Méthanisation de fumiers bovin et volaille

Impact du stockage du fumierEssais pilote et potentiel énergétique

Contexte et objectifs de l’étudeLa Bourgogne est une région d’élevage avec de nombreuses exploitations bovines et avicoles qui génèrent des effluents d’élevage principalement sous forme de fumier. Ces effluents peuvent être valorisés en méthanisation afin de produire d’une part de l’énergie et, d’autre part, un amendement et fertilisant organique.

Pour bien appréhender la possibilité de traiter ces produits en méthanisation, des essais préalables au niveau laboratoire permettent d’obtenir des renseignements utiles et souvent indispensables pour garantir le bon dimensionnement et la sécurisation du fonctionnement d’une future installation.

L’objectif de cette étude et des tests réalisés est multiplet:– Connaître le potentiel énergétique de fumier de bovin allaitant et avicole en sortie d’étable et après un mois de stockage.– Déterminer l’inhibition du fumier de volaille du fait de l’excès d’azote.– Étudier les différences de résultats entre les tests labo et à l’échelle pilote.

Les essais ont été commandés par l’ADEME Bourgogne et réalisés par l’APESA avec l’aide de la chambre régionale d’agriculture de Bourgogne pour les prélèvements.

Le développement de la méthanisation en Bourgogne dans le Programme Énergie Climat Bourgogne (PECB)Ces dernières années, la technique de méthanisation a connu un regain d’intérêt du fait de ces nombreux avantages environnementaux. Depuis 2008, afin d’accompagner et développer cette filière en Bourgogne, l’ADEME Bourgogne et le Conseil régional de Bourgogne ont développé un plan d’accompagnement spécifique dans le cadre du Programme Énergie Climat Bourgogne (PECB).

Commanditaire : ADEME Bourgogne – Bertrand AUCORDONNIER

Laboratoire : APESA – Philippe POUECH

Partenaire technique : Chambre d’agriculture de Bourgogne – Baptiste GILLOT

MéthodologieLes analyses ont été réalisées sur quatre matières brutes, deux mélanges et quatre digestats.

Définition des matières analysées

Matières analysées Remarques

Mat

ière

s br

utes

Fumier bovin frais fumier de bovin allaitant (vaches, veaux), la litière utilisée est constituée de paille à hauteur de 10 kg/j/vache

Fumier bovin 1 mois même fumier que précédemment stocké 1 mois en fumière non couverte

Fumier volaille frais fumier de poulet de chair, la litière utilisée est constituée de paille, le fumier est sorti des bâtiments tous les 85 jours

Fumier volaille 1 mois même fumier que précédemment stocké 1 mois en fumière non couverte

Mél

ange

s

50% / 50 % 50% fumier volaille frais / 50% fumier bovin allaitant frais

75% / 25% 75% fumier volaille frais / 25% fumier bovin allaitant frais

Dig

esta

t

Digestat fumier bovin obtenu à partir du pilote de fumier bovin allaitant frais

Digestat fumier bovin 1 mois obtenu à partir du pilote de fumier bovin allaitant stocké 1 mois

Digestat mélange 50/50 obtenu à partir du pilote du mélange 75% fumier volaille frais / 25% fumier bovin allaitant frais

Digestat mélange 75/25 obtenu à partir du pilote du mélange 50% fumier volaille frais / 50% fumier bovin allaitant frais

Les essais se sont déroulés en trois parties :

La caractérisation biochimique des matières sur les 8 produits précédents.

Mesure des différentes caractéristiques : matière sèche, matière organique, pH, azote, phosphore, potasse…

La réalisation des tests de potentiel méthanogène sur les 4 matières brutes et les deux mélanges.

Mesure de la production maximale de biogaz permise par un produit, les conditions opératoires permettent d’optimiser la fermentation, la cinétique de production obtenue n’est pas représentative de celle qui sera obtenue dans un réacteur industriel. La connaissance du potentiel méthanogène est intéressante car elle indique l’objectif de production qui peut être atteint.

La réalisation des essais de simulation en réacteur pilote discontinu voie sèche sur le fumier de bovin frais, le fumier de bovins stocké 1 mois et les deux mélanges.

Pour pouvoir connaitre la cinétique réelle de production, il est nécessaire de réaliser un essai pilote en simulant le fonctionnement d’un réacteur de type voie sèche discontinue. Pour cela des réacteurs pilotes ont été mis en œuvre, avec un fonctionnement similaire à un fonctionnement de réacteur à taille réelle.

