Qu'est-ce que c'est le biogaz?

Le biogaz est issu de l'exploitation des déchets organiques provenant de l'élevage d’animaux (lisier, fumier et restes d'aliments), de la production alimentaire (restes de fruits et de légumes, de viande, de poisson et de lait, de la fabrication de la bière etc.) et des eaux usées des épurateurs industriels et communaux. En construisant des installations de biogaz, l'agriculture offre une contribution importante à la distribution d'énergie produite par des sources renouvelables et surtout à l'élimination des déchets organiques. Les digestats sont un sous-produit de la production du biogaz : ils peuvent être à leur tour utilisés comme engrais de haute qualité.

D'un point de vue économique et écologique, l'application du décret sur le recyclage et la gestion des déchets sont pleinement réalisées grâce à la construction d'installations rurales pour le traitement du biogaz.


Composants

Composants du biogaz

Représentation schématique du méthane (CH4)
Représentation schématique du méthane (CH4)

Le biogaz est produit par la fermentation anaérobique des substances organiques à l'intérieur d'un fermenteur étanche. Ce fermenteur transforme les matières organiques en biogaz grâce à un processus biologique complexe à environ 38-55°C. Plus que la moitié du gaz issu de ce processus est constitué de méthane (CH4), tandis que le reste est constitué de gaz carbonique (CO2).

Une centrale de cogénération, à coup d’un générateur, transforme le méthane en courant et en chaleur. Le biogaz est entièrement écologique et n'a aucune conséquence sur la quantité des émissions de CO2. Le processus de production génère uniquement la quantité de CO2 absorbée par les plantes par photosynthèse. De cette façon, le cycle écologique se ferme.


Nécessité

Nécessité du biogaz

Le biogaz est connu depuis plusieurs centaines d'années. Déjà vers 1750, il y avait de méthane présent dans des gaz des marais. Les premières méthodes de fermentation continue étaient mises en pratique seulement après 1900. Au début des années 70, le biogaz est redevient d'actualité en Europe à la suite de l'augmentation importante du coût de l'énergie (choc pétrolier). Depuis 1980, l'importance croissante de l'écologie et la sensibilisation de l'humanité ont donné un élan supplémentaire au biogaz.

Le biogaz, c'est-à-dire la fermentation des résidus organiques, offre une solution aux problèmes environnementaux suivants:

  • Effet de serre
  • Destruction de la couche d'ozone
  • Abandon progressif de l'énergie nucléaire
  • Durée limitée des combustibles fossiles conventionnels

Processus de développement

  • Types de fermentation

    Fermentation aérobique:

    avec de l'air, ou alimentation en oxygène
    → (produits finaux CO2 et H2O)

    Fermentation anaérobique:

    sans de l'air, pas d'alimentation en oxygène
    → (produits finaux CH4 - biogaz)


  • Procédure pour la formation de biogaz

    1. Hydrolyse (liquéfaction)
      Décomposition des substances organiques en acides gras volatils, acide acétique, acide butyrique, acide propionique (similaire à la préparation de l'ensilage)
    2. Transformation de ces produits finaux en méthane CH4, gaz carbonique CO2 et eau H2O.

    Le processus de fermentation est réalisé par des bactéries vivant en culture mixte à l'intérieur du fermenteur.



Importants facteurs d'influence pour la production de biogaz

Température
Psychrophile 15 - 30 °C → rétention longue, faible rendement en gaz, processus de fermentation non sensible
Mésophile 30 - 45 °C → 30 - 45 °C → rétention moyenne, bon rendement en gaz, processus de fermentation stable
Thermophile 45 - 60 °C → 45 - 60 °C → rétention courte, bon rendement en gaz
→ Processus de fermentation instable
→ Effet désinfectant

  • Durée de rétention

    Il y a une forte corrélation entre la température de fermentation et la durée de rétention. Si les températures sont thermophiles, la durée de rétention peut être réduite à 25 jours. La durée de rétention idéale pour le processus est de 40-60 jours.


  • Contenu des substances solides

    La valeur optimale est comprise entre 4 % et 12 % de matière sèche organique (MSO).
    Si la MSO est inférieure à 4 %, le contenu d'énergie du substrat fermenté est trop faible.
    Avec une MSO supérieure à 12 %, le substrat fermenté ne peut plus être pompé car il a des capacités de flux limitées.



