CHAPITRE 1 : PRESENTATION DE L’ABATTOIR DE COTONOU ET EVALUATION
1.5. Besoins en énergie électrique de l’Abattoir de Cotonou
1.5.3. Problèmes liés à l’énergie électrique
Soit :
Avec un taux d’accroissement de 10% tous les cinq ans, cette demande subira une augmentation de 30% à l’horizon 2030.
La demande en énergie électrique mensuelle sera : Soit : avec une moyenne journalière de 445 KWh.
1.5.3. Problèmes liés à l’énergie électrique
L’usine doit s’acquitter d’une facture d’électricité mensuelle d’une valeur moyenne de 1 317 010 FCFA auprès de la SBEE ; ce qui diminue les recettes de cet établissement.
L’absence de groupe électrogène de relais crée un problème de disponibilité d’énergie électrique à l’Abattoir. En effet, les fréquentes coupures d’électricité paralysent parfois les activités de l’usine ; ce qui entraîne des manques à gagner.
PRESENTATION DE L’ABATTOIR DE COTONOU ET EVALUATION DE SA DEMANDE EN ENERGIE ELECTRIQUE
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Conclusion partielle
Au vu des dommages que créent les coupures d’électricité à l’Abattoir, il serait intéressant d’y installer un groupe électrogène de secours pour assurer la continuité de la fourniture d’énergie électrique.
Aussi, dans l’optique d’apporter une solution plus écologique à la gestion des déchets organiques de l’Abattoir, nous pensons qu’il faudra valoriser ses déchets en énergie.
Ces deux objectifs conjugués, nous amènent à orienter notre projet vers l’installation d’un groupe électrogène qui utilisera une matière première totalement gratuite que constituent les déchets de panse. Il faudra donc évaluer la quantité de cette matière première disponible.
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CHAPITRE 2 :
ÉVALUATION DE LA QUANTITE DE DECHETS DE PANSE PRODUITS PAR L'ABATTOIR DE COTONOU
ET PROPOSITION D’UNE TECHNOLOGIE DE
VALORISATION
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Introduction partielle
2.1. Evaluation de la quantité de déchets de panse produits 2.1.1. Présentation des abattages
L’Abattoir de Cotonou est une usine qui fonctionne sept jours sur sept.
C’est dire donc que les animaux y sont abattus quotidiennement. Les animaux abattus sont principalement les bovins, les ovins et les porcins. Mais les déchets de panses sont principalement issus des ovins et des bovins.
Les tableaux qui suivent donnent les abattages de 2010 à 2014 des ovins et des bovins.
Les bovins
Tableau 2.1 : Abattage de bovins de 2010 à 2014 [3]
Année Nombre total
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Le nombre moyen de bovins abattus par jour est donc :
Soit :
Les ovins
Tableau 2.2 : Abattage des ovins de 2010 à 2014 [3]
Années Nombre total
Le nombre moyen d’ovins abattus par jour est donc :
Soit :
2.1.2. Quantité de déchets de panse produits par jour à l’Abattoir de Cotonou
Les déchets stercoraires des porcins sont évacués via les égouts. Les déchets issus des porcins ne sont donc pas pris en compte dans notre étude.
Nous nous intéresserons aux contenus de panse des bovins et des ovins qui constituent la majeure partie des déchets rejetés par l’Abattoir.
Ainsi, pour évaluer la quantité de déchets de panse produits par jour nous allons, à partir de la masse moyenne du contenu de panse par animal, estimer la masse totale de ces déchets de panse pour les deux catégories d’animaux.
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Les bovins
Le tableau 2.3 donne les résultats des pesées de contenus de panse pour un échantillon de vingt (20) bœufs.
Tableau 2.3 : Poids du contenu de panses des bovins
On peut alors évaluer le poids moyen du contenu d’une panse bovine.
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Avec
Donc
Soit
Le poids moyen de déchets de panse par bovin est donc de 40,5 Kg.
Nous pouvons alors déterminer la quantité quotidienne moyenne de déchets de panse produit par les bovins à l’aide de la formule suivante :
Donc
Les bovins produisent donc en moyenne de déchets de panse par jour.