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RésultatsCaractéristiques biochimiques des matières brutesLes analyses sur fumier de bovin frais et stocké montrent peu de variation en terme de dégradation de la matière organique. Par contre, pour le fumier de volaille, on observe une diminution relativement importante de la matière organique avec le stockage.

Caractéristiques des matières brutes (ADEME ; 2013)

Analyses Unités Bovin frais Bovin 1 mois Volaille frais Volaille 1 mois

Matière sèche % PB 26,5% 27,7% 67,6% 51,9%

Humidité % PB 73,5% 72,3% 32,4% 48,1%

Matière sèche volatile

%MS 75,9% 79,4% 85,1% 71,8%%PB 20,1% 22,0% 57,5% 37,3%

Matière minérale%MS 24,1% 20,6% 14,9% 28,2%%PB 6,4% 5,7% 10,1% 14,6%

Carbone organique

g/kg MS 380 397 426 359g/kg PB 101 110 288 186

pH 8,3 7,9 7,3 8,1

Azote totalg/kg MS 24,3 24,39 43 42,39g/kg PB 6,44 6,75 29,1 22,05

Azote total Kjeldhal

g/kg MS 24,3 24,3 43 42,3g/kg PB 6,44 6,73 29,1 22

N-NH4g/kg MS 0,48 0,19 5,27 4,07g/kg PB 0,13 0,05 3,56 2,11

N-NO3 mg/kg MS < 3,77 86,6 4,73 90,6mg/kg PB < 1,00 24 3,2 47

Azote organiqueg/kg MS 23,8 24,1 37,7 38,2g/kg PB 6,3 6,7 25,5 19,8

C/N 15,6 16,3 9,9 8,5

C/Norg 15,9 16,5 11,3 9,4

P2O5g/kg MS 9,87 7,59 23,6 36,4g/kg PB 2,62 2,1 15,9 18,9

K2Og/kg MS 40,2 35,7 28,5 37g/kg PB 10,7 9,88 19,3 19,2

MgOg/kg MS 6,41 6,49 11,3 17g/kg PB 1,7 1,8 7,66 8,83

CaOg/kg MS 43,8 35,9 25,4 54g/kg PB 11,6 9,95 17,2 28

Na2Og/kg MS 2,24 0,48 6,83 8,3g/kg PB 0,59 0,13 4,62 4,31

SO3g/kg MS 8,32 9,05 18,1 25,9g/kg PB 2,2 2,51 12,3 13,5

Synthèse des résultatsLe tableau suivant synthétise les résultats obtenus des tests de potentiel méthanogène et des essais en réacteur pilote.

Essais pilote Essais labo

Production de méthane

Taux de méthane

Production de méthane

Taux de méthane

Nm3 CH4/t MO en % Nm3 CH4/t MO en %

Fumier bovin frais 163 52 % 170 65%

Fumier bovin 1 mois 113 50 % 156 71%

Fumier volaille frais - - 257 60%

Fumier volaille 1 mois - - 108 55%

Mélange 50/50 135 51 % 238 61%

Mélange 75/25 20 31 % 240 58%

On remarque que le potentiel méthanogène du fumier de bovin est un peu plus faible que les valeurs bibliographiques traditionnelles. Une raison possible est que les références regroupent souvent bovin lait et bovin allaitant, or il existe une différence entre les deux types de fumier. En premier lieu, le fumier de bovin allaitant reste souvent plus longtemps sous les vaches et donc est plus dégradé. Ensuite, l’alimentation des troupeaux est différente et donc le fumier généré sera également différent et moins riche pour l’élevage allaitant.

Test de potentiel méthanogèneLe tableau suivant synthétise les résultats des tests de potentiel méthanogène réalisés.

Résultats de la production énergétique des substrats en test labo (ADEME ; 2013)

Matière sèche Production de biogaz Production de méthane

Taux de méthane

en % Nm3/t MB Nm3/t MO Nm3 CH4/t MO en %

Fumier bovin frais 24% 48 262 170 65%

Fumier bovin 1 mois 27% 47 221 156 71%

Fumier volaille frais 68% 252 429 257 60%

Fumier volaille 1 mois 57% 84 195 108 55%

Mélange 50/50 46% 151 392 238 61%

Mélange 75/25 57% 201 413 240 58%

Production cumulée de méthane pour les fumiers bovin frais et stockés en test labo (ADEME ; 2013)

Pour les fumiers de volaille, le potentiel méthane du fumier stocké est nettement plus faible que le fumier frais, on perd 58% de potentiel initial. La dégradation de la matière organique lors du stockage est plus importante que pour le fumier de bovin.

