CHAPITRE 3 : EVALUATION EXPERIMENTALE DU VOLUME DE METHANE
3.5. Analyse des résultats obtenus
Nous remarquons que les courbes d’évolution de la pression et du volume de méthane produit suivent quasiment la même allure. Ceci s’explique par le fait qu’une augmentation du volume de biogaz produit entraîne une augmentation de la pression.
Par ailleurs, on remarque une augmentation rapide du volume de méthane produit au début de l’expérience ; ce qui est dû à l’intensité de l’activité microbienne au début de la fermentation.
Aussi, le nombre de jours nécessaire pour que les déchets soient totalement décomposés est d’environ 40 jours. Mais cette décomposition peut être accélérée par une augmentation de la température afin de réduire la durée de la biométhanisation. Le temps de rétention des déchets peut être réduit à 20 jours selon certaines technologies de digesteur qui incluent inclue un système de régulation de la température.
Conclusion partielle
Dans l’optique d’évaluer la quantité d’énergie électrique que l’on peut produire à partir des déchets de panse, nous avons réalisé la biométhanisation de 750 Kg de ces déchets. Le volume du biométhane produit pour cet échantillon est de 22 m3.
Dans la suite de notre étude, il sera question de proposer le processus de production à installer à l’Abattoir.
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CHAPITRE 4 :
SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE
ELECTRIQUE A PARTIR DES DECHETS DE PANSE
PROPOSE POUR L’ABATTOIR DE COTONOU
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Introduction partielle
Après avoir évalué expérimentalement le volume de biométhane qu’on peut produire à partir d’une certaine quantité de déchets de panse, il reste à valoriser le biométhane produit pour produire de l’énergie électrique à grande échelle.
Dans ce chapitre, allons décrire le système de valorisation des déchets de panse en énergie électrique que nous proposons pour l’Abattoir de Cotonou et évaluer la quantité d’énergie électrique qu’on peut produire au niveau de l’Abattoir.
4.1. Description du système de valorisation des déchets de panse en énergie électrique
La chaîne de valorisation des déchets de panse en énergie électrique sera composée de plusieurs postes :
Un poste de prétraitement des déchets ;
Un poste de production du biométhane ;
Un poste de stockage du biométhane ;
Un poste de valorisation du digestat ;
Un poste de production d’énergie électrique.
La figure 4.1 donne une illustration sommaire de ce processus.
Figure 4.1 : Processus de valorisation des déchets de panse
PRETRAITEMENT
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4.1.1. Poste de prétraitement des déchets
Les déchets de panse sont généralement mélangés à d’autres types de déchets souvent non biodégradables comme les sachets plastiques, les cornes d’animaux voire des objets métalliques. Un prétraitement des déchets en vue de les débarrasser de ces déchets non biodégradables s’avère donc nécessaire. Pour ce faire, déchets seront collectés dans une fosse de prétraitement où ils seront débarrassés des autres types de déchets par des agents de tri avant d’être chargés dans le digesteur.
Pour définir les dimensions de cette fosse, nous devons tenir compte du volume de déchets produits par jour. Ce volume a été estimé à 3 m3 au chapitre2.
Pour faciliter le tri, nous allons prévoir une fosse de 6 m3. Soit une fosse de 4 mètres de long sur 3 mètres de large avec une profondeur de 0,5 mètre. Le schéma de cette fosse est présenté à la figure 4.2.
Figure 4.2 : Dispositif de prétraitement des déchets
Pendant l’activité d’abattage à l’Abattoir, les déchets de panse seront progressivement stockés dans la fosse de prétraitement. Une fois les abattages terminés, les opérateurs de tri se chargeront de trier manuellement les déchets non biodégradables dans des poubelles. Après le tri, les déchets seront chargés dans le digesteur.
4.1.2. Poste de production de biométhane
Le poste de production de biométhane sera composé d’un digesteur pour produire le biogaz et d’un système de filtres pour épurer le biogaz et recueillir le biométhane.
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4.1.2.1. Mode d’alimentation du digesteur
Trois modes d’alimentation sont à considérer. Dans le premier, le réacteur est complètement rempli de substrat à digérer en une seule opération. C’est l’alimentation en discontinu (ou «batch»). Une fois l’anaérobiose réalisée, la production gazeuse évolue de façon régulière, mais elle est limitée dans le temps et passe par un maximum, si bien que pour obtenir un débit régulier de biogaz il faut disposer de plusieurs réacteurs en batterie, remplis et vidés à intervalles réguliers. Ce mode d’alimentation utilisé à l’origine pour des déchets agricoles a été repris pour des applications à la méthanisation de déchets ménagers.
