ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PRODUCTION LOCALE D’ENERGIE ELECTRIQUE A PARTIR DES BOUES DE VIDANGE AU CENTRE ValDERA

(1)

POUR L’OBTENTION DU

DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

Option : Energie Electrique

ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PRODUCTION LOCALE D’ENERGIE ELECTRIQUE A PARTIR DES

BOUES DE VIDANGE AU CENTRE ValDERA

Thème :

*********

Présenté par : Georges O. GNONHOUE

Sous la direction de :

Dr. Ramanou BADAROU ; Enseignant à l’EPAC ; Maître de mémoire

Professeur Placide CLEDJO, Maître de Conférences des Universités CAMES, Directeur du centre ValDERA

Année académique 2013-2014 7^ème Promotion

Réalisé par :

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Etude expérimentale de la production locale d’énergie électrique à partir des boues de vidange au centre

ValDERA

2014

Mémoire d’ingénieur de conception Réalisé par GNONHOUE .O. Georges Page i

SOMMAIRE

Sommaire………. i

Dédicace ………. iii

Remerciement………. v

Résumé……… vii

Liste des figures……….. … ix

Liste des photos et planches……… xi

Liste des tableaux ……….. xiii

Liste des sigles et abréviations……… xv

Introduction générale ………. 1

Chapitre1: Description sommaire du processus de transformation des boues de vidange en biométhane et évaluation expérimentale du biométhane produit…… 4

1.1- Description sommaire du processus de transformation des boues de Vidange en biométhane……….. 5

1.2- Evaluation expérimentale du biométhane produit 6 1.3- Proposition d’amelioration du système installé dans le centre ValDERA……… 24

Chapitre 2 : Production d’électricité à partir du biométhane ………. 31

2.1- Evaluation de la puissance primaire……… 32

2.2- Technique d’adaptation du biométhane à un groupe électrogène à essence 34

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2.3- Différentes étapes du processus de production de l’énergie électrique…… 39

2.4- Evaluation de la puissance secondaire………. 41

2.5- Dimensionnement du digesteur………... 41

Chapitre 3 impacts socio-environnementaux de la recherche……… 44

3.1 - Impacts de la recherche sur la société et l’environnement……… 45

Conclusion générale et perspectives……… 52

Références bibliographiques ………. 54 Annexes……….

Table des matières……….

a d

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DEDICACE

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DEDICACE

Je dédie ce Mémoire :

 à mon père Augustin GNONHOUE et ma mère Rachelle ODJOUGBELE pour tout ce qu'ils ont fait pour moi ;

 à tous mes frères et sœurs en particulier Dieudonné et Franck Jeannot GNONHOUE ;

 à ma petite sœur défunte Gloria GNONHOUE ;

 à toi Carole HONFOGA qui a toujours su me soutenir pendant les moments difficiles ;

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REMERCIEMENTS

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REMERCIEMENTS

Je ne saurais commencer la rédaction de ce rapport sans adresser mes sincères remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réussite de ce projet:

 au directeur de l’école polytechnique d’abomey-calavi professeur Félicien AVLESSI.

 à mon maître de mémoire Docteur Ramanou BADAROU, pour sa disponibilité et son encadrement tout au long de ce travail ;

 à mon tuteur de stage, le Professeur Placide CLEDJO, Maître de Conférences des universités CAMES, Directeur du centre ValDERA qui malgré ses multiples occupations et sollicitations a accepté de superviser ce travail. Professeur, recevez ma profonde gratitude pour tout ce que vous avez fait pour l’aboutissement de ce travail ;

 au Chef section biométhanisation du centre ValDERA, Monsieur Hénock GNANGA, pour sa contribution à la réussite de mon stage ;

 à tout le personnel du centre ValDERA;

Je ne saurais oublier l'ensemble des enseignants du département de Génie Electrique pour l'excellente formation qu'ils m'ont donnée.

Qu'ils trouvent à travers cet écrit, l'expression de toute ma gratitude.

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RESUME

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RESUME

Ce travail consiste à valoriser en énergie électrique le biométhane qui serait issu de la station d’épuration des boues de vidange du centre ValDERA. Le biométhane est adapté à un groupe électrogène à essence. L’étude de 6m³ de boue vidange a permis d’avoir 3 m³ de biogaz, 0,2 m³ de biométhane par jour.

L’évaluation de la puissance primaire du biométhane a permis d’avoir une énergie primaire de 2 KWh, une puissance primaire de 0,09 KW et une puissance secondaire à la sortir de l’alternateur de 0,023 KW. Afin d’atteindre la puissance réelle du groupe électrogène à essence qui est de 2 KVA, il faut une puissance primaire de 6,4 KW, une production journalière de l’énergie primaire de 147,2 KWh, une production journalière de 0,64 m³ de biométhane et un digesteur de 20 m³. Pour l’agriculture, l’effluent issu du traitement des boues de vidange est utilisé car ce dernier est un fertilisant pour le sol.