Substances fermentescibles

a) Engrais de lisier derivant de l'agriculture

Fumier solide bovin
Lisier porcin
Fumier solide porcin
Lisier avicole, fiente de poule

b) Déchets agricoles issus de l’herbe fauchée

Feuilles de betterave
Ensilage

c) Déchets dérivant de l'industrie agroalimentaire et de la fabrication de la bière

Restes de fruits
Restes de légumes
Tourteau de colza
Déchets de céréales
Drêche (de pomme de terre, de bière, etc.)
Mélasse

d) Déchets de l'abattoir municipal (restes de panse, graisse séparée par flottation)

Séparateur de graisse
Déchets alimentaires
Grands déchets de cuisine
Eaux ménagères usées

Lors du processus d'approbation, il faut vérifier la présence de mesures de désinfection pour certaines zones appartenant à ce dernier groupe.


Production de biogaz à partir de la fermentation anaérobie de différents substrats

Substrat Litres de gaz / kg de MSO
Lisier bovin 300 - 400
Lisier porcin 400 - 700
Fiente de poule (diluée) 400 - 700
Déchets ménagers organiques 450
Déchets alimentaires 1.000
Restes de légumes 600
Herbe fauchée 600
Graisse issue du séparateur de graisse 1.000

Procédure

Cuve de prétraitement

Cuve de prétraitement
Cuve de prétraitement

La cuve de prétraitement sert de tampon intermédiaire et de réservoir de réception de l'engrais liquide. La dimension de la cuve de prétraitement doit être suffisante pour au moins 2 - 3 jours d'accumulation de lisier et de substrat, c’est avantageux s’il y a des réserves. Certaines substances solides et grosses, par exemple les cailloux (qui ne doivent pas entrer dans le fermenteur), peuvent déjà se déposer dans la cuve de prétraitement.

L’ajout de petites quantités de substance solide et ensuite le chargement du fermenteur sont effectués à l'aide d'une pompe puissante. Il y a presque toujours un agitateur pour le mélange et l’élimination des couches flottantes dans la cuve de prétraitement. Dans certains cas particuliers, il y a la possibilité de renoncer à la cuve de prétraitement et par contre d'introduire le lisier directement dans le fermenteur.


Cuve de prétraitement avec phase d'hydrolyse

Chez des installations avec l’hydrolyse, le matériel décomposé par l'extrudeuse est introduit dans la première cuve de prétraitement à l'aide d'une vis sans fin d'immersion. La première cuve de prétraitement représente la phase appelée hydrolyse et correspond à la première phase de la fermentation qui est biphasée (hydrolyse et acidogénèse) et générée par l'action des micro-organismes. Elle prévoit avant tout la scission des molécules laquelle provoque la production de hydrogène, gaz carbonique, alcools et acides gras.

Afin de maintenir une température constante, la cuve de prétraitement de l'hydrolyse est réchauffée avec la chaleur du cogénérateur et est isolée extérieurement avec du Styrodur.


Doseur de réception / Biofeeder

Doseur d'acceptation / Biofeeder
Doseur d'acceptation / Biofeeder

Selon la biomasse de départ, pour le prétraitement on peut utiliser soit un doseur de réception avec une extrudeuse en aval (BIOaccelerators) soit un Biofeeder avec un réacteur à impulsions en aval (BIOacceleratorr).

Le doseur de réception est constitué d'un conteneur ouvert fourni d'un transporteur à racleur intégré et à rouleaux de fraisage. À partir du doseur de réception, le matériel passe par les rouleaux de fraisage et les bandes transporteuses pour enfin atteindre le BIOaccelerators. À partir du Biofeeder, le matériel est introduit dans le BIOacceleratorr à l'aide d'un système à vis sans fin (exception : lineaFarmer).

Le Biofeeder comprend en outre un conteneur ouvert qui transporte le matériel à l'aide d’un soi-disant «Walking Floor». Depuis le Biofeeder, le matériel passe dans le BIOacceleratorr à travers les rouleaux de fraisage.