Le second mode d’alimentation consiste à remplir progressivement le réacteur durant la digestion, sans retirer de substrat avant la fin du processus. On qualifie cette alimentation de semi-continue (ou «fed-batch»).
Dans le troisième mode, le substrat est introduit et le produit digéré est extrait de façon progressive et continue, si bien que le volume effectif de biomasse dans le digesteur reste constant; on parle alors d’alimentation en continu. Dans la pratique, la plupart des systèmes fonctionnent selon le mode continu. [11]
La figure 4.3 illustre les différents modes d’alimentation d’un digesteur.
Figure 4.3 : Différents modes d’alimentation d’un digesteur [11]
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En l’occurrence , il s’agit du traitement des déchets de panse qui constituent une biomasse humide avec une teneur en eau assez élevée, donc le digesteur type continu est approprié. Aussi, la production des déchets de panse étant journalière, un processus de traitement continu serait plus intéressant.
4.1.2.2. Fonctionnement du digesteur
Au début, le digesteur sera alimenté en mode semi-continu ; c’est-à-dire qu’il sera alimenté tous les jours sans retrait substrat jusqu’à ce qu’il soit plein.
La durée qu’il faudra pour faire le plein du digesteur correspond au temps de rétention hydraulique des déchets.
Après cette durée, l’alimentation du digesteur se fera en mode continu. Le chargement sera journalier et se fera en retirant du digesteur, un volume de digestat correspondant au volume de déchets à introduire de sorte que le volume déchets dans le digesteur soit constant.
Pour accélérer la digestion, le digesteur sera équipé d’un régulateur de température afin de maintenir la température autour de 35 °C. Pour gérer efficacement l’énergie produite, nous proposons un système de récupération de chaleur au niveau du moteur au lieu d’une autoconsommation du biogaz produit.
Ce système récupèrera la chaleur des gaz d’échappement du moteur pour réguler la température dans le digesteur via un échangeur thermique. La figure 4.4 illustre ce système.
Figure 4.4 : Récupération de chaleur sur un moteur à gaz [11]
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Par ailleurs, pour éviter que le substrat ne se dépose au fond, le digesteur sera équipé d’un moteur à courant continu pour réaliser le mixage du substrat.
Ce moteur sera alimenté par un système photovoltaïque. La figure 4.5 présente le schéma du digesteur.
Figure 4.5: Schéma du digesteur
4.1.2.3. Volume de méthane productible par jour
Au chapitre 3, nous avons pu remarquer 750 Kg de déchets de panse produit V= 22 m3.
Sachant que le poids des déchets de panse produits par jour à l’abattoir est
Stockage du biogaz
Mixeur Chauffage
du digesteur Entrée déchets
Sortie digestat Sortie du biogaz
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P = 2,3 t, le volume de méthane qui peut être produit pour cette quantité de déchets peut être évalué par la formule 4.1
Soit
Le volume moyen de méthane qu’on peut produire par jour est donc
4.1.3. Stockage du biogaz
Le digesteur étant alimenté en mode continu, il n’est pas nécessaire d’utiliser un gazogène externe pour stocker le biogaz. En effet, la production de gaz sera continue puisqu’il n’y aura pas de temps d’arrêt de production lié au chargement du digesteur. On utilisera donc un digesteur muni d’un dôme où le biogaz pourra être stocké.
4.1.4. Valorisation du digestat
En plus de la production d’un mélange de gaz, la méthanisation produit un digestat. Le digestat est le résidu liquide ou solide issu de la fermentation. Il peut être valorisé en tant qu’amendement organique des sols en substitution ou en complément des engrais chimiques traditionnels. Le digestat peut être valorisé directement en épandage lorsque la composition des sols le permet. Il peut également être mis sur le marché après un processus d’homologation et de normalisation.
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Ainsi, le digestat sera séché et composté. Le compost obtenu sera vendu au maraichers afin d’accroître les recettes de l’Abattoir. Le schéma du système de stockage est présenté à la figure 4.6.
Figure 4.6: Stockage du digestat
4.1.5. Dimensionnement du digesteur
Le TRH ou temps de rétention hydraulique (temps de séjour moyen des boues) est le principal paramètre de dimensionnement d’un digesteur. Il est généralement de l’ordre de 30 jours, ce qui est un compromis entre l’optimisation des performances de la dégradation de la matière organique et le volume du digesteur. [12]
Pour dimensionner le digesteur, nous devons tenir compte du volume de déchets constamment dans le digesteur, du volume d’eau à ajouter au déchets et volume de stockage du biogaz.