Pour les fumiers de bovin, on constate que le potentiel méthane du fumier stocké est 9 % plus faible que le potentiel initial. La cinétique de production du biogaz reste cependant relativement équivalente.

Production cumulée de méthane pour les fumiers volaille frais et stockés en test labo (ADEME ; 2013)

Essais en réacteur piloteLe principe de l’essai repose sur la simulation d’un réacteur de type discontinu en voie sèche afin d’obtenir la vraie cinétique de fonctionnement sur les différentes matières envisagées. Les simulations sur réacteur pilote discontinu voie sèche sont faites pendant une durée de 8 semaines. Le fermenteur est composé d’une cuve thermostatée d’une contenance de 19 litres de volume utile. Il fonctionnera en discontinu (un seul remplissage avec le produit ou le mélange au démarrage de l’essai). Un volume d’effluents de méthanisation sera rajouté pour simuler le fonctionnement d’une unité industrielle (environ 20% en volume). Cet effluent est recirculé quotidiennement conformément au process existant.

Comparaison avec les tests de potentiel méthanogène

Comparaison entre le test labo (TPM) et l’essai pilote pour le fumier de bovin frais (ADEME ; 2013)

Pour le fumier de bovin frais, on constate que la production de méthane obtenue dans les essais labo est presque atteinte en essai pilote, 95% du potentiel méthane est atteint en essai pilote au bout de 2 mois.

Comparaison entre le test labo (TPM) et l’essai pilote pour le fumier bovin stocké (ADEME ; 2013)

En essai pilote, on constate que la perte d’énergie du fait du stockage est plus importante. En effet, au bout de deux mois on observe une différence de 25% (contre 9% en labo). Cela s’explique par la cinétique de la réaction, la production étant plus importante les 20 premiers jours pour le fumier frais.

Comparaison entre la production de méthane du fumier bovin frais et du fumier bovin stocké en essai pilote en production cumulée (ADEME ; 2013)

Pour le fumier de bovin stocké 1 mois, on constate que la production de méthane obtenue en labo n’est pas atteinte en essai pilote, 77% du potentiel est atteint au bout de 2 mois. Comme pour le fumier frais, on constate que la cinétique de production du méthane est plus longue en essai pilote qu’en test labo.

Ce décalage dans la durée de production peut s’expliquer par le fait que lors du stockage une partie de la matière organique facilement dégradable est perdue, la matière organique résiduelle est plus longue à dégrader (hémicellulose notamment).

Comparaison entre le test labo et l’essai pilote pour le mélange 50 / 50 en production cumulée (ADEME ; 2013)

Pour l’essai pilote avec 75% de fumier de volaille, ce mélange ne peut pas fonctionner avec un procédé de type réacteur voie sèche discontinu. Ce résultat est logique par rapport à l’essai précédent où on constate des difficultés de fonctionnement. L’augmentation de la part de fumier de volaille provoque des déséquilibres très importants du système avec une accumulation d’acides gras volatils et une teneur en ammoniaque beaucoup trop importante.

Comparaison entre le test labo et l’essai pilote pour le mélange 75 / 50 en production cumulée (ADEME ; 2013)

Le pilote du mélange 50% fumier bovin et 50% fumier volaille montre un dysfonctionnement du réacteur en discontinu. Le mélange ne permet pas un bon développement de la microflore de méthanisation en raison principalement d’une teneur en acides gras volatils (résidus de la fermentation) trop élevée. Ce dysfonctionnement n’est pas visible lors du test labo (du fait des conditions expérimentales mises en œuvre) d’où l’importance de vérifier le comportement d’un mélange en réacteur simulant les conditions de mise en œuvre opérationnelle.

Au bout de deux mois, l’installation pilote atteint à peine 60% de la production maximale de méthane du test labo.

Caractéristiques biochimiques des digestatsLe tableau suivant récapitule l’ensemble des caractéristiques pour les digestats.

Il est à noter que les valeurs en matière sèche sont basses pour les digestats ce qui est du au protocole de l’essai pilote. Dans les installations existantes, le digestat de méthanisation par voie sèche est de l’ordre de 20%.