Mots clés : boue de vidange, station d’épuration, biogaz, biométhane, énergie électrique.

ABSTRACT

This work deals with the use of the biomethane as the source of electrical energy which comes from the purification station of emptying mud of ValDERA’s center. The biomethane will be adapted to the fuel motor. The study of the 6m³ of emptying of mud allowed 3 m³of biogas, 0,2 m³ biomethane per day. The rating of primary power of the biomethane allowed to obtain a primary energy of 2 KWh, a primary power of 0,09 KW and the secondary of 0,023 KW at the output of the alternator. To reach the real power of the fuel motor which is 2 KVA, it needs the primary power of 6,4KW, a daily production of the primary energy of 147,2 kWh, a daily production of 0,64 m³ of biomethane and a 20 m³ of digestor. For agriculture, the waste descended of the treatment of the draining muds is used because this last is a fertilizing for soil.

Key words: emptying of mud, purification station, biogas, biomethane and electrical energy.

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LISTE DES FIGURES

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Figure 1.1 : Situation géographique du centre ValDERA sur le Campus

d’Abomey-Calavi ... 6

Figure 1.2 : Situation géographique du centre ValDERA sur le campus d’Abomey-Calavi ... 7

Figure 1.2 : Illustrations des objectifs du centre ... 8

Figure 1.3 : Schéma fonctionnel du processus de transformation de la boue de vidange en biométhane ... 8

Figure 1.4 : Déroulement de la digestion de la boue de vidange ... 12

Figure 1.5 : coupe longitudinale d’n digesteur népalais de type GG_204 ... 14

Figure 1.6 : Prétraitement des boues ... 26

Figure 1.7 : Traitement de la boue de vidange ... 28

Figure 1.8 : Schéma fonctionnel du système amélioré ... 29

Figure 2.1 : Différentes étapes du processus de production de l’énergie électrique ... 40

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LISTE DES PHOTOS

ET PLANCHES

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Photo 1.1: Mixeur manuel et bac de chargement ... 15

Photo 1.2: Tuyau de sortie du biogaz ... 16

Photo 1.3 Bac d’effluent et effluent ... 17

Photo 1.4: Détecteur multigaz du centre ValDERA ... 18

Photo 1.5: Piège à eau du centre ValDERA ... 20

Photo 1.6: Filtre à gaz ... 21

Photo 1.7: Compteur permettant de lire le volume de biométhane produit ... 23

Photo 1.10: Compteur permettant de lire le volume de biométhane produit ... 34

Planche 2.1 : Différentes modifications effectuées sur le filtre à air ... 35

Photo 2.1: Détendeur permettant de régler la pression du biométhane ... 36

Photo 2.2 : Manomètre servant à lire la pression du biométhane ... 37 Photo 2.3 : Tuyau dans lequel passe le biométhane pour aller vers le filtre à air 38

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LISTE DES TABLEAUX

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Tableau 1.1 : La production journalière de biométhane……….22

Tableau 3.1 : Effets du NO2 et du SO2 sur les végétaux………..……….46

Tableau 3.2 : Effets de NO2 et du SO2 sur l’homme……….…..48

Tableau 3.3 : Effets du monoxyde de carbone sur l’homme………..……50

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LISTE DES SIGLES

ET ABREVIATIONS

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LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS

ValDERA : Valorisation des Déchets en Energies Renouvelables et en Agriculture

Nm : Newton mètre

FSA : Faculté des Sciences Agronomiques m³: mètre cube

L : litre h : heure

Nm³/h : Normal mètre cube par heure ppm : partie par million

mg : milligramme g : gramme

KVA : Kilovolt Ampere Hz : Hetz

Kpa : Kilopascal

g/KWh : gramme par Kilowattheure kW : Kilowatt

PCI : Pouvoir Calorifique Inferieure kWh/m³: Kilowattheure par mètre cube KJ/m³: Kilojoule par mètre cube

Kcal /m³: Kilocalorie par mètre cube KWh : Kilowattheure

V : Volt N : Newton

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INTRODUCTION GENERALE

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Introduction générale

Pour se développer, l’homme a besoin d’énergie électrique. Le souci grandissant de l'autonomie énergétique a amené les populations à adopter l’utilisation des groupes électrogènes à essence. En raison du coût élevé des produits pétroliers, nous assistons à l’inaccessibilité de l’énergie électrique produite à partir des groupes électrogènes à essence. Afin de résoudre l’accès difficile de la population à l’énergie électrique, l’intérêt est porté sur les sources d'énergies renouvelables dont la boue de vidange. Cette boue de vidange existe en grande quantité dans les fosses septiques dans les grandes villes mais est déversée dans la nature sans aucun traitement ce qui entraîne la pollution de l’environnement. Cette pollution a une conséquence néfaste sur la faune aquatique. Pour remédier à tout ces problèmes, il est nécessaire de faire des recherches sur la valorisation des boues de vidange et de mettre en œuvre des techniques de transformation des boues de vidange en énergie électrique.