Soit V1 le volume de déchets dans le digesteur
Le volume moyen des déchets produits chaque jour étant
On a:
Digestat
Stockage du digestat (liquide)
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Soit D’où
Pour faciliter l’hydrolyse des déchets, il est recommandé que le volume d’eau soit égal à celui de déchets.
Donc
Aussi, le volume de méthane qui peut être produit par jour étant estimé à 67 m3, nous allons prévoir un volume pour le dôme du digesteur qui stockera le biogaz produit.
Le volume nécessaire pour le digesteur est donc
Pour prévenir d’éventuelles surproductions, nous allons installer un digesteur de volume .
Toutefois, le digesteur sera équipé d’une soupape de sécurité pour faire échapper le biogaz en cas de surproduction afin d’éviter une surpression à l’intérieur du digesteur.
4.2. Production d’énergie électrique à partir du biométhane
4.2.1. Choix d’une technologie de conversion du biométhane en énergie électrique
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Afin de choisir la technologie la plus appropriée, nous devons tenir compte à la fois des paramètres techniques et économiques.
Les principaux paramètres à prendre en considération dans le choix de la machine sont donc:
La puissance électrique à installer ;
La consommation en méthane de chaque machine ;
Le niveau de développement et le coût de chaque machine.
4.2.1.1. Différentes technologies de conversion disponibles
Les technologies courantes de valorisation du biogaz en énergie électrique sont les moteurs à gaz, les moteurs dual-fuel (à allumage par injection), et la turbine à gaz. Leurs gammes de puissances varient généralement de 30KW à 15MW. Le tableau 4.1 présente ces technologies et leurs puissances.
Tableau 4.1 : Différentes technologies et leurs puissances [13]
Technologies Gamme de puissance
Moteurs à gaz 30KW-3,6MW
Moteurs dual-fuel 30KW-300KW
Turbine à gaz 1,2MW-15MW
Les plages de variation de puissance électrique de chaque machine étant fixée, il est nécessaire de situer la puissance à installer par rapports aux différentes plages afin de choisir les technologies possibles.
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4.2.1.2. Puissance électrique à installer
L’appel de puissance électrique de l’Abattoir a été évalué au chapitre 1.
La puissance trouvée est P= KW.
En se référant au tableau 4.1, on peut remarquer que cette puissance n’appartient pas à la fourchette admissible pour une turbine à gaz (1,2 MW -15 MW). Nous pouvons donc écarter cette technologie. Par contre les autres technologies (moteur à gaz et moteur dual-fuel) restent applicables. Nous allons donc effectuer un choix final en fonction des autres paramètres.
4.2.1.3. Energie électrique que peut produire chaque type de machine
Dans l’optique d’opérer un choix qui tient compte de la consommation en biométhane de chaque technologie, nous allons évaluer l’énergie électrique que peut produire chaque type de machine à partir de la quantité de biométhane disponible par jour.
La puissance électrique dépend de la capacité de la machine à convertir la puissance primaire en puissance électrique, elle dépend donc du rendement électrique de la machine. Cette puissance peut être déterminée par l’équation 4.3.
Par ailleurs, il faut savoir que le rendement des machines se dégrade s’il elles ne fonctionnent pas à leur charge nominale. Par exemple, pour un moteur, qui aurait un rendement nominal de 37 %, avec un taux de charge de 80 %, le rendement serait dégradé à 90 % du rendement nominal, c’est à dire
33,3 %. [13]
Ainsi, en restant dans l’hypothèse d’un taux de charge de 80%, la puissance électrique effective disponible peut être déterminée par la formule 4.4.
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La production d’électricité est également 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, on voit souvent des variations dans le débit et le taux de méthane du fait de la variété des déchets enfouis.la disponibilité du biogaz est en général compris entre 98 % et 90 %. [13]
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 %. Celle des micro-turbines est entre 98 % et 94 %. Les micro-turbines ont pour avantages d’être souvent en série, donc quand l’une est en panne, les autres peuvent continuer à produire de l’électricité.
Ainsi, pour connaître l’énergie électrique produite, il faut prendre en compte le nombre d’heures de fonctionnement de l’installation , la disponibilité du
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En utilisant l’équation 4.9, nous pouvons déterminer l’énergie électrique que peut produire chaque technologie.
Pour le moteur à gaz, sa disponibilité est 90% et son rendement tourne autour de 33%. [13]
Pour le moteur dual-fuel, sa disponibilité est 90% et son rendement tourne autour de 40%. [13]
Le tableau 4.2 résume ces résultats.
