CHAPITRE 2 : ÉVALUATION DE LA QUANTITE DE DECHETS DE PANSE PRODUITS
2.7. Valorisation du biogaz
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.
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CHAPITRE 3 :
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 du directeur du Centre de Valorisation des Déchets en Energies Renouvelables et en Agriculture de l’Université d’Abomey-Calavi. [10]
Les objectifs du centre sont :
valoriser tous les déchets du campus universitaire d’Abomey-Calavi
Colleter et transporter tous les déchets ménagers produits par les usagers de l’UAC vers le centre ValDERA
Trier des déchets solides par catégorie
Valoriser les déchets triés Il est subdivisé en quatre sections :
Section 1: valorisation des déchets plastiques et assimilés ;
Section 2 : valorisation des papiers, cartons et assimilés ;
Section 3: biométhanisation et énergies renouvelables ;
Section 4: compostage et maraîchage.
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3.2. Dispositif expérimental
Pour déterminer expérimentalement le pouvoir méthanogène des déchets de panse, nous avons utilisé plusieurs matériels. Le dispositif expérimental est schématisé à la figure 3.1 :
Figure 3.1 : Dispositif expérimental
Le digesteur
Le digesteur est constitué d’une cuve fermée, étanche à l’air dans laquelle différents microorganismes se côtoient pour dégrader chimiquement et biologiquement les déchets et effluents organiques et produire du biogaz. Le digesteur est alimenté par le bac de chargement et le digestat est recueilli au niveau du bac d’effluent comme l’illustre la figure 3.2.
Digesteur
Manomètre Compteur à
gaz Filtres
brûleur
Biogaz
Méthane Déchets de
panse
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Figure 3.2 : Coupe longitudinale d’un digesteur népalais [10]
: Mixeur manuel : Bac de chargement
: Le biogaz
: Tuyau principal d’évacuation du biogaz : Le digesteur
: Bac d’effluent
: Plante alimentée par l’effluent
: Canal de drainage des déchets vers le digesteur : L’effluent
: : Dôme du digesteur
1 2
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4
5
6 7 8
9
10
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Les filtres à biogaz
Le biogaz qui sort du digesteur est un mélange de vapeur d’eau, de méthane et d’autres gaz. Le biogaz est débarrassé de la vapeur d’eau après passage par le piège à eau mais reste toujours un mélange de méthane (CH4), de gaz carbonique (CO2), de sulfure d’hydrogène (H2S), d’ammoniac (NH3) et d’autres gaz. Or, le potentiel énergétique du biogaz ne dépend que de sa teneur en méthane. Il est donc nécessaire de débarrasser le méthane des autres gaz non désirés. A cet effet, on utilise un filtre à gaz à l’intérieur duquel se trouvent la chaux (pour capter le CO2), la limaille de fer (pour capter le H2S), et le charbon de bois (pour capter le NH3). La figure 3.3 présente le filtre que nous avons utilisé pour notre expérience.
Figure 3.3 : Les filtres à biogaz
Le compteur à gaz
Le compteur à gaz utilisé est installé en aval des filtres et permet donc de mesurer le volume de méthane produit. Ce compteur permet de mesurer le volume de méthane au millième de m3 près (figure 3.4).
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Figure 3.4 : Le compteur à gaz
Le manomètre
Le manomètre permet de mesurer la pression du méthane produit. La figure 3.5 est une image du manomètre que nous avons utilisé. Ce manomètre permet d’indiquer la pression du méthane au dixième de KPa près.
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Figure 3.5 : Le manomètre
Le brûleur
Pour que le compteur puisse tourner et indiquer le volume de méthane produit, il faut nécessairement utiliser le méthane produit. A cet effet, nous avons brûlé le méthane avec le brûleur de la figure 3.6.
Figure 3.6 : Le brûleur
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Les tuyaux de canalisation peut en extraire. Pour ce faire, nous avons fait un prétraitement des déchets qui consiste notamment à trier afin d’en retirer tout autre déchet non biodégradable.
Ensuite, nous avons pesé les déchets avant de faire le chargement dans le digesteur. Notons que les déchets ont été mélangé à 1m3 d’eau afin de favoriser l’hydrolyse et donc d’accélérer la méthanisation. Une fois le chargement fait, on laisse la méthanisation se poursuivre jusqu’à épuisement de la production de biométhane. Nous avons relevé la pression et le volume du méthane produit chaque jour à l’aide du compteur à gaz et du manomètre.
3.4. Résultats obtenus
Nous avons relevé la pression et le volume du méthane produit chaque jour. Les résultats des mesures sont résumés dans le tableau 3.1.
Tableau 3.1 : Relevés journaliers du volume et de la pression du méthane
Date Pression (KPa) Volume (m3)
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14/08/2015 05,4 0,878
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Les figures 3.7 et 3.8 présentent respectivement la courbe d’évolution de la pression et celle du volume de méthane produit.
Figure 3.7 : Courbe d’évolution de la pression de méthane
Figure 3.8 : Courbe d’évolution du volume de méthane
0
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Le volume total du méthane produit est donc d’environ .
Les déchets de panse produisent donc de méthane à partir de 750Kg de déchets.
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.
SYSTEME DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE A PARTIR DES DECHETS DE PANSE PROPOSE POUR L’ABATTOIR DE COTONOU
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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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