.

C’est dans cette optique que s’inscrit le thème de notre sujet intitulé :

«Etude expérimentale de la production locale d’énergie électrique à partir des boues de vidange ».

L’objectif du présent travail est de produire expérimentalement l’énergie électrique à partir des boues de vidange et d’évaluer la quantité d’énergie électrique produite à partir de certaines quantités de boue de vidange, réduire la dépendance en énergie électrique de la population vis-à-vis de la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE). Son intérêt est la protection de l’environnement .

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Pour ce faire, notre recherche s’articule autour de trois chapitres :

 le premier chapitre présente une description sommaire du processus de transformation des boues de vidange en biométhane et l’évaluation expérimentale du biométhane produit ;

 Le deuxième chapitre est consacré à l’évaluation de la production d’énergie électrique à partir du biométhane produit ;

 Enfin dans le troisième chapitre, nous allons faire l’étude de l’impact socio-environnemental de la stratégie de production de l’énergie électrique à partir des boues de vidange.

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CHAPITRE 1

DESCRIPTION SOMMAIRE DU PROCESSUS DE TRANSFORMATION DES BOUES DE VIDANGE EN BIOMETHANE ET EVALUATION EXPERIMENTALE DU

BIOMETHANE PRODUIT

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Chapitre1: Description sommaire du processus de transformation des boues de vidange en biométhane et évaluation expérimentale du biométhane produit

Introduction partielle

La boue de vidange appartient à la famille de biomasse humide du fait de sa teneur en eau et de sa composition en matière biodégradable. Elle est une matière organique parce qu’elle provient des tissus vivants. Les boues de vidange sont constituées de charges organiques qui les rendent polluantes. Cette boue est facilement trouvable et de façon abondante dans les fosses septiques.

Ces boues sont déversées dans la lagune sans aucun traitement ce qui entraine la pollution de l’environnement et la destruction de la faune aquatique.

Ce chapitre a pour objectif de décrire le processus de transformation des boues de vidange en biométhane et d’évaluer expérimentalement le biométhane produit

1.1- Description sommaire du processus de transformation des boues de vidange en biométhane

Pour la production du biométhane, les boues de vidange doivent subir un prétraitement comportant un certain nombre d'opérations à caractère physique ou mécanique. Après le prétraitement, les boues de vidanges subissent le traitement proprement dit puis elles passent dans le digesteur où il y a la production du biogaz. L’épuration du biogaz au niveau des filtres à gaz permet d’obtenir le biométhane.

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au centre ValDERA

2014

1.

2.

Figure 1.1: Schéma fonctionnel du Processus de transformation de la boue de vidange en biométhane

Source : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

1.2- Evaluation expérimentale du biométhane produit

C’est dans le centre ValDERA que l’étude expérimentale du biométhane produit à partir des boues de vidange a été faite.

1.2.1- Présentation du centre ValDERA et ses équipements Le centre est créé d’après l’arrêté rectoral N° 057-2014 /UAC/VR-

AARU/SG/AC portant création, organisation et fonctionnement du centre de valorisation des déchets en énergies renouvelables et en agriculture (ValDERA).

Boues de

Vidange

Prétraitement

s

Traitements

Digesteur

Formation du biogaz Epuration du

biogaz Formation

du

biométhane

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au centre ValDERA

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Le centre ValDERA est limité :

 Au nord par la longueur de la clôture du campus universitaire d’Abomey-Calavi ;

 Au sud par la ferme d’expérimentation de l la Faculté des Sciences Agronomique (FSA) ;

 A l’est par la Faculté des Sciences Agronomique (FSA) ;

 A l’ouest par le bâtiment C de l’école polytechnique d’Abomey- Calavi.

Figure 1.2 : situation géographique du centre ValDERA sur le Campus d’Abomey-Calavi

Source : Grâce Nelly A. TOSSOUKPE ; Janvier 2014

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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.