Fumier bovin frais

Digestatbovin frais

Digestat bovin 1 mois

Digestatmélange 50/50

Digestatmélange 75/25

Matière sèche % PB 26,5%14% 16% 15% 22%plutôt entre 18 et 20% pour les installations en fonctionnement

Humidité % PB 73,5% 86,2% 84,1% 84,8% 78,3%

Matière sèche volatile

%MS 75,9% 59,6% 68,7% 73,3% 80,7%%PB 20,1% 8,2% 10,9% 11,1% 17,5%

Matière minérale%MS 24,1% 40,3% 31,2% 26,6% 19,2%%PB 6,4% 5,5% 4,9% 4,0% 4,1%

Carbone organique

g/kg MS 380 298 344 367 404g/kg PB 101 41 55 56 88

pH - 8,3 8,3 8,3 8,1 6,7

Azote totalg/kg MS 24,3 38,2 37 52,6 46,1g/kg PB 6,44 5,27 5,89 8 10

Azote total Kjeldhal

g/kg MS 24,3 38,2 36,9 52,6 46,1g/kg PB 6,44 5,27 5,87 8 10

N-NH4g/kg MS 0,48 7,97 4,52 15,3 20,6g/kg PB 0,13 1,1 0,72 2,33 4,48

N-NO3mg/kg MS < 3,77 < 11,0 <103 < 7,43 < 5,21mg/kg PB < 1,00 < 1,52 <16,4 < 1,13 < 1,13

Azote organiqueg/kg MS 23,8 30,2 32,4 37,3 25,5g/kg PB 6,3 4,2 5,1 5,7 5,5

C/N - 15,6 7,8 9,3 7 8,8

C/Norg - 15,9 9,9 10,6 9,8 15,9

P2O5g/kg MS 9,87 18,1 13,6 37,2 29,8g/kg PB 2,62 2,5 2,16 5,65 6,47

K2Og/kg MS 40,2 54,9 46,1 45,7 34,5g/kg PB 10,7 7,58 7,33 6,95 7,49

MgOg/kg MS 6,41 9,1 8,4 15,9 11,7g/kg PB 1,7 1,26 1,34 2,42 2,54

CaOg/kg MS 43,8 80,5 56,5 54,3 36,9g/kg PB 11,6 11,1 8,98 8,25 8,01

Na2Og/kg MS 2,24 3,7 1,9 7,9 7,3g/kg PB 0,59 0,51 0,3 1,2 1,58

SO3g/kg MS 8,32 11,8 12,3 18,9 20,6g/kg PB 2,2 1,63 1,96 2,87 4,47

Teneur en azote totale et ammoniacale des substrats frais et des digestats (ADEME ; 2013)

Valeurs du pH et des rapports carbone / azote des substrats frais et des digestats (ADEME ; 2013)

Les graphiques suivants montrent les différences sur l’azote, le phosphore, la potasse, le pH et le rapport C/N entre les matières fraîches et les digestats. On remarque que la proportion d’azote ammoniacale par rapport à l’azote totale passe de 2% en poids brut dans le fumier de bovin à 20% dans le digestat. De même, pour le mélange 50/50, la proportion passe de 10% à 30%.

Le pH est relativement stable pour l’ensemble des matières, aux alentours de 8. Le rapport C/N diminue de moitié suite à la méthanisation.

Le réseau Agri Énergie en BourgogneCôte d’Or : Chambre d’agriculture de Côte-d’OrSylvie LEMAIRE – 03 80 28 81 38 – sylvie.lemaire@cotedor.chambagri.fr

Nièvre : Chambre d’agriculture de la NièvreEtienne BOURGY – 03 86 93 40 18 – etienne.bourgy@nievre.chambagri.fr

Saône-et-Loire : Chambre d’agriculture de Saône-et-LoireGuillaume COICADAN – 03 85 29 56 20 – gcoicadan@sl.chambagri.fr

Yonne : Chambre d’agriculture de l’YonneVincent GALLOIS – 03 86 94 26 34 – v.gallois@yonne.chambagri.fr

Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie Direction régionale Bourgogne1C, boulevard de Champagne - Tour ElithisBP 51562 - 21015 DIJON Cedex03 80 76 89 76ademe.bourgogne@ademe.fr

ADEME Bourgogne - novembre 2013 Conception / réalisation : ADEME Bourgogne

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ADEME BourgogneAgriculture - Biogaz :Bertrand AUCORDONNIER – 03 80 76 89 80bertrand.aucordonnier@ademe.fr

www.ademe.fr

Les documents régionaux sur la méthanisation :

Le site national de l’ADEME :

www.bourgogne.ademe.fr/méthanisation

Le site de l’ADEME Bourgogne :www.bourgogne.ademe.fr

Contacts

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