Modélisation du scénario Métha

Le modèle développé sous GaBi est présenté dans les parties suivantes. Un bref rappel des substrats pris en compte sera présenté puis chacun des trois modules « centre de méthanisation », « épuration et combustion » et « valorisation du digestat » seront décrits (cf. Figure 12). Un focus sur la modélisation des transports sera finalement réalisé.

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II.3.1. Les substrats et leur caractérisation

Les substrats pris en compte dans la modélisation sont les substrats énoncés en partie II.1.2, à savoir :

· Effluents d’élevages :

- du fumier et du lisier d’une exploitation bovin lait, produisant aussi du fumier de volailles ;

- du fumier de dinde.

· Les déchets des gros producteurs :

- les biodéchets de restaurations collectives (écoles primaires, collèges, lycées, hôpitaux, établissements d'hébergement pour personnes âgées dépendantes EHPAD) ;

- les biodéchets de restaurations d’entreprises ;

- les biodéchets de grandes et moyennes surfaces (GMS). · Les déchets des industriels :

- Les biodéchets d’industries agro-alimentaire (refus de production, graisses végétales et animales) ;

- Les biodéchets d’industries des huiles végétales (tourteaux et farine d'extraction de tournesol, terres de filtration des huiles) ;

- Les boues de STEP industrielles ;

- Des poussières de silo (poussières de diverses céréales).

Les caractérisations des substrats proviennent de la base de données fournie par Akajoule (confidentielles). Ces caractérisations ont permis de déterminer la composition globale du mélange des substrats (taux de matière sèche, de matière organique, BMP moyen, composition N, P et K…).

II.3.2. Module « Centre de méthanisation »

Ce module est constitué de deux entités : le procédé d’hygiénisation des substrats et le digesteur anaérobie.

II.3.2.1. Procédé d’hygiénisation

Les substrats tels que les déchets de cuisine et assimilés ainsi que les graisses doivent subir un prétraitement, l’hygiénisation, avant d’être introduits dans le digesteur (réglement européen CE 1069-2009). Ce prétraitement est réalisé dans le but de supprimer la flore potentiellement pathogène. Il correspond à un réchauffement de la matière jusqu’à 70°C pendant au moins une heure. Une consommation de chaleur et d’électricité sont associés à ce procédé et sont calculés selon l'Équation 1 et l'Équation 2. La chaleur utilisée est produite sur place par une chaudière brûlant les gaz d’échappement et du biométhane produit par le digesteur.

Avec : α : besoin en chaleur (kWhth.tMB^-1), valeur Akajoule Q : Energie thermique (kWh_th) β: besoin en électricité (kWhe.tMB^-1), valeur Akajoule E : Energie électrique (kWhe) MBh : tonnes de matières brutes de déchets à hygiéniser

= × Équation 1

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II.3.2.2. Digesteur

La modélisation de l’alimentation énergétique du digesteur est tout d’abord développée. Les calculs concernant la production de biogaz sont ensuite détaillés. La production de digestat, déduite de celle du biogaz, est finalement présentée.

· Besoin en chaleur et en électricité

Le procédé de méthanisation est mené en voie sèche et en condition mésophile (autour de 37 °C). On considère que les déchets hygiénisés entrent dans le digesteur à la bonne température, sans besoin d’un nouvel apport de chaleur. Les déchets non hygiénisés ont cependant besoin d’être chauffés. Comme pour l’hygiénisation, la chaleur provient de la combustion in situ d’une partie des gaz produits. La quantité de chaleur nécessaire est calculée selon l’Équation 3. Les pertes thermiques à travers les parois du digesteur ont été considérées comme négligeables. Une consommation électrique liée à l’apport des matières et au mélange des substrats est calculée selon une équation similaire à l’Équation 2.