Son objectif est le suivant :

 valoriser tous les déchets du campus universitaires 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

Figure 1.3 : illustrations des objectifs du centre Source : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

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 les déchets

solides par catégorie Valoriser les déchets triés

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au centre ValDERA

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Il est subdivisé en différentes sections et bureaux que sont :

 Section 1: valorisation des déchets plastiques et assimilés ;

 Section 2: biométhanisation et énergies renouvelables ;

 Section 3: compostage et maraîchage ;

 Section 4 : papiers cartons et assimilés ;

Pour produire le biométhane, il faut d’abord produire le biogaz.

1.2.2- Production expérimentale et évaluation du biogaz produit

Normalement d’après ce qui est dit plus haut, les boues doivent être prétraitées mais ne disposant pas de système de prétraitement, elles sont déversées directement dans le digesteur. La contenance de notre digesteur est de 6 m³. Pour faire notre expérience nous avons rempli totalement le digesteur de 6 m³ de boues de vidange. La fourniture de la boue de vidange est assurée par les camions de vidange de fosse septique. Pour remplir le digesteur, il est versé progressivement les boues de vidange dans le bac de chargement du digesteur [Photo 1.1]. Pour ne pas obstruer le tuyau d’évacuation dans lequel passe la boue de vidange pour aller à l’intérieur du digesteur, il est mélangé la boue de vidange avec le mixeur manuel situé dans le bac de chargement [photo 1.1].

Notons que le digesteur utilisé dans le centre ValDERA est un digesteur continu de type Népalais, son volume est de 6 m³.

En ce qui concerne les caractéristiques le bac d’effluent (chambre de sortie) [photo 1.3] du digesteur est directement relié à la cuve de fermentation (digesteur) par une large ouverture appelée trou d’homme qui permet l’intervention humaine les boues de vidange une fois à l’intérieur digesteur en l’absence d’air (anaérobiose), à une température normale ( 38°C) subissent une série d’activité bactérienne. La « méthanisation » est une activité bactérienne au cours duquel les micro-organismes (bactéries méthanogènes) digèrent la boue de

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vidange. Les matières organiques contenus dans cette dernière se décomposent, sous l’action combinée de différents micro-organismes (cellulolytiques, protéolytiques et lipolytiques). La dégradation s’opère en une suite d’étapes et aboutit à la formation d’un mélange gazeux combustible appelé biogaz. Le biogaz produit dans le digesteur se stocke dans le dôme de ce dernier. Le dôme de notre digesteur [photo1.2] à une capacité de 3 m³. En cas de surproduction du biogaz, c’est-à-dire s’il arrivait que le digesteur produise plus de 3 m³de biogaz, le surplus du biogaz s’échappe par le bac d’effluent et cela se constate par le fait que l’effluent qui 0est dans le bac d’effluent bouillit. La dernière étape de ce processus microbiologique, appelée méthanogenèse, est assurée par les bactéries méthanogènes. Après il est communiqué un tuyau au digesteur pour recueillir le biogaz produit

Le processus de fermentation de la boue de vidange dans le digesteur se déroule en trois étapes.

1^ère étape :

Les bactéries qui décomposent les matières organiques composées telles que les molécules d’hydrates de carbone, les acides, les protéines et les graisses sont actives. On obtient alors des composés soufrés, azotés, les lipides, les sucres et les fibres.

2^ème étape :

De la dégradation des produits issus de la première étape on obtient les sulfides, les acides aminés, les acides gras et les alcools. Ainsi donc, nous obtenons de l’acide butyrique, du méthanol, de l’éthanol, du butanol, ainsi que

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2014

du gaz carbonique, de l’hydrogène sulfuré et des matières non organiques.

L’action essentielle est la fermentation butyrique des polymères.

3^ème étape :

Les matières organiques simples issues de la 2^eme étape sont oxydées et réduites en méthane par les micro-organismes dits méthanogènes et qui ont besoin d’azote.

Cette étape peut être traduite par la réaction suivante :

(C6 H10 O5) n + n H2 O + bactéries méthanogènes → 3 n CH4 + 3nCO2 + ∆T

∆T = Variation de température

Les réactions individuelles sont les suivantes :

 2 C3 H7 COOH + 2 H2O → 5CH₄ + 3CO2 (l’acide est décomposé en méthane)

 2 CH3 CH2OH + CO2 → 2 CH3 COOH + CH4 (l’éthanol est oxydé par le CO2 pour donner du méthane et de l’acide acétique)

 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (le dioxyde de carbone est réduit par l’hydrogène pour donner le méthane et l’eau).

A cet effet, les matières organiques complexes sont dégradées par les micro-organismes en acides organiques simples, en alcool, en CO2, etc. qui, sont à leur tour oxydés par les microorganismes pour produire du méthane.[1]

Ces étapes sont représentées sur la figure [1.5].

