→ court temps de séjour, bon rendement en gaz, processus de fermentation stable

Thermophile 45 - 60 °C   

→ court temps de séjour, bon rendement en gaz
→ processus de fermentation instable
→ effet stérilisant

Temps de séjour

Il existe une relation étroite entre la température du digesteur et le temps de séjour dans le fermenteur. Avec une plage de température de type thermophile, le temps de séjour peut être réduit à 25 jours. Le temps de séjour optimal pour le processus est d'environ 40 à 60 jours en régime mésophile.

Teneur en matières sèches

La teneur idéale est comprise entre 4 % et 12 % de matières sèches organiques (MSO).

Si la teneur en MSO est inférieure à 4 %, le potentiel énergétique du substrat digéré est trop faible.

Si la teneur en MSO est supérieure à 12 %, le substrat digéré ne peut plus être pompé, ses propriétés d'écoulement sont limitées.

Substances fermentescibles

a) Engrais de ferme issu de fumier de bovins agricoles
  • Fumier solide de bovins
  • Lisier de porc
  • Fumier solide de porc
  • Lisier de poulet
  • Fumier sec de poulet


b) Résidus agricoles issus de tontes
  • Feuilles de betterave
  • Ensilage


c) Résidus provenant de drêches agro-industrielles
  • Déchets de fruits
  • Déchets de légumes
  • Farine de colza
  • Résidus de grains
  • Lies (pommes de terre, distillerie, etc.)
  • Mélasses


d) Déchets d’abattoirs municipaux (restes de panse, graisse séparée par flottation)
  • Séparateur de graisse
  • Déchets alimentaires
  • Déchets du secteur de la restauration
  • Eaux usées domestiques


En général, le processus d’autorisation doit examiner si des mesures d'hygiène sont requises pour certaines zones de ce dernier groupe.

Production de biogaz issue de la fermentation anaérobie de différents substrats

Substrat Volume de gaz / kg de SOC
Fumier de bovin 300 - 400
Fumier de porc 400 - 700
Fiente de poulet (dilué) 400 - 700
Déchets organiques ménage 450
Déchets alimentaires 1.000
Déchets végétaux 600
Déchets verts 600
Graisse issue de séparateurs à graisse 1.000

Processus

Cuve à lisier

La cuve à lisier sert de stockage intermédiaire et de point reception du substrat liquide. Le réservoir à lisier doit être suffisamment grand pour contenir 2 à 3 jours d’accumulation de substrat. Les bacs de rétention sont un avantage. Dans le réservoir à lisier, les matières solides grossières, telles que les pierres, qui ne doivent pas être envoyés vers le digesteur, sont séparées de la matière liquide par sédimentation et pourront aisément être extraitent ultérieurement.

 

L'incoporation de la matière solides et l'alimentation du fermenteur sont effectuées à l’aide d’une pompe robuste. En général, le réservoir à lisier est équipé d’un mélangeur supplémentaire pour mélanger et éviter les couches flottantes. Dans certains cas, il est possible de se passer du réservoir à lisier et d'introduire la matière directement dans le fermenteur.

Cuve à lisier avec étape d'hydrolyse

Pour les installations équippées d'une étape d'hydrolyse, l'extrudeuse introduit les matières compactées dans le premier réservoir à lisier par la vis sans fin. Le premier réservoir à lisier représente l’étape d’hydrolyse et donc la première étape de la fermentation à deux étapes. Dans ce premier réservoir , les molécules sont d'abord scindées à l'aide de micro-organismes en deux phases (hydrolyse et acidogenèse). Cela génère les produits de la fission; hydrogène, dioxyde de carbone, alcools et acides gras. Les matières en pâte peuvent désormais être traitées plus rapidement et plus facilement dans le fermenteur. Plusieurs fois par jour, le substrat est pompé depuis le reservoir d'hydrolyse vers le fermenteur.

 

Afin de maintenir une température constante, le réservoir à lisier avec hydrolyse est chauffé avec la chaleur résiduelle du cogénérateur, en plus d’être isolé à l'extérieur avec Styrodur.

Trémie de reception / Biofeeder

En fonction de la biomasse de départ, on peut utiliser pour le prétraitement, une trémie de reception avec un broyeur en aval (BIOaccelerators) ou un Biofeeder avec un réacteur à impulsions en aval (BIOacceleratorr).

 

Le trémie de reception est constitué d’un conteneur ouvert avec un convoyeur à raclette intégré et des tambours de broyage. Après le doseur d’acceptation, les matières passent à travers les rouleaux de broyage et les convoyeurs pour entrer dans le BIOaccelerators. Dans le BIOacceleratorr, les matières proviennent du biofeeder à travers un système à vis. (Exception : Gamme Farmer).