Les ovins
Le tableau 2.4 donne les résultats des pesées de contenus de panse pour un échantillon de vingt (20) ovins.
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Tableau 2.4 : Poids du contenu de panses des ovins
On peut alors évaluer le poids moyen du contenu d’une panse ovine.
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Soit
Le poids moyen de déchets de panse par ovin est donc de 3 Kg.
Le poids total des déchets produits par les ovins peut être calculé par la
La quantité totale de déchets produit par jour peut être alors déterminée.
Soit
Donc
On peut donc escompter en moyenne une disponibilité de 2, 3 tonnes de déchets de panse par jour pour un volume moyen de 3 m3.
2.2. Choix d’une technologie de valorisation des déchets de panses 2.2.1. Présentation des différentes technologies de valorisation
énergétique de la biomasse
Les technologies de valorisation de la biomasse en énergie peuvent être classées en deux grandes catégories : les technologies de valorisation thermochimique et les technologies biochimiques.
La conversion biochimique est une réaction naturelle de décomposition de la biomasse humide par action des bactéries alors que la conversion thermochimique permet la valorisation de la biomasse sèche. Du fait que les déchets de panse constituent une biomasse humide, nous allons nous limiter à la présentation des technologies de valorisation biochimique.
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On a deux formes de conversion biochimique à savoir : la biométhanisation et la fermentation alcoolique.
La biométhanisation
La biométhanisation encore appelée fermentation méthanique ou digestion anaérobie est un procédé de conversion qui fournit, à partir d’une grande variété de biomasse humide (déchets agricoles, ménagers, industriels), un gaz appelé biogaz composé essentiellement de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2).
Le mécanisme de digestion se déroule dans une enceinte bien étanche à l’air appelée digesteur ou réacteur, suivant des étapes bien précises :
L’hydrolyse, par laquelle les macromolécules se décomposent en présence d’eau, en petites molécules solubles à l’origine du jus de fermentation ;
L’acidogenèse qui va transformer les molécules simples, sous l’effet des bactéries en acides de faible poids moléculaire (acide lactique ou acides gras volatils) et des alcools tels que l’éthanol, du bicarbonate et de l’hydrogène moléculaire.
L’acétogenèse au cours de laquelle des bactéries réductrices acétogènes et sulfato-réductrices transforment certains produits issus des étapes précédentes afin qu’ils puissent effectivement produire du méthane ;
La méthanogenèse, dernière phase au cours de laquelle l’acétate (CH3COO-) et le bicarbonate (HCO3-) sont convertis en méthane.
Pour une biométhanisation optimale, la biomasse doit avoir un rapport carbone/azote se trouvant entre 15 et 30. [4]
La fermentation alcoolique
La fermentation alcoolique ne concerne que certaines catégories de biomasse. Il s'agit principalement des sous-produits à forte teneur en glucides, surtout les amidons et les sucres libres. Elle est surtout développée pour traiter les résidus végétaux de l’industrie sucrière tels que les mélasses qui contiennent 50% de glucides.
Le principe de la fermentation se décompose en 3 opérations principales dans des installations de type industriel :
L’hydrolyse : hydrolyse enzymatique par macération dans une solution contenant une ou plusieurs enzymes hydrolytiques. On travaille à 50°C,
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parfois jusqu'à 80-90°C, en milieu acide. On obtient après neutralisation et filtration un sirop de sucre et des résidus.
La fermentation : le sirop est introduit dans le fermenteur puis inoculé à l'aide d'une culture de levures. On opère classiquement à 30-40°C. Des recherches sont effectuées pour travailler avec des souches thermophiles et à hautes pressions afin de permettre une extraction continue de l'alcool produit.
La distillation : c'est l'opération classique de récupération de l'alcool éthylique produit par vaporisation. Il convient de noter qu'elle engendre un investissement de la même importance que celui du fermenteur.
Finalement, on obtient d'une part de l'alcool éthylique, valorisable comme carburant de substitution ou comme produit de base pour l'industrie chimique.