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au centre ValDERA

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Figure 1.4 : déroulement de la digestion de la boue de vidange Source : Georges GNONHOUE; Juillet 2014

Biogaz (Boue de vidange)

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au centre ValDERA

2014

Ce processus biologique et chimique complexe requiert le maintien d’un équilibre entre les deux étapes de transformation. Si la 1^ère étape a une vitesse supérieure à celle de la 2^ème étape, l’acide s’accumule, freine la fermentation à la 2ème étape et finit par l’arrêter.

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Etude expérimentale de la production locale d’énergie électrique à partir des boues de vidange

au centre ValDERA

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1 2

3

5 4 6

7

Figure 1.5 : coupe longitudinale d’un digesteur népalais de type GGC_204

8

1 9 0

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Etude expérimentale de la production locale d’énergie électrique à partir des boues de vidange

au centre ValDERA

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: Mixeur manuel :

Il permet d’effectuer un mélange de la boue de vidange dans le bac de chargement afin de faciliter son passage dans le digesteur.

: Bac de chargement :

C’est à ce niveau que sont déversées les boues de vidanges avant leurs passages dans le digesteur.

Photo 1.1: Mixeur manuel et bac de chargement Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

: Le biogaz

C’est le gaz issu de la fermentation de la boue de vidange dans le digesteur.

: Le dôme du digesteur

1

2

3

1

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au centre ValDERA

2014

C’est le gazomètre interne du digesteur.

: Tuyau d’évacuation du biogaz.

C’est grâce à ce tuyau que l’on récupère le biogaz et alimente les accessoires (foyers, lampes etc.…).

Photo 1.2 : Tuyau de sortie du biogaz

Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

: La boue de vidange

Ce sont nos scelles. C’est-à-dire nos matières fécales.

: Tuyau d’évacuation des boues de vidange vers l’intérieur du digesteur.

: L’effluent.

: Bac d’effluent

4

5

8

9

6

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au centre ValDERA

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L’effluent est un fertilisant riche en azote utilisé pour fertiliser le sol. C’est le bac contenant ce fertilisant.

Photo 1.3: bac d’effluent et l’effluent

Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014 : Un arbre alimenté par l’effluent.

L’effluent est utilisé pour arrosé l’arbre donc pour assurer sa croissance.

1.2.2.1- Caractéristiques du biogaz produit

1.2.2.1.1- Propriétés physiques et chimiques du biogaz

Pour évaluer les caractéristiques du biogaz, il est ouvert la vanne du piège à eau [photo 1.5] situé sur le passage du biogaz vers les filtres à gaz qui était fermé. Après nous mettons le sonde de notre détecteur multigaz

[photo 1.4] allumé dans le biogaz qui s’échappe par la vanne ouverte du piège à eau. Les valeurs obtenues sont les suivantes :

Le biogaz issu des boues de vidange se compose comme suit : - méthane (CH4) : 65 %

- gaz carbonique (CO₂): 32,75 % - Hydrogène (H2) : 2 %

7

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au centre ValDERA

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- Hydrogène sulfuré (H2S) : 0,2 % - Monoxyde de carbone (CO): 0,05 % - Vapeur d’eau (H2O) : variable

- autres gaz (N2, O2) : traces

Le biogaz que nous avons fait échapper par le piège à eau n’a pas de couleur donc nous pouvons dire qu’il est un gaz incolore, quand nous avons mis le feu au biogaz facilement ça a pris feu donc nous pouvons dire qu’il est inflammable, le biogaz a une odeur d’œuf pourri.

Nous pouvons dire que Le biogaz est un mélange gazeux (de CH4 ou méthane (gaz naturel), de CO2 ou gaz carbonique, de H2S ou le sulfure d’hydrogène, de H₂0ou de l’eau, de NH₃ ou del’ammoniac et d'éléments traces). Il résulte de l’activité bactérienne en milieu anaérobie (à l’abri de l’air). Cette activité bactérienne s’effectue dans un dispositif appelé digesteur

Photo 1.4: détecteur multigaz du centre ValDERA Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

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Etude expérimentale de la production locale d’énergie électrique à partir des boues de vidange

au centre ValDERA

2014

1.2.3- Production expérimentale et évaluation du biométhane produit 1.2.3.1- Production expérimentale du biométhane produit

Le biométhane est le gaz obtenu après épuration du biogaz. L’épuration du biogaz s’effectue en deux étapes que sont : l’élimination de la vapeur d’eau et l’élimination des autres gaz.