Avec : MBnh: tonnes de matières brutes non hygiénisées Q : Energie thermique (kWhth) Tdig : température du digesteur (°K)

c_e : Capacité thermique massique de l’eau (J.K^-1.kg^-1) T_ext : température extérieur (°K)

· Production de biogaz et émissions vers l’atmosphère

Le volume de méthane récupéré en sortie du méthaniseur est calculé suivant l’Équation 4. Les potentiels méthanogènes ou BMP (Biochemical Methane Potential) étant des valeurs de production de méthane obtenues au laboratoire, il a été considéré que seulement 78 % du BMP était atteint en conditions réelles (DIGES 2.0). A partir du volume de CH4, le volume de CO2 est calculé grâce à la composition moyenne du gaz déterminée grâce aux données issues de Bioptigaz.

Avec : 0,78 : taux de production de méthane (DIGES 2.0) V_CH4 : Volume de méthane valorisable (m-3) 0,05 : taux de fuites

MO_mélange : tonne de matière organique

BMP_mélange : Potentiel méthanogène moyen du mélange de substrats (m3 de CH₄/ tMO)

Il est aussi considéré qu’une quantité d’eau s’évapore par mètre cube de biogaz produit (valeur issue de l’expertise Akajoule) et que le biogaz contient une teneur en H2S de 50 ppmv (valeur par défaut du logiciel Biométhane Calculator).

La littérature scientifique rapporte que les pertes de biogaz dues à des fuites (raccords de tuyauteries, valves non étanches…) comptent pour 1 à 10% du biogaz initialement produit, mais les données expérimentales confirmant ces valeurs sont rares. Nous avons donc fixé arbitrairement un taux de fuite de 5% du biogaz produit vers l’atmosphère, comptabilisant des émissions de CH4, de CO2 et d’ H2S vers l’atmosphère.

· Production de digestat

La masse de digestat est ensuite déterminée par un bilan massique (Équation 5 et 6). Les masses d’azote, de phosphore et de potassium ne sont pas affectées par la digestion mais leur teneur dans le digestat est calculée avec le tonnage en matière sèche sortant du méthaniseur.

= × × − / 3 600 000 Équation 3

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Avec :

MS : tonne de matière sèche MB : tonne de matière brute m : masse des différents gaz

Les deux produits, biogaz et digestat, sont envoyés respectivement vers un procédé d’épuration et une filière de valorisation du digestat.

II.3.3. Module « épuration du biogaz »

La modélisation de l’ensemble des procédés liés à la gestion et au traitement du biogaz et des produits issus de celui-ci est ici exposée. A la sortie du digesteur, une partie du biogaz est brûlée en torchère tandis que le reste subit une série de traitements permettant d’obtenir le biométhane.

II.3.3.1. Torchère et émissions de combustion

Du fait d’opérations de maintenance et de fluctuations de la production et de la demande, une partie du biogaz n’est pas valorisée et est brûlée en torchère. La plage de variation du biogaz brûlé va de 2 à 30% du biogaz brut (ADEME 2007). En considérant que l’unité sera optimisée pour la valorisation effective du biogaz, nous avons appliqué un pourcentage de 2% de biogaz brûlé en torchère.

Les émissions de CH4, de CO2, de CO, de NOx et de SOx émis vers l’atmosphère lors de la combustion du biogaz sont comptabilisées (cf. Tableau 4). Concernant les émissions de CO2, l’ensemble du CO2 biogaz entrant dans la torchère est comptabilisé auquel s’ajoute le carbone introduit sous forme de CH4 et ayant réagi totalement par combustion (Équation 7).

Tableau 4 : Facteurs d'émissions lors de réactions de combustion

Emissions dans l’air ^{Facteur du modèle (adapté de (ADEME 2007) et d’EcoInvent)} g.Nm^-3 biogaz brut vers la torchère

NOx 0,2

SOx 0,5

CH4 4,1

CO 7,17

CO2 voir Équation 7

Ce modèle de réaction de combustion sera aussi utilisé pour les procédés faisant intervenir une combustion de biométhane, de gaz d’échappement et de gaz naturel.

