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METHANISATIONÉléments de réflexion

13 décembre 2011Anne-Sophie Roy

LA METHANISATION

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Le principe

Les substrats

Les techniques

13 décembre 2011

La méthanisation : principe

• Procédé biologique de transformation de la matière organique par l’action de bactéries

• Fermentation anaérobie dans un digesteur qui fonctionne comme un rumen de vache

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• Obtention de deux produits :

� Une énergie renouvelable : le biogaz

� Un effluent épendable : le digestat

La méthanisation

La méthanisation : principe

• Une digestion anaérobieen plusieurs étapes

4La méthanisation

Source : Méthafrance

La méthanisation : les substrats

• Le choix des matières organiques détermine le rendement en biogaz

• Pour une production maximale, il faut des substrats riches en

� graisses

� Sucres

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� Sucres

� Hydrates de carbone

La méthanisation


• Les déjections animales

� Lisier

- Bon milieu de culture pour les bactéries anaérobies

- Fort pouvoir tampon => stabilise le pH

- Dilue les autres substrats

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- Dilue les autres substrats

� Fumier

- Taux de matière sèche plus élevé

- Support pour les bactéries

- Manutention contraignante

La méthanisation


• Les résidus de culture

- Hautes teneurs en carbone

- Facilement assimilables dans le digesteur

• Les co substrats

- Déchets d’industries agro-alimentaires

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- Déchets d’industries agro-alimentaires

- Déchets de collectivités

La méthanisation


• Attention !

- Déchets ligneux

- Matières inorganiques

- Métaux lourds

- Antibiotiques

8La méthanisation

Pouvoir méthanogène des substratsR

ésid

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re0 50 100 150 200 250 300 350 400

Déj

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Lisier de porcLisier de bovin

Fumier de bovinFumier de porc

Fientes de volailles

Pulpes de PdTerreFines et spathesRésidus de maïs

m³ de CH4 par tonne de matière brute

9La méthanisation

Déc

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Résidus de maïsRésidus de céréales

Tourteau de colza

Contenu d'intestinDéchets de brasserie

Boues de flottationGraisse d'abattoir

Mélasse

Graisse usagéeBoues de STEP

Bio déchets ménagersPelouse

Graisse de STEP

Source : Association AILE

La méthanisation : les techniques

• Les conditions de températures dans le digesteur définissent le type de fermentation

� Fermentation thermophile autour de 55°C

� Fermentation mésophile autour de 38°C

10La méthanisation


• La méthanisation « infiniment mélangée »

- Rations de 18 % de MS maximum dans le digesteur

- Apport continu de matière et extraction d’une quantité équivalente

- Digesteur étanche au gaz, chauffé, isolé et brassé

- Possibilité post digesteur qui termine la digestion

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- Possibilité post digesteur qui termine la digestion

- Biogaz stocké sous une géomembrane

- Réduction de 10 % du volume total à épandre

� Méthanisation « infiniment mélangée » en mésophile = la plus courante

La méthanisation


Effluents d’élevageet co substrats

Épandage agricoleFermentation

anaérobie Digesteur chauffé à 38°C

Brassage et homogénéisation

12La méthanisation

DigesteurPréfosse

et co substrats

Post-digesteur

Transfert par pompe ou par

trappe

Stockage brassage mixage

Présence des déjections dans le digesteur 3 à 6

semaines

Transfert du digestat par «surverse»

Dans la fosse le digestat continu sa production de CH4

Stockage gaz


13La méthanisation


14La méthanisation


• La méthanisation en « voie sèche »

- Ration de 20 à 30 % de MS dans le digesteur (de 20 à 50 % en entrée)

- Matière incorporée chargée avec un télescopique

- Réduction de 20 % du volume total à épandre

- 2 procédés : continu et discontinu

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- 2 procédés : continu et discontinu

La méthanisation


• Système « voie sèche » continu

- Charge de la matière fraîche quotidiennement pour une production continue de biogaz

- Digesteurs horizontaux ou verticaux

- Avancée de la matière par pompe à vide, gravité ou piston

16La méthanisation


• Système « voie sèche » discontinu

- Un volume donné de matière chargé en container hermétique

- Matière en digestion aspergée en continue avec du percolât (jus de la digestion)

- Une part de la matière digérée est réincorporée avec la

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- Une part de la matière digérée est réincorporée avec la matière fraîche

- Durée de digestion environ 40 jours

- Constance de la production de biogaz assurée par le fonctionnement en parallèle de plusieurs digesteurs

La méthanisation

LA VALORISATION DU BIOGAZ

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Composition du biogaz

Les différentes solutions

La cogénération

L’injection de biogaz dans le réseau

13 décembre 2011

La valorisation du biogaz : sa composition

Composé Taux de présence

NH4Méthane 50 – 70 %

CO2 30 – 50 %

19Valorisation du biogaz

CO2Dioxyde de carbone 30 – 50 %

H2SHydrogène sulfuré 1 %

Eau Traces

Siloxane Traces

La valorisation du biogaz : les solutions

• La cogénérationÉlectricité + chaleur

• L’injection de biogaz dans le réseauSi réseau gaz naturel proche de l’unité

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• L’utilisation dans une chaudièreValorisation thermique

• Le biométhane carburantExemple Lille Séquedin

Valorisation du biogaz

La valorisation du biogaz : la cogénération

• La cogénération

- Un moteur entraîne un alternateur qui produit de l’électricité

- Rendement électrique de 38 à 42 %

- Chaleur récupérée au niveau du système de refroidissement du moteur et des gaz d’échappement