1.2.3.1.1- Elimination de la vapeur d’eau

Le composant utile du biogaz étant le méthane, il convient d’éliminer les autres constituants susceptibles de nuire à sa qualité. La vapeur d’eau, qui s’y figure en faible quantité, compte parmi ceux-ci.

Pour obtenir du biométhane, nous avons d’abord éliminé la vapeur d’eau contenu dans le biogaz à travers le piège à eau et d’acheminer essentiellement le gaz épuré. Ce dernier est situé à un niveau le plus bas du passage du biogaz.

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Photo 1.5: piège à eau du centre ValDERA

Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014 1.2.3.1.2- Elimination des autres gaz

Le biogaz débarrassé de la vapeur d’eau après passage par les pièges à eau est 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 biométhane dépend uniquement de sa teneur en méthane. Il est donc nécessaire de débarrasser le méthane de tous les autres gaz non désirés.

Après avoir éliminé le vapeur d’eau du biogaz, ce dernier passe au niveau du filtre à gaz où les autres gaz (NH3, CO2 et H2S) et les gaz traces sont éliminés et nous n’obtenons que le méthane.

A cet effet, nous avons utilisé un filtre à gaz [photo 1.6] 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).

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Ces filtres sont régulièrement régénérés, afin de permettre l’obtention continue d’un gaz réellement épuré. Cette régénération consiste à changer les substances filtrantes. Elle s’effectue à une périodicité de deux (02) fois par an.

Photo 1. 6 : Filtre à gaz

Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014 1.2.3.2- Evaluation du biométhane produit

Notons que dans les installations de filtre du centre ValDERA, la limaille de fer reste en bas, ensuite le charbon et en haut la chaux afin d’éviter des d’explosion ou une activation de la réaction de la chaux avec l’eau ou la vapeur d’eau.

Pour évaluer le biométhane il est fait un chargement de boues de vidange le 26/08/2014 à 11h30min. Et qu’au lendemain du chargement nous n’avons enregistré aucune production de biométhane au niveau de notre compteur et que c’est 72h après le chargement que cette production a été notée.

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Tableau 1.1 : Production journalière de biométhane

Date Heure Pression (en kpa ) Volume du biométhane produit ( en m³)

29/08/2014 11h30 9 0,652

30/08/2014 11h30 6 0,581

31/09/2014 11h30 3 0,311

01/09/2014 11h30 3 0,311

02/09/2014 11h30 2 0,344

03/09/2014 11h30 1,5 0,122

04/09/2014 11h30 1,5 0,122

05/09/2014 11h30 1,5 0,122

06/09/2014 11h30 1,5 0,122

07/09/2014 11h30 1,5 0,122

08/09/2014 11h30 1,5 0,122

09/09/2014 11h30 1 0,106

10/09/2014 11h30 1 0,106

11/09/2014 11h30 1 0,106

12/09/2014 11h30 1 0,106

13/09/2014 11h30 0,75 0,102

14/09/2014 11h30 0,75 0,102

15/09/2014 11h30 0,75 0,102

16/09/2014 11h30 0,75 0,102

17/09/2014 11h30 0,5 0,08

18/09/2014 11h30 0,5 0,08

19/09/2014 11h30 0,5 0,08

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20/09/2014 11h30 0,5 0,08

21/09/2014 11h30 0 0

Totaux 4,79

Photo1.7: compteur permettant de lire le volume de biométhane produit.

Soit Xi la production journalière de biométhane, fi le nombre de jour et ximoy la production moyenne du biogaz

ximoy = ^∑

( 1.1)

ximoy =

ximoy = 0,2 m³

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Du tableau 1.1 nous pouvons conclure que les installations de production du bio méthane du centre ValDERA produisent par jour en moyenne 0,2 m³ de bio méthane à partir des boues de vidange et c’est sans apport d’eau ni de la matière végétale à l’activité bactérienne

 Cette faible production journalière est due d’une part au fait qu’au petit digesteur que nous disposons dans le centre ValDERA pour nos analyses.

 L’augmentation de la pression et du début s’explique par le fait que les boues sont fraîches et sont au début de leurs activités bactériennes et comme ces dernières sont fraîches il y a une forte activité bactérienne.

 La diminution de la pression s’explique par le fait que nous n’avons pas renforcé la boue de vidange en matière végétale et en eau.

Ainsi donc pour avoir une forte production journalière du biogaz, il faut un digesteur de grande capacité, même type que celle utilisé dans le cadre de nos expériences

1.3- Proposition d’amélioration du système installé au centre ValDERA Comme nous l’avons notifié plus haut, la station d’épuration des boues de vidange du centre ValDERA ne dispose pas de système de prétraitement et de système de traitement des boues de vidange avant que celles-ci n’intègrent le digesteur. Afin d’augmenter la durée de vie de la station d’épuration, nous proposons l’installation du système de prétraitement et de traitement.