II.3.3.2. Obtention et valorisation du biométhane à partir de biogaz

Dans cette partie seront décrites la modélisation des procédés d’épuration du biogaz en vue de son injection dans le réseau, ainsi que la modélisation de la chaudière de valorisation de gaz d’échappement. = _é − ( + ) = _é − ( + + _{é é} ) Équation 5 Équation 6 (é )= + − _é + _é × Équation 7

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L’épuration du biogaz consiste en une désulfuration suivie d’une extraction du CO2 par un procédé d’adsorption par variation de pression (PSA, Pressure Swing Adsorption). Avant d’être injecté dans le réseau, le biométhane est finalement odorisé par ajout de tétrahydrothiophène (en France). Ce composé, ajouté jusqu’à 40 mg.m^-3 de biométhane (soit un besoin de quelques dizaines de kilogrammes par an pour ce scénario), est cependant absent des bases de données PE et EcoInvent et ne sera donc pas modélisé par manque de données.

· Piégeage du Sulfure d’Hydrogène

Le sulfure d’hydrogène est un gaz corrosif et dangereux pouvant être produit au sein du méthaniseur. Celui-ci doit être extrait avant toute autre valorisation du gaz, notamment lorsqu’il s’agit d’injection dans le réseau de gaz naturel ou de la production de carburant. Plusieurs procédés de désulfuration sont décrits dans la littérature : précipitation du soufre dans le digesteur, désulfurisation biologique, lavage aux oxydants chimiques, adsorption sur oxyde métallique ou charbon actif (Vienna University of Technology 2012).

Dans le cadre de notre étude, nous avons choisi le lavage aux oxydants chimiques, qui est selon le procédé le plus couramment utilisé (Siefers 2010). Le H2S est tout d’abord piégé en phase aqueuse par de la soude en produisant du sulfure de sodium selon l’équilibre de l’Équation 8. L’ajout d’hypochlorite de sodium (NaOCl) permet de stabiliser le soufre en sulfate de sodium (Équation 9).

Les procédés de production des solutions aqueuses d’hydroxyde de sodium titrée à 50% et d’hypochlorite de sodium titrée à 15% sont issus de la base EcoInvent. Ces réactifs sont ajoutés en excès (une fois et demi en excès par rapport aux coefficients stœchiométriques d’équilibre) afin de refléter la réalité opérationnelle.

· Procédé PSA

Le procédé d’épuration du biogaz retenu est un procédé d’adsorption du CO2 par variation de pression. Les deux gaz obtenus en sortie de l’épurateur sont du biométhane composé à 97% de méthane et les gaz d’échappement riches en CO2 (96%). Les calculs modélisant les débits de sortie des deux types de gaz ont été confirmés par le logiciel Biométhane Calculator. Le débit de biométhane est ainsi calculé suivant l’Équation 10 (équation similaire pour le débit des gaz d’échappement).

L’adsorbant, constitué de charbon actif ou de zéolithe, possède une durée de vie d’environ 15 ans (Aile 2012). Il est ainsi considéré comme faisant partie de l’infrastructure et n’est pas intégré dans les frontières du système. Seule la consommation électrique est considérée pour cette étape et a été estimée à 0,25 kWélec.m^-3biogaz (Astrade 2014) Des émissions atmosphériques de CH4

et de CO2 sont calculées via un taux de fuites de 1% de biométhane (Jury, Benetto et al. 2010). H2S + 2 NaOH↔ Na2S + 2 H2O Équation 8

Na2S + 4 NaOCl→ Na2SO4 + 4 NaCl Équation 9

é _é = é × ^{% 4 − % 4 é}

25 · Valorisation du biométhane et des gaz d’échappement

L’utilisation de biométhane en sortie de réseau a été modélisée suivant le modèle de combustion décrit en II.3.3.1. L’énergie libérée par cette combustion a été estimée via le pouvoir calorifique inférieur (PCI en kWh.m^-3) du biométhane. Biométhane Calculator détermine le pouvoir calorifique supérieur (PCS) des différents gaz obtenus et, pour les gaz de type gaz naturel, il est souvent admis que le rapport PCS/PCI est de 1,111 (le PCI prend en compte la chaleur nécessaire à la vaporisation de l’eau issue de la combustion).

