Pour dimensionner les unités de méthanisation, il est nécessaire d’estimer la production de méthane de manière suffisamment précise pour que la filière de valorisation du biogaz ne soit ni sous-dimensionnée (nécessité de torcher du biogaz) ni sur-dimensionnée (investissement supplémentaire superflu). Pour cela, il est possible dans un premier temps d’utiliser des données moyennes issues de la bibliographie. Par la suite, des analyses de potentiel méthanogène sont souvent réalisées afin d’estimer plus précisément la production de biogaz. Sur la base de ces chiffres, on considère que la production de méthane dans le digesteur sera proche de 80% du potentiel méthanogène (Parkin et Owen, 1986). Si pour les substrats originaux les analyses de potentiel méthanogène sont nécessaires, la question se pose
Teneur en méthane
CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
néanmoins pour les substrats « génériques » pour lesquels des données moyennes existent mais peuvent être soumises à d’importantes variations du fait des spécificités de chaque co-substrat produit. La validité de ces deux types de données sera ici discutée en comparant la variabilité inter-site (à laquelle sont soumises les données génériques) et la variabilité intra-site ou temporelle (à laquelle sont soumises les données mesurées sur intra-site).
Les cas de trois substrats seront considérés dans le cadre de cette analyse : les boues biologiques, les lisiers de porc et les graisses de flottation. Pour obtenir les résultats de cette étude, le potentiel méthanogène d’un substrat produit sur un site est supposé suivre une loi normale.
4.1. Exemple des boues biologiques
Des données génériques sur les boues biologiques ont été générées grâce à des mesures de potentiel méthanogène effectuées sur 14 sites différents (station d’épuration urbaines et agro-industrielles). D’autre part, 6 mesures de potentiel méthanogène ont été effectuées sur un même site (station d’épuration urbaine) réparties sur 18 mois. Ces résultats sont présentés Figure 34.
Figure 34: Variabilité inter-site et intra-site des données de potentiel méthanogène observées sur les boues biologiques.
BMP (Nm3 CH4.tMO-1 ) CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Les données inter-sites présentent un BMP moyen de 258 Nm3CH4/tMO et 90% des données sont comprises entre 210 et 341 Nm3CH4/tMO. Le BMP moyen mesuré sur le site unique est de 252 Nm3CH4/tMO. Au vu de la variabilité intra-site observée, on peut montrer que pour que cette valeur moyenne soit estimée avec un intervalle de confiance à 90% dont l’amplitude est inférieure à celle observée sur les données « génériques », au moins 4 mesures successives du potentiel méthanogène sont nécessaires. De plus, pour que cette donnée moyenne soit estimée avec un intervalle de confiance à 90% ne représentant pas plus de + ou – 10% de la valeur moyenne, 11 mesures successives du potentiel méthanogène sont nécessaires.
4.2. Exemple du lisier de porc
Des données génériques pour un lisier de porc mixte ont été générées grâce à des mesures de potentiel méthanogène effectuées sur 25 exploitations différentes (prélèvement en fosse d’homogénéisation). D’autre part, 5 mesures de potentiels méthanogènes ont été effectuées sur une même exploitation entre 2007 et 2010. Ces résultats sont présentés Figure 35.
Figure 35 : Variabilité inter-site et intra-site des données de potentiel méthanogène observées sur les lisiers de porc.
BMP (Nm3 CH4.tMO-1 ) CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Les données inter-sites présentent un BMP moyen de 188 Nm3CH4/tMO et 90% des données sont comprises entre 96 et 277 Nm3CH4/tMO. Le BMP moyen mesuré sur le site unique est de 226 Nm3CH4/tMO. Au vu de la variabilité intra-site observée, on peut montrer que pour que cette valeur moyenne soit estimée avec un intervalle de confiance à 90% dont l’amplitude est inférieure à celle observée sur les données « génériques », au moins 2 mesures successives du potentiel méthanogène sont nécessaires. De plus, pour que cette donnée moyenne soit estimée avec un intervalle de confiance à 90% ne représentant pas plus de + ou – 10% de la valeur moyenne, 8 mesures successives du potentiel méthanogène sont nécessaires.
4.3. Exemple des graisses de flottation
Des données génériques concernant les graisses de flottation ont été générées grâce à des mesures de potentiel méthanogène effectuées sur 17 sites différents (station d’épuration urbaines et agro-industrielles). D’autre part 5 mesures de potentiel méthanogène ont été effectuées sur des graisses de flottation provenant d’une même charcuterie industrielle sur 18 mois. Ces résultats sont présentés Figure 36.
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Figure 36: Variabilité inter-site et intra-site des données de potentiel méthanogène observées sur les graisses de flottation.
BMP (Nm3 CH4.tMO-1 ) CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Les données inter-sites présentent un BMP moyen de 881 Nm3CH4/tMO et 90% des données sont comprises entre 585 et 1151 Nm3CH4/tMO (les données maximales sont supérieures au maximum théorique du fait de pertes de matière durant la mesure de la matière sèche des produits notamment). Le BMP moyen mesuré sur le site unique est de 888 Nm3CH4/tMO. Au vu de la variabilité intra-site observée, on peut montrer que pour que cette valeur moyenne soit estimée avec un intervalle de confiance à 90% dont l’amplitude est inférieure à celle observée sur les données « génériques », au moins 3 mesures successives du potentiel méthanogène sont nécessaires. D’autre part, pour que cette donnée moyenne soit estimée avec un intervalle de confiance à 90% ne représentant pas plus de + ou – 10% de la valeur moyenne, 10 mesures successives du potentiel méthanogène sont nécessaires.
Pour les trois substrats étudiés, il est nécessaire de réaliser entre 2 (lisier de porc) et 4 (boues biologiques) mesures successives sur un même site pour que l’incertitude sur la valeur moyenne liée à la variabilité temporelle des propriétés du substrat soit inférieure à l’incertitude sur le BMP moyen lié à son estimation à partir de données génériques. De plus, pour atteindre une incertitude (avec un intervalle de confiance de 90%) inférieure à + ou – 10% de la valeur moyenne déterminée, entre 8 (lisier de porc) et 11 (boues biologiques) points de mesures sont nécessaires sur un même site. Même s’il est souvent difficile d’envisager plus de 2 à 3 points de prélèvement sur un même substrat dont on veut mesurer le potentiel méthanogène, ces mesures remettent en cause l’intérêt de la réalisation d’une analyse unique de potentiel méthanogène sur le substrat. Il s’avère dans les cas étudiés que les données génériques moyennes semblent, à condition qu’elles existent, autant, voir plus, précises qu’une seule mesure ponctuelle. Néanmoins, elles permettent de se prémunir contre des substrats « extrêmes » (boues biologiques très faiblement biodégradables, boues biologiques agro-industrielles contenant des graisses, …) pour lesquels les données génériques ne sont pas valides.