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Pour qu’il n’y ait de fuite de gaz en cas de surproduction de biogaz, nous proposons l’installation d’un gazomètre externe.

1.3.1- Prétraitements des boues de vidange

Le but du prétraitement est d'extraire et d'éliminer des boues de vidanges les éléments solides en suspension ou en flottation et qui pourraient constituer une gêne pour les traitements ultérieurs. Les étapes successives du prétraitement sont : le relevage, le dégrillage, le dessablage et le déshuilage ou le dégraissage.

 Le relevage

Il est nécessaire avant tout prétraitement pour assurer un passage libre des boues dans les différents ouvrages de traitement, il est utilisé alors un système de relevage assuré par des pompes à roues multicanales.

 Le dégrillage

Il consiste à retenir les gros déchets solides au moyen de grilles à barreaux verticaux dont l'écartement varie entre 3 et 100 mm en fonction de l'efficacité voulue. Sont ainsi éliminés les bois, plastiques, papiers, bouteilles, feuilles qui sont susceptibles de provoquer des dégâts aux conduites et machines des différentes unités de l'installation.

 Le dessablage et le déshuilage

Le dessablage est de plus en plus associé dans le même ouvrage au déshuilage. Il a pour but d'extraire des boues les sables, les graisses et particules minérales plus ou moins fines en suspension, de manière à éviter l'abrasion des pompes et conduites en aval. Le sable se déposant dans le fond de l'ouvrage, est raclé par pompes montées sur pont roulant. Les huiles et les graisses en principe

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flottent car leurs densités sont inférieures à celle de l'eau. Il est utilisé souvent une aération sous forme de bulles d'air qui augmente la vitesse de montée des particules grasses dont la récupération s'effectue dans une zone de tranquillisation. Le temps de séjour dans ce type d'ouvrage est de 5 à 12 minutes et le débit d'air insufflé est de l'ordre de 0,2 mètre cube et par heure.

Figure. 1.6 : Prétraitement des boues

Après le prétraitement, les boues de vidange passent dans un système de traitement qui se présente comme suit:

1.3.2- Traitement de la boue de vidange

Les traitements proprement dits des boues de vidange se font au niveau du bassin d’égalisation / d’acidification, du bassin de correction PH.

 Bassin d’égalisation/d’acidification Arrivée de la boue

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Les boues de vidange issues du prétraitement entrent d’abord dans le bassin d’égalisation / d’acidification qui a pour rôle :

 d’amortir les fluctuations dans le temps du débit de l'effluent et/ou de ses caractéristiques préjudiciables au bon fonctionnement du procédé biologique ;

 d'amortir les fluctuations de débit dans un procédé physico-chimique (avec une capacité nominale d'ajout de réactifs chimiques) de permettre le fonctionnement continu du procédé de traitement lorsque l'effluent est disponible de façon discontinue ;

 de permettre le mélange si plusieurs effluents sont introduits ;

 d’homogénéiser le _PH en le rendant acide par ajout des acides forts sulfurique, chlorhydrique, ou nitrique.

 Bassin de correction du PH

La boue acidifiée est conduite du bassin d’égalisation vers le bassin de correction PH où le PH est mesuré et corrigé si nécessaire car la zone optimale de pH pour la méthanisation est située aux alentours de la neutralité (6,5 et 7,5).

La neutralisation des effluents acides se fait par ajout des réactifs basiques suivants :

 CaO, chaux vive

 carbonate de calcium CaCO3

 hydroxyde de calcium Ca(OH)₂

 soude NaOH

 carbonate de sodium, Na2CO3

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Figure 1.7 : traitements de la boue de vidange

Boues de vidange

Bassin

d’égalisation/d’acidification

Bassin de correction du

_P

H

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Le système que nous proposons est décrit par le schéma d’étape suivant : Boue de

vidange

Mélangeur électrique

Prétraitement

Traitement

Digesteur

Formation du biogaz

Gazomètre Epuration du

biogaz Formation du biométhane

Figure 1.8: Schéma fonctionnel du système amélioré Source : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

(47)

Conclusion partielle

Eu égard de tout ce qui précède, La production du bio méthane dépend de l’intrant disponible et nécessite plus de techniques et contraintes préalables.

Avec ce digesteur ayant une contenance de 6 m³et une capacité de stockage de 3 m³ de biogaz composé de 65 % de méthane, les installations de traitement des boues de vidange du centre ValDERA produisent expérimentalement de façon journalière en moyenne 0,2 m³ de biométhane.