2.2.2. Choix de la technologie la plus appropriée à la valorisation des déchets de panse
Avant de choisir la technologie la plus appropriée à la valorisation des déchets de panse, il convient de tenir compte des caractéristiques physico-chimiques de ces déchets. Le tableau 2.5 présente les caractéristiques des paramètres physico-chimiques des contenus de panse.
Tableau 2.5 : Caractéristiques physico-chimiques des contenus de panse [5]
Si l’on considère les caractéristiques des déchets de panse, on peut remarquer
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que ces déchets ont un taux de matières sèches assez faible ; ce qui est propice à la biométhanisation.
De plus, l’utilisation de la fermentation alcoolique pour la production d’énergie électrique est plus onéreuse que la biométhanisation et elle est généralement utilisée pour la production de biocarburants.
Par conséquent, la technologie que nous allons retenir pour la valorisation des déchets de panse à l’Abattoir de Cotonou est la biométhanisation.
2.3. Description du processus de biométhanisation 2.3.1. Principe de la biométhanisation
Encore appelée digestion anaérobie, la biométhanisation consiste à faire fermenter de la matière organique par des bactéries. La biométhanisation est donc un processus biologique de dégradation de la matière organique par une flore microbienne qui se déclenche en absence d’air. Cette transformation se déroule dans un réacteur appelé digesteur. Elle produit un mélange de gazeux, le biogaz, et un résidu, appelé le digestat.
Le biogaz est un mélange de gaz saturé en eau et composé d’environ 50% à 70% de méthane (CH4), de 20% à 50% de gaz carbonique (CO2) et de quelques gaz traces d’autres gaz comme l’ammoniac (NH3), l’azote ( N2) et l’hydrogène sulfuré ( H2S). Le biogaz a donc une forte teneur en méthane, ce qui en fait un
digestion psychrophile : basse température 15 à 25°C ;
digestion mésophile : température moyenne 30 à 45°C ;
digestion thermophile : température élevée 50 à 65°C. [6]
2.3.2. Les phases de la biométhanisation
La digestion anaérobie est catalysée par des régimes de températures plus ou moins élevées, psychrophile, mésophile ou thermophile, favorables aux
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cinétiques biochimiques. Sous l’action de populations microbiennes, la matière organique subit des transformations successives jusqu’à la production finale de méthane.
L’ensemble des réactions, multiples et complexes, se déroulant dans le digesteur peut se diviser en quatre étapes principales caractéristiques de l’action de différents groupes de micro-organismes : hydrolyse, l’acidogénèse, acétogénèse et méthanogenèse (Figure 2. 1).
L’hydrolyse
Elle consiste en la décomposition des macromolécules qui constituent la matière organique en de petites molécules solubles.
L’acidogénèse
Les molécules simples (monomères) sont transformées sous l’effet des bactéries en acides de faible poids moléculaire (acide lactique et acides gras volatils) et des alcools tels que l’éthanol, du bicarbonate et de l’hydrogène.
L’acétogénèse
C’est ici qu’interviennent des bactéries réductrices acétogènes et des bactéries sulfato-réductrices pour transformer certains produits issus des phases précédentes (acides gras volatils et alcools) en H2, CO2 et acétate. En présence de sulfate, de l’hydrogène sulfuré (H2S) est aussi généré lors de cette étape de transformation.
La méthanogenèse
C’est la phase au cours de laquelle l’acétate (CH3COO-), l’hydrogène et le bicarbonate (HCO3-) sont convertis en méthane par des microorganismes méthanogènes suivant les réactions suivantes :
Réduction du CO2 : CO2 +4 H2 → CH4 + H 2O (30% du méthane produit) Décarboxylation de l’acide acétique : CH3COOH + H2O → CH4 + H2CO3 (70% du méthane produit)
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La figure 2.1 résume les étapes du processus de biométhanisation.
