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Définition
La méthanisation ou digestion anaérobie est un processus biologique de dégradation de la matière organique en absence d’oxygène et qui conduit à la formation d’un mélange gazeux (majoritairement formé de méthane (CH4) et dioxyde de carbone (CO2)) et du digestat qui est le résidu contenant les matières non dégradées. Son principe est:
Les étapes biologiques de la méthanisation
La méthanisation se déroule en 4 étapes successives qui sont l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse ; les microorganismes spécifiques des premières étapes servent de substrats pour les étapes suivantes [15].
La figure 8 montre les étapes biologiques de la méthanisation.
Mise en œuvre de la méthanisation en digesteur
L’observation de la production de biogaz dans les marais, les rizières ou dans le tube digestif des ruminants est à l’état naturel. Le principe des unités de méthanisation est de recréer et d’optimiser ce phénomène dans des digesteurs puis de capter ce biogaz pour le valoriser énergétiquement. Cependant il est à noter que pour une bonne méthanisation, il faut effectuer un tri qui aboutit à la séparation des déchets (déchets dangereux, déchets valorisables, matières organiques.) si la collecte sélective des déchets ménagers n’est pas réalisée. La mise en œuvre de la méthanisation en digesteur va dépendre de plusieurs paramètres, parmi les principaux: le type de digesteur, la température, le pH, les substances inhibitrices, le mixage dans des proportions définies, le rapport C/N, le taux de charges organiques …
Caractéristiques du biogaz
Un des intérêts de la digestion anaérobie réside dans le biogaz produit qui est valorisable. Il est majoritairement composé de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2), et dans une moindre mesure de sulfure d’hydrogène (H2S), di azote (N2), voire de dihydrogène(H2) et de composés volatils…. Ce mélange est en règle générale saturé en vapeur d’eau. Les caractéristiques du biogaz étant proches de celles du gaz naturel, il peut aussi être valorisé comme ce dernier sous forme de chaleur, électricité, carburant, injecté au réseau de gaz, en cogénération ou en trigénération à condition d’apporter le traitement adéquat [6].
Evaluation des besoins en énergie thermique
Cas des pertes par conduction pour le digesteur
Le digesteur est supposé comme composer de deux couches de matériaux et permettant d’assurer la rigidité et l’isolation de la cuve.
Les caractéristiques de ces deux couches autorisent alors le calcul des volumes et surfaces externes, mais aussi le calcul des pertes thermiques par diffusion (les pertes par convection sont estimées être négligeables).
Le digesteur est alors modélisé de la façon suivante (Figure 10) pour le calcul des pertes :
Dimensionnement de la pompe
Cette pompe doit vaincre une hauteur H et les pertes de charges de 10%, soit une hauteur Hm=1,1*H. Puissance hydraulique de la pompe PH= (ρ g Hm Q)/ η [W] (25)
Où ρ est la masse volumique des ordures ; g l’accélération de la pesanteur ; Q le débit volumique de sortie des ordures du digesteur et η le rendement.
Détermination de la quantité d’énergie produite
L’utilisation de la cogénération est nécessaire étant donné l’importance du besoin de l’énergie thermique pour chauffer la biomasse à l’intérieur du digesteur. La disponibilité est un élément essentiel d’appréciation d’une énergie sécurisée. Elle va de pair avec un niveau de qualité attendu. En pratique c’est la proportion de temps pendant laquelle une installation électrique est opérationnelle pour fournir une énergie de qualité conforme aux équipements alimentés. Le taux de disponibilité traduit en fait une probabilité de fonctionnement qui est très difficile à calculer. Il est en général évalué par des statistiques de valeurs du MTBF (Mean operating Time Between Failure ) et MTTR (Mean Time To Recovery).
La production d’énergie est influencée par la disponibilité du gaz et celle de la machine. En effet, il arrive qu’il n’y ait plus d’arrivée de gaz du fait d’une défaillance en amont. Sur une installation avec un digesteur, elle peut être provoquée par un retard au niveau de l’alimentation du digesteur en biomasse par exemple. Sur une décharge, la constatation souvent des variations du débit et le taux de méthane du fait de la variété des déchets enfouis, la disponibilité du biogaz est en général comprise entre 98 % et 90 %.
Les machines qui produisent l’électricité ne sont pas non plus toujours disponibles, que ce soit des moteurs ou des turbines. Les arrêts pour maintenance ou pour réparation impactent la production d’électricité. Chaque heure où la machine est à l’arrêt est une heure de production d’électricité en moins. En général, la disponibilité des moteurs à gaz est comprise entre 97 % et 90 %.
RESULTAT ET INTERPRETATION
Choix du procédé
Le choix du procédé de biométhanisation anaérobie de déchets organiques contenant un taux de matières solides relativement élevé. Le procédé consiste en une conversion anaérobie de substrats organiques sous conditions thermophiles (50-55 °C), suivie directement d’un postcompostage aérobie du digestat. De cette conversion de matières organiques résultent du biogaz et un résidu solide semblable au compost. Les fractions organiques appropriées à la biométhanisation sont principalement la part organique des coques de cacao. Le mode d’alimentation utilisé est continu.
Détermination des dimensions du pré fosse, de la fosse de stockage et du digesteur
Dimensionnement de la pré-fosse
Le volume du pré fosse est donné par l’expression : le volume du pré fosse = 2 ∗ volume quotidien de substrats = 30m3
Le pré fosse utilisé est en forme de parallélépipède rectangle de dimensions
Longueur = 5m, largeur= 3m et hauteur = 2m.
Dimensionnement de la fosse de stockage
Le volume de la fosse de stockage est donné par l’expression :
Le volume de la fosse de stockage = 30 ∗ volume quotidien de substrats = 450m3
Le pré fosse utilisé est en forme de parallélépipède rectangle de dimensions
Longueur = 10m, largeur= 9m et hauteur = 5m.
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