Tableau 4.2 : Energie électrique produite par chaque technologie Différentes technologies Energie électrique produite
( )
Moteur à gaz
Moteur dual-fuel
4.2.1.4. Etude comparative du moteur à gaz et du moteur dual-fuel
Le moteur à gaz fonctionne à 100% au biogaz. L’inflammation du mélange carburé air-gaz dans la chambre de combustion est assurée par
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l’étincelle électrique jaillissant entre les électrodes d’une bougie, d’où le nom : moteur à allumage commandé. Il est intéressant pour des installations de moyenne à grande taille. Son principal avantage est qu’il consomme uniquement le biogaz, mais son utilisation présente l’inconvénient d’interrompre l’approvisionnement en électricité en cas de panne au niveau de la chaîne de gaz. [14]
Le moteur dual-fuel, quant à lui, est un moteur dérivé du moteur Diesel.
Le mélange (combustible/air) est allumé à l’aide d’une faible quantité de carburant diesel, laquelle est injectée sous une pression élevée dans la chambre de combustion où elle s’auto enflamme. Il utilise conjointement du fioul et du méthane en continu, pour lisser les fluctuations de composition du biogaz.
Ce type de moteur présente l’inconvénient d’une consommation de 5 à 15% de carburant diesel, ce qui alourdit les coûts d’exploitation. Les charges d’une installation avec moteur dual-fuel sont élevées surtout à cause de la tendance sans cesse croissante des prix des produits pétroliers et qui ne sont pas toujours disponibles. [14]
Le moteur à gaz est donc la technologie qui convient le mieux à la valorisation du biogaz en énergie électrique dans le cadre de notre projet.
4.2.2. Dimensionnement de l’unité de production d’énergie électrique
Une fois le choix de la technologie à utiliser fait, il faudra dimensionner l’unité de production afin de satisfaire efficacement la demande en énergie électrique de l’Abattoir.
Puissance du groupe électrogène à installer
Le choix du groupe électrogène doit être fait en tenant compte de l’appel de puissance des charges.
L’appel de puissance électrique de l’Abattoir (évalué au chapitre 1) est P= KW.
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Nous allons donc choisir un groupe électrogène d’une puissance normalisée de .
Energie électrique produite
Notre choix s’étant porté sur le moteur à gaz, l’énergie électrique qui peut être produite par jour est : .
Or la demande journalière de l’Abattoir a été évaluée à E = 445 KWh/jour.
La proportion de satisfaction de la demande peut être évaluée par la formule 4.9.
Par conséquent, ce système peut satisfaire la demande en énergie électrique de l’Abattoir de Cotonou à hauteur de 37 %.
Temps de fonctionnement à pleine charge
Ce temps de fonctionnement sera évalué en utilisant l’équation 4.11.
On a:
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Le système pourra donc fournir la pleine puissance pendant 3h18min environ.
Ce résultat montre que le groupe électrogène peut servir de source de relais en cas d’interruption momentanée de la fourniture d’énergie par la SBEE et ce, pendant 3h18min.
Conclusion partielle
Dans ce chapitre, il a été question de présenter le processus de valorisation des déchets de panse en énergie électrique proposé à l’Abattoir de Cotonou. Il découle des différents résultats que le groupe électrogène à installer aura une puissance de 60 KW. Ce groupe pourra couvrir les besoins en énergie électrique de l’Abattoir à hauteur de 37% et pourra servir de source de relais en cas d’interruption de la fourniture d’énergie électrique par la SBEE pendant 3h18min.
Afin d’étudier la rentabilité du projet, une étude économique s’avère nécessaire. Nous allons donc consacrer le chapitre suivant à l’étude économique et à l’impact environnemental du projet.
ETUDE ECONOMIQUE ET IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DU PROJET
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CHAPITRE 5 :
ETUDE ECONOMIQUE ET IMPACTS
ENVIRONNEMENTAUX DU PROJET
ETUDE ECONOMIQUE ET IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DU PROJET
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Introduction partielle
L’importance de tout projet est sa réalisation. Il est donc indispensable d’évaluer sa rentabilité et les changements qu’il apporte à l’environnement. Ainsi, ce chapitre sera basé sur l’étude économique permettant
L’importance de tout projet est sa réalisation. Il est donc indispensable d’évaluer sa rentabilité et les changements qu’il apporte à l’environnement. Ainsi, ce chapitre sera basé sur l’étude économique permettant