Hydrolyse
Acidogénèse
Acétogénèse
Métanogénèse
Figure 2.1 : Le processus de la biométhanisation [7]
2.4. Différents systèmes de digesteurs
Le digesteur, encore appelé fermenteur ou bioréacteur anaérobie est généralement constitué d’une cuve fermée, étanche à l’air et de préférence isolée thermiquement de l’extérieur dans laquelle différents microorganismes se côtoient pour dégrader chimiquement et biologiquement les déchets et effluents organiques et produire du biogaz. Le choix du digesteur varie en fonction du
MATIERES ORGANIQUES COMPLEXES
(Déjections animales, déchets de l’industrie agro-alimentaire, déchets verts, cultures énergétiques …)
ACETATES et HYDROGENES MATIERES ORGANIQUES SOLUBILISEES (Acides organiques, alcool, hydrogène et CO2 )
MATIERES ORGANIQUES SIMPLES
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type de déchets à traiter et de l’application visée. On peut classer les digesteurs en deux grandes catégories selon le mode d’alimentation : les digesteurs de type continu et les digesteurs de type discontinu.
Le digesteur de type discontinu
Il a l’avantage d’être d’une construction simple. Le mode opératoire consiste à remplir le digesteur avec les substances organiques et laisser digérer, le temps de rétention étant fonction de la température et d’autres facteurs. A la fin de la digestion, le digestat est évacué et le processus peut recommencer. Ces systèmes, rustiques et d’une grande simplicité technique, sont avantageux pour traiter les déchets solides comme les fumiers, les résidus agricoles ou les ordures ménagères. La production de biogaz n’est pas régulière : au début du cycle, la fermentation du substrat ne venant que de commencer, la production de biogaz est lente. Elle s’accélère, et atteint un taux maximal au milieu du processus de dégradation et chute en fin de cycle lorsque seuls les éléments difficilement digestibles restent dans le digesteur. [6]
Le digesteur de type continu
Dans un digesteur continu, le substrat introduit de manière continu est digéré et déplacé soit mécaniquement, soit sous la pression des nouveaux entrants vers la sortie sous forme de digestat. Le fonctionnement en continu, est bien adapté aux installations de grande taille. Il existe trois principaux types de digesteurs continus : système à cuve verticale, système à cuve horizontale et système à cuves multiples. [6]
2.5. Facteurs affectant la production du biogaz
Les facteurs affectant la qualité et la quantité de biogaz sont : le pH, la teneur en matière sèche du substrat, le rapport carbone/azote, le temps de résidence dans le digesteur, l’homogénéité et la granulométrie du substrat. Dans la plupart des cas, le pH est auto-régulé dans le digesteur avec des valeurs optimales comprises entre 6,8 et 7,41 mais un ajout de bicarbonate de soude peut être nécessaire pour le maintien d’un pH par exemple en présence d’un taux élevé en légumes ou de matières à faible teneur en azote. La valeur optimale du rapport carbone/azote se trouve entre 15/1 et 30/1. [6]
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2.6. Les techniques d’épuration du biogaz L’épuration du biogaz répond à trois objectifs :
répondre à la qualité requise par les systèmes de valorisation (moteurs à gaz, brûleurs, turbines à gaz, piles à combustible, véhicules…) ;
augmenter le pouvoir calorifique du gaz ;
normaliser la qualité du gaz. [8]
Le biogaz produit dans les digesteurs contient principalement du méthane et du gaz carbonique. Il peut contenir aussi d’autre composés gazeux en fonction du type déchet traité. Ces composés sont : H2S, H2, NH3, CO, et bien sûr, le biogaz est saturé en eau. Parfois une production de mousse dans le digesteur nécessite son piégeage. Son utilisation nécessite parfois une purification. Cela peut nécessiter un traitement pour retirer des molécules qui pouvaient créer des problèmes (eau ou H2S pour éviter la corrosion) ou enlever les molécules présentes qui n’apportent rien à sa valorisation avant stockage (comme le CO2). Les techniques de traitements utilisées dépendent de la molécule à éliminer. Ce sont des techniques physico-chimiques principalement.
Pour éliminer l’eau on applique des techniques de condensations pour piéger les gouttelettes ou de séchage la vapeur d’eau (refroidissement et piégeage de l’eau), adsorption sur des produits de type silica–gel, séchage au glycol.