Les besoins en chaleur de l’unité de méthanisation sont fournis par l’unité de méthanisation elle-même (autoconsommation). Les gaz d’échappement issus du procédé PSA pauvres en méthane sont ainsi valorisés grâce à une chaudière à bas PCI. La réaction de combustion suit le même modèle que celui présenté en II.3.3.1. L’énergie libérée par ces gaz d’échappement peut ne pas être suffisante pour remplir les besoins de l’unité. Un appoint de biométhane a ainsi été modélisé pour remplir la totalité des besoins de l’unité, même si le biométhane envoyé en chaudière ne représente qu’une infime partie du biométhane produit (environ 0,2%).

II.3.4. Module « valorisation du digestat »

La valorisation du digestat est réalisée à travers deux filières : épandage direct (13%) et compostage (87%). La masse de digestat épandu directement dépend de la masse d’azote que peuvent recevoir les 125 hectares de l’exploitation bovin lait. Il a été considéré que 140 Unités d’azote par an pouvaient être épandues sous forme de digestat (la norme fixée par la Directive européenne Nitrates étant de 170 Unités d’azote). La modélisation de l’étape compostage du digestat est tout d’abord développée. L’épandage du compost et du digestat est ensuite présenté.

II.3.4.1. Filière de compostage

Une filière de compostage est composée de trois étapes distinctes : fermentation, criblage et maturation. Le modèle utilisé pour le compostage de biodéchets frais du scénario D.réf a une structure identique à celui présenté ici. Seuls les facteurs d’émissions, liés à des cinétiques de dégradation différentes, varient.

La première phase du compostage est la fermentation aérobie qui permet d’obtenir un compost frais. A dire d’expert, du fait de la présence de boue de station d’épuration, l’ajout d’un structurant est nécessaire afin de maintenir une bonne aération. Le choix du structurant dépend des éléments disponibles sur le territoire à un coût optimisé : déchets ligneux, déchets verts, chutes de palettes de bois, structurants en plastique… A défaut de connaissance spécifique du structurant utilisé, nous avons choisi un refus de criblage de compost de déchets verts (RCCDV), analysé par l’Irstea au cours du projet ESPACE (Téglia, 2008).

A dire d’expert, ce structurant est ajouté au compost selon un rapport de deux volumes de structurant pour un volume de digestat (cf. Figure 13). Au cours du compostage, environ un tiers du structurant ajouté est dégradé. Ainsi, un tiers du carbone et de l’azote apporté par le structurant est composté et devient du carbone et de l’azote pouvant être à l’origine d’émissions gazeuses (facteurs d’émissions présentés en Annexe 6). Le structurant non dégradé est séparé du compost pendant le criblage et est de nouveau mélangé à du digestat pour un nouveau cycle de fermentation aérobie. Les consommations liées à l’étape de criblage n’ont pas été modélisées.

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L’étape de maturation du compost frais permet de stabiliser la matière organique et d’obtenir un compost mûr. Cette étape correspond à un simple stockage de la matière et dans le cadre de la modélisation, les émissions attribuées à cette étape sont comptabilisées à l’étape de fermentation.

L’utilisation d’engins nécessaires pour la manipulation des matières organiques n’a pas été modélisée.

II.3.4.2. Epandage direct sur l’exploitation bovin lait et épandage du

compost

L’épandage du digestat et du compost de digestat, tout comme l’épandage des effluents agricoles et du compost du scénario D.réf, est modélisé suivant le même modèle. Seule la valeur des facteurs d’émissions varie selon le type de matière épandue (cf. Annexe 6). Les émissions de CO2, de NH3 et de N2O sont comptabilisées vers l’atmosphère tandis que les émissions de NO3^- et de PO4^3- sont comptabilisées vers l’eau.