Fermenteur

Fermenteur
Fermenteur
Agitateur avec serpentins chauffants
Agitateur avec serpentins chauffants
Puits de service
Puits de service

Le fermenteur constitue le cœur de l'installation où a lieu la conversion effective de la biomasse en biogaz (fermentation). Des micro-organismes différents décomposent le substrat organique et le convertissent en biogaz riche en méthane. Il s'agit de la fermentation monophasée expérimentée dans un environnement mésophile, d’un processus de conversion qui a lieu dans une seule cuve à une température entre 35 et 45 °C. Dans le fermenteur il y a un système de réchauffement car les micro-organismes ne peuvent pas maintenir cette température: des tubes fixés à un anneau à la paroi interne du fermenteur (de façon similaire à un radiateur). Une partie de la chaleur émise par le cogénérateur est utilisée comme source de chaleur.

Le fermenteur est alimenté de façon continue pendant le processus de flux. C’est-à-dire, le substrat frais est transporté plusieurs fois par jour de la cuve de prétraitement dans le fermenteur par une vis sans fin d’immersion.

Afin d’obtenir un rendement en gaz optimal, il faut absolument un agitateur mécanique aux dimensions adéquates qui réussit remuer le substrat fermenté. S’ils s’ajoutent certains substrats, ils peuvent se former des couches flottantes et des dépôts à l'intérieur du fermenteur. L'agitateur doit donc être réglable en hauteur.

Le substrat est prélevé plusieurs fois par jour du fermenteur et est ensuite pompé dans le post-fermenteur ou dans la cuve de stockage. Il s'agit d'un processus expérimenté qui garantit une production de gaz constante et une exploitation efficace de la dimension du fermenteur.

Le fermenteur est construit sur place en béton armé. Afin de réduire la dispersion de chaleur, il est isolé avec du Styrodur. La partie de la cuve qui émerge du terrain est recouverte avec du bois ou une tôle ondulée.

La couverture du fermenteur est constituée d'un toit gonflable autoportant qui se sert de réservoir de gaz.


Station de pompage

Station de pompage
Station de pompage

La distribution des liquides entre les cuves se passe à travers la station centrale de pompage. La salle des pompes et sa station centrale est positionnée entre le fermenteur et le post-fermenteur. En général, il est possible de pomper les liquides de chacune des cuves vers toute autre cuve de l'installation.

La salle des pompes accueille également la distribution de la chaleur. La station de pompage peut aussi être installée à l'intérieur du conteneur.


Traitement du gaz / Stockage du gaz

Le biogaz contient des parties de soufre qui rongent et détruisent les métaux non ferreux dans la zone de l'entrepôt de la centrale de cogénération. Il faut effectuer la désulfuration du biogaz à l'intérieur du fermenteur par 

  1. 1. oxydation au fer
  2. 2. entrée d'air de 2-3 % Vol. à l'aide de petits compresseurs ou pompes d'aquariums.

La dernière solution s'est révélée la plus fonctionnelle et la plus économique.
Les conduites pour le transport du gaz jusqu'au cogénérateur doivent être assez grandes (environ 100 - 150 mm, selon la distance). Dans le Terrain, on utilise des tubes en PVC ou PE tandis que dans la zone d'installation ouverte sont utilisés des tubes en acier inox. Les conduites un peu plus longues posées dans le terrain ont l'avantage de faire refroidir le gaz: la vapeur d'eau se condense et en est séparée. Plus la température du gaz est faible, plus sa qualité est éleée. En cas de pente, il faut y positionner des conduites de gaz.

Selon le principe de la basse pression, le stockage du gaz se passe dans des conteneurs avec pellicule en PVC ou en PE soudés sur place. Le volume d'accumulation doit être adéquat pendant 6 - 12 heures. C'est donc possible d'emmagasiner le gaz pendant la nuit et de couvrir plus de besoins énergétiques pendant la journée.


Cogénérateur avec transformateur

Cogénérateur avec transformateur
Cogénérateur avec transformateur

Le cogénérateur est alimenté par le biogaz provenant du fermenteur et, pour une petite part, par le biogaz qui vient du post-fermenteur / de la cuve de stockage.
L'énergie électrique produite dans le cogénérateur est introduite dans le réseau public, tandis qu'une petite partie couvre les besoins énergétiques de l'installation. Une partie de l'énergie thermique produite par le système de refroidissement du moteur et par l'échangeur thermique du gaz brûlé est utilisée pour réchauffer le fermenteur et le post-fermenteur. La chaleur en excès est utilisée pour sécher le digestat. Au cas où la quantité d'énergie enlevée ne devait pas suffire, les refroidisseurs d'urgence du cogénérateur sont utilisés pour refroidir le moteur.



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