L’hydrogène sulfuré peut être retiré du biogaz ou alors on peut prévenir sa formation. Pour cela on dispose de méthodes biologiques ou physico-chimiques. Parmi ces dernières nous noterons l’absorption sur des particules d’oxyde de fer (réaction a ) qui seront régénérées par l’oxygène (réaction b ), l’absorption dans des liquides (solution de soude diluée, solution de chlorure de fer), ou l’utilisation de techniques séparatives comme les membranes et les tamis moléculaires.
FeO3+ 3 H2S Fe2S3+ 3 H2O (réaction a ) 2 FeS3+ 3 O2 2 FeO3+ 6 S (réaction b ) Les techniques biologiques réalisent la réaction : 2 H2S + O2 2 S + 2 H2O
Un apport maîtrisé d’oxygène dans un réacteur biologique qui traite le biogaz
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conduit à la réaction d’oxydation de l’H2S suivante : 2 H2S + O2 2 S + 2 H2O
Pour prévenir la formation d’H2S on peut ajouter dans le réacteur du chlorure de fer. Ceci se fait principalement dans des réacteurs traitant des déchets solides.
Le gaz carbonique peut être séparé par adsorption à haute pression sur des lits de charbon actifs régénérés ensuite, par des techniques membranaires, ou d’absorption physiques (dans l’eau ou le méthanol), ou chimiques (solutions alcalines). [9]
2.7. Valorisation du biogaz peut être aussi utilisé pour réchauffer l’installation de méthanisation.
Certaines usines le valorisent en faisant tourner des moteurs couplés à des générateurs d’électricité pour produire de l’énergie électrique qui est soit utilisée sur place soit injectée sur le réseau de distribution public.
Cette utilisation via des moteurs à explosion liée à des générateurs électriques peut être couplée à la récupération de la chaleur produite via le liquide de refroidissement.
Conclusion partielle
L’Abattoir de Cotonou produit une grande quantité de déchets de panse. Ces déchets constituent une biomasse qui peut être valorisée par biométhanisation pour produire de l’énergie électrique afin de contribuer à la disponibilité de l’énergie électrique pour cette industrie agro-alimentaire.
Avant une production à grande échelle, il conviendra alors d’évaluer le potentiel méthanogène d’un échantillon de ces déchets.
EVALUATION EXPERIMENTALE DU VOLUME DE METHANE PRODUIT PAR LES DECHETS DE PANSE
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CHAPITRE 3 :
EVALUATION EXPERIMENTALE DU VOLUME DE METHANE PRODUIT PAR LES DECHETS DE
PANSE
EVALUATION EXPERIMENTALE DU VOLUME DE METHANE PRODUIT PAR LES DECHETS DE PANSE
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Introduction partielle
Avant d’envisager une utilisation à grande échelle des déchets de panse pour la production d’énergie électrique, il est nécessaire d’évaluer le volume de méthane produit par ces déchets. Cette évaluation nous permettra d’estimer la quantité d’énergie électrique que l’on peut produire à partir des déchets de panse à l’Abattoir de Cotonou.
Ainsi, le présent chapitre, sera consacré à l’évaluation expérimentale du volume de méthane produit par les déchets de panse.
3.1. Présentation du cadre expérimental
Nos expériences ont été réalisées au Centre de Valorisation des Déchets en Energies Renouvelables et en Agriculture (ValDERA).
Le centre est créé d’après l’arrêté rectoral N° 057-2014 /UAC/VRAARU/SG/AC portant création, organisation et fonctionnement du Centre de Valorisation des Déchets en Energies Renouvelables et en Agriculture (ValDERA).
C’est le Professeur Placide CLEDJO qui a la responsabilité du centre d’après l’arrêté rectoral N°977-2014/UAC/SG/AC/SRH portant nomination
C’est le Professeur Placide CLEDJO qui a la responsabilité du centre d’après l’arrêté rectoral N°977-2014/UAC/SG/AC/SRH portant nomination