 

Le biofeeder comprend également un conteneur ouvert et transporte les matières à l'aide d'un « Walking Floor ». À partir du biofeeder, les matières passent à travers les tambours de broyage pour atteindre le BIOacceleratorr.

Digesteur

Le digesteur est le cœur de l'installation. C’est là que la biomasse se transforme effectivement en biogaz (fermentation). Avec l’intervention de différents micro-organismes, le substrat organique est décomposé et transformé en biogaz riche en méthane. Il s’agit du processus de fermentation, en une étape établie dans la plage de température mésophile, comprise entre 35 et 45°C. Puisque les micro-organismes ne peuvent pas maintenir ce niveau de température par eux-mêmes, un système de chauffage est intégré au digesteur. Ce système de chauffage est constitué de tuyaux de chauffage, qui sont fixés à la paroi intérieure du digesteur sous forme de faisceau (semblable à un radiateur) alimenté par une partie de la chaleur résiduelle du cogénérateur sert de source de chaleur.

 

Le digesteur est alimenté en continu par un processus « à flux continu ». Cela signifie que le substrat frais est introduit plusieurs fois par jour dans le digesteur à partir du réservoir à lisier via la vis sans fin. Un agitateur suffisamment dimensionné pour faire circuler le substrat de fermentation est essentiel afin d' obtenir un rendement optimal en gaz. Les technologies d'agitation pneumatique et hydraulique n'ont pas donné de bons résultats dans la pratique. Lors de l'ajout de certains substrats, des couches flottantes et dépôts peuvent se former dans le digesteur. Le mélangeur doit donc être réglable en hauteur.

 

De même, plusieurs fois par jour, le substrat est prélevé du digesteur et pompé dans le post-digesteur/cuve de stockage final. Cette méthode est éprouvée et garantit une production de gaz constante ainsi qu'une très bonne utilisation du volume du digesteur. Le digesteur est lui-même fabriqué sur place en béton armé. Il est isolé avec Styrodur afin de réduire les pertes de chaleur. La partie du conteneur qui dépasse du sol est recouverte de tôle ondulée ou de bois. Le toit du digesteur est équipé d'une couverture type double membrane auto-portante. Celle-ci sert au stockage du gaz.

Station de pompage

La distribution des liquides entre les différents conteneurs est effectuée au moyen de la station de pompage centralisée, située entre le digesteur et le post-digesteur. En règle générale, il est possible de pomper depuis n'importe quel conteneur de l'installation vers n'importe quel autre conteneur.

 

Le système de distribution de la chaleur est également située dans la station de pompage. La station de pompage peut etre intégrée dans une batiment mais également être livrée dans un conteneur.

Préparation du gaz / stockage du gaz

Le biogaz contient des composants en soufre qui attaquent et détruisent les métaux non ferreux dans la zone de stockage de gaz des installations de cogénération. Par conséquent, le biogaz doit être désulfuré dans le digesteur à travers

  • oxydation à l'aide de fer
  • apport d’air selon un volume de 2 à 3 % via de petits compresseurs ou des pompes pour aquarium.

 

Cette dernière solution s’est révélée être la plus fonctionnelle et la plus économique.

 

Les conduites de gaz qui mènent au cogénérateur sont de grande dimension (environ 100 à 150 mm, en fonction de la distance). Les tuyaux en PVC ou PE sont utilisés dans le sol et les tuyaux en acier inoxydable dans les zones d'installation ouvertes. Les conduites posées dans le sol pendant de longues périodes ont pour avantage de refroidir le gaz et donc de condenser la vapeur d’eau et de la séparer. Plus le gaz est froid, plus il sera de bonne qualité. Les conduites de gaz doivent être installées le long d’une pente.

 

Le stockage du gaz s’effectue en basse pression, dans des conteneurs avec film en PVC ou PE qui sont soudés sur place. Les volumes de stockage doivent être conçus pour 6-12 heures. Cela permet de stocker le gaz pendant la nuit et de couvrir les besoins en énergie plus importants pendant la journée.

 

Cogénération avec transformateur

Le cogénérateur fonctionne en utilisant le biogaz issu du digesteur et, en proportion plus faible, du biogaz issu du post-digesteur/cuve de stockage final.

 

L'électricité produite dans le moteur de cogénération est injectée dans le réseau électrique national et une petite partie est destinée à l’autoconsommation de l’installation. Une partie de l'énergie thermique issue du refroidissement du moteur et de l'échangeur de chaleur des gaz de combustion est utilisée pour chauffer le digesteuret le post-digesteur. La chaleur résiduelle peut etre utilisée pour sécher le digestat ou etre exporté vers un réseau de chauffage. Si la chaleur n'est pas suffisemment récupérée, le système de refroidissement d'urgence du moteur est utilisé les refroidisseurs du cogénérateur d'urgence sont utilisés pour refroidir le moteur.



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