De la même manière que pour le compostage, l’utilisation d’engins agricoles nécessaires à la manipulation des effluents (transferts sur l’exploitation et épandage) n’est pas prise en compte dans la modélisation.

II.3.5. Modélisation des transports de matières

II.3.5.1. Gisements et archétypes

Au total, 53 gisements de déchets et effluents ont été identifiés comme mobilisables pour la méthanisation. Ces gisements se différencient entre eux de manière qualitative par le type de producteur et par le type de déchet produit (déchets de cuisine, tourteaux de tournesol…). Pour faciliter la modélisation du transport et le traitement des résultats, 43 gisements ont été regroupés sous 5 archétypes (cf. Figure 14). Les archétypes correspondent ainsi à un ensemble de structures de même type produisant les mêmes biodéchets. Par exemple, tous les restaurants d’entreprises produisent des déchets de cuisine et sont donc rassemblés sous le même archétype. Seules des valeurs quantitatives varient entre chaque producteur d’un même archétype (tonnage de biodéchets et distance avec l’unité de méthanisation).

27 Du fait des particularités de certains gisements, des structures n’ont pu être rattachées à un archétype. Ainsi, 10 gisements sont modélisés à part ou fusionnés avec un seul autre gisement ; cela concerne notamment les effluents d’élevage et les différents déchets industriels. L’hôpital a aussi été différencié des EHPAD étant donné que le volume de déchets produit par l’hôpital est plus de dix fois supérieur à la masse moyenne générée par les EHPAD.

II.3.5.2. Distances et modes de transport

Dans le système étudié, les étapes de transport se situent au niveau des étapes de collecte des déchets et de valorisation du digestat. L’ensemble des entités étant géoréférencées, les distances des transports ont été calculées précisément grâce aux outils de SIG. Les distances entre les gisements des substrats mobilisables et l’unité de méthanisation se situent entre 3 et 22 km.

Les archétypes ont servi à faciliter la modélisation du transport en regroupant des gisements sous un même ensemble. Les distances entre les archétypes et l’unité de méthanisation sont des distances moyennes pondérées par les tonnages transportés (Équation 11).

Avec :

D_A : distance moyenne pondérée de l’archétype A m_i : tonnage d’un gisement d_i : distance entre un gisement et l’unité de méthanisation

Dans l’Équation 11, les distances di réellement parcourues ne sont pas forcément les distances issues du traitement SIG entre le gisement et l’unité de méthanisation. En effet, pour certains

= ^{∑ ( × )}

∑ ( ) ^{Équation 11}

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gisements, une collecte hebdomadaire a été considérée (restauration collective, d’entreprises et GMS). Cette collecte se fait sur 52 semaines, exceptées pour les cantines scolaires qui ne produisent pas pendant les vacances scolaires. 32 semaines de collecte ont donc été comptabilisées pour ces dernières. Pour ces gisements, la distance di utilisée est donc la distance déterminée par les SIG multipliée par le nombre de collectes. Dans cette modélisation, les collectes n’ont cependant pas été optimisées en organisant les collectes entre plusieurs gisements. Les distances de transport sont donc maximisées par cette modélisation.

Le même camion de transport de la base de données PE a été utilisé pour toutes les étapes de transport. Il s’agit d’un camion de norme Euro 5 (type de camion le plus récent) d’une capacité de 18,4 tonnes. Le remplissage du camion a toujours été fixé à la moitié de la capacité afin de prendre en compte les émissions dues au retour à vide. Le paramètre de la vitesse du camion (et donc de sa consommation en carburant) peut être choisi entre urbain, rural ou autoroute. Les déchets de cuisine, le lisier et le digestat sont transportés selon une conduite de type urbaine (lente), les autres déchets sont transportés selon une conduite rurale, plus rapide (cf. Figure 14).