- Rendement thermique de 40 à 47 %

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- Rendement thermique de 40 à 47 %

- La plus courante mais valorisation de la chaleur indispensable


Vente électricitécogénération

Bâtiments agricoles Bâtiments publics

Habitations Entreprises

Électricité

Stockage chaleur

Chaleur

Biogaz

4

Unité de méthanisation avec valorisation du biogaz par cogénération

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chaleur

Digesteur

Co substrats(maïs, tonte,…)

Post digesteur

Trémie d’incorporation

Pré fosse

EpandageStockage

Biogaz

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3

Déjections animales

�Déchets

agro alimentaires ou de collectivités

Chauffage digesteur

La valorisation du biogaz : l’injection dans le réseau gaz naturel

• Obligations du producteur de biogaz

- Épurer le biogaz pour arriver à 97 % de CH4 (enlever le CO2, H2S, eau…)

- Le compresser

- Contrôler sa composition

- Assurer la provenance du biogaz : exclusion des boues de

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- Assurer la provenance du biogaz : exclusion des boues de STEP

- Odorisation (possible par GrDF)



• Freins techniques

- Un unique sens de circulation dans le réseau

- Difficulté principale = saisonnalité des besoins en gaz

- Cas délicat = un seul gros consommateur en aval



• Faisabilité

- Situation du point d’injection par rapport au réseau

- Débit horaire injecté < débit horaire consommé en été

- Pression d’injection adaptée à la pression du réseau

- Quel consommateurs en aval ?



• Coût à la charge du producteur

� Coût de raccordement

- Études de faisabilité (2 à 3 k€) et détaillée (6 à 9 k€)

- Extension du réseau (70 à 300 €/m)

- Branchement (3 à 4 K€)

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- Branchement (3 à 4 K€)

� Redevance injection (environ 100 k€/an)

- Investissement poste d’injection (en location)

- Exploitation, maintenance

- Renouvellement

- Contrôles qualité

- Surcoûts d’exploitation du réseau


LA VALORISATION AGRONOMIQUEQu’est ce que le digestat ?

Valeur fertilisante du digestat

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Évolution de la matière organique

Évolution de l’azote

Épandage du digestat

13 décembre 2011

Qu’est ce que le digestat

• Conservation de la totalité des éléments fertilisants

• Préservation de la fraction organique résistante donc préservation du potentiel humifère

• Minéralisation de l’azote organique sous forme ammoniacale rapidement assimilable

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• Dégradation des composés volatils (odeurs)

• Amélioration de la qualité sanitaire

• Produits plus homogène et plus fluide => épandage facilité

Valorisation agronomique


• Variable selon la nature et la qualité des intrants

• Influencée par les éventuels post-traitements des digestats- Séparation de phase- Compostage- séchage

• Similaire à celle des lisiers et fumiers mais avec une teneur

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• Similaire à celle des lisiers et fumiers mais avec une teneur en ammonium et un pH plus élevés


Évolution de la matière organique

Biogaz

Devenir à long terme dans

les sols

Maturation(aération)« compost

mûr »

MO après méthanisation

« phase thermophile du compostage »

Matière organique

fraîche

30Valorisation agronomique

MObiodégradable

MO humifiée Humus du sol

Gaz (CO2,CH4)

Gaz carbonique

MO résistante

Biogaz (CH4 + CO2)

MO résistante

Évolution de l’azote

31Valorisation agronomique

Épandage du digestat

• Digestat = effluent organique

� Plan d’épandage

• Minéralisation de l’azote

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� Efficacité comparable à un engrais minéral => économies d’engrais

� Risque de volatilisation de l’ammoniac lors du stockage et de l’épandage=> Couverture des fosses de stockage et brassage limité=> Épandage avec une rampe pendillard ou enfouisseur


LA VALORISATION ECONOMIQUELa vente d’électricité

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La vente d’électricité

La vente de biogaz pour injection

13 décembre 2011

La vente d’électricité• Arrêté du 21 mai 2011

35 %

0 c€/kWh

70 %

4 c€/kWhProgressivePrime Efficacité

Puissance électrique < 150 kW < 300 kW < 500 kW < 1000 kW < 2000 kW

Tarif de base (c€/kWh) 13,37 12,67 12,18 11,68 11,19

Tarif maximal (c€/kWh) 19.97 18,81 17,71 15,68 15,19

34Valorisation économique

0 c€/kWh 4 c€/kWh

20 %

0 c€/kWh ProgressivePrime Effluents

Tarifs en hausse, dégressivité faible selon la puissance

Autoconsommation de chaleur exclue de l’efficacité énergétique

Quid des subventions régionales ?

60 %

2,6 c€/kWh (150 kW)

La vente de biogaz pour injection• Arrêté du 24 novembre 2011� La durée du contrat de rachat est de 15 ans à partir de la mise

en service� Indexation annuelle prévue� Le tarif de rachat est fonction de la capacité injectée et de la

nature des intrants

Capacité maximale de ≤ 50 m3/ Entre 50 et 350 m3 / ≥ 350 m3

35Valorisation économique

Capacité maximale de production

≤ 50 m3/ heure

Entre 50 et 350 m3 / heure

≥ 350 m3 / heure

Tarif de base (c€ / kWh PCS) 9,5 Interpolation linéaire

entre 9,5 et 6,4 6,4

Prime d’intrants(c€ / kWh PCS) 3 Interpolation linéaire

entre 3 et 2 2

TOTAL 12,5 Interpolation linéaire entre 12,5 et 8,4 8,4

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