Pour la suite, nous aborderons la technologie de valorisation de ce biométhane en énergie électrique (production d’électricité à partir de ce biométhane).

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CHAPITRE 2

PRODUCTION D’ELECTRICITE

A PARTIR DU BIOMETHANE

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Chapitre 2 : Production d’électricité à partir du biométhane Introduction partielle

Pour produire de l’énergie électrique, il faut accoupler le moteur thermique à un combustible qui est le biométhane. Or au niveau du centre ValDERA, il y a un moteur thermique à essence. Il faut donc adapter le moteur thermique au biométhane. Le biométhane est le gaz naturel obtenu après avoir épurer le biogaz. Son intérêt réside dans le fait qu’il peut être stocké et valorisé pour la production de chaleur ou d’énergie électrique.

Dans cette partie, option est la transformation du biométhane en énergie électrique. Elle consiste à évaluer d’une part la puissance primaire pouvant être obtenue du biométhane produit et d’autre part à décrire la technologie de conversion développée dans le centre ValDERA.

2.1- Evaluation de la puissance primaire

La puissance primaire dépend du potentiel énergétique du biométhane.

2.1.1- Potentiel énergétique du biométhane

Encore appelé énergie primaire, il s’agit ici du pouvoir calorifique inferieure (PCI) du biométhane récupéré à la sortir des filtres du centre ValDERA.

En effet, le PCI du biométhane est sa capacité à fournir une quantité de chaleur lors de sa combustion.

Le biométhane récupéré a pour caractéristique :

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- production du biométhane garantie (Pb= 0,2 m³/jour)

Le pouvoir calorifique du méthane est : PCImethane = 9 ,94 kWh/m³ [6]

Or 3600 KJ= 1 KWh = 859,824 Kcal .

Soit EP l’énergie primaire du biométhane produit par les boues de vidange disponible au centre ValDERA

E_P= PCI_méthane* Pb [5] (2.1)

EP= 9,94 *0,2 = 2 KWh

Donc le biométhane issu des boues de vidange traitées dans le centre VALDERA a un potentiel énergétique de 2 KWh par jour. Connaissant ce potentiel, nous pouvons donc déduire sa puissance primaire.

D’où Pprim = [5] (2.2)

Nous allons faire la maintenance du groupe électrogène à essence une fois par mois à raison d’une journée par mois.

T1 le temps en heure correspondant à une journée.

T1 =

X 24

T1 = 0,77 heures soit environ 1 heure

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 Le temps de maintenance en une journée de fonctionnement du groupe électrogène est de 0,77 heures soit 1 heure.

Pprim =

P_prim = 0,09 kW

Dans le centre ValDERA, nous ne disposons pas d’un moteur à biométhane.

Mais nous arrivons à produire du biométhane et nous avons un groupe électrogène à essence. Ainsi nous sommes obligés d’adapter le groupe électrogène à essence au biométhane. C’est pour pallier à ce problème que nous avons développé cette technique sur un groupe électrogène à essence de 2KVA, 50Hz, 220V au cours de nos recherches dans le centre ValDERA. Notons que le rendement de notre moteur à essence est de 25%.

2.2- Technique d’adaptation du biométhane à un groupe électrogène à essence

Pour faire fonctionner le groupe électrogène à essence au biométhane nous avons effectué des modifications au niveau du filtre à air du groupe électrogène.

En effet nous avons créé une ouverture au niveau du filtre à air du groupe afin de laisser passer le biométhane.

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Planche 2.1 : différentes modifications effectuées sur le filtre à air Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

Les différentes étapes du processus se présentent comme suit :

 Normalement pour le fonctionnement du groupe électrogène, c’est un ratio air-essence qui est respecté et ce dernier stipule que << Le carburateur alimente le moteur avec un mélange explosif air/essence.

Ce mélange est un dosage précis composé de 20 grammes d'air pour 1 gramme d'essence quelque soit le régime moteur. L'air et l'essence se mélangent en passant à travers le conduit du carburateur …..>>[4].

Donc c’est pour respecter ce dosage qu’au cours de nos recherches nous avons installé un détendeur en amont du filtre à air afin de régler la pression du biométhane à injecter.

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Photo2.1 : détendeur permettant de régler la pression du biométhane.

La valeur de la pression permettant un démarrage du moteur et l’obtention des 220V est de 1Kpa.

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Photo 2.2 : manomètre servant à lire la pression du biométhane Prise de vue : Georges GNONHOUE ; Juillet 2014

 Le groupe électrogène utilisé dans le centre ValDERA ne démarre pas directement au biométhane. Nous avons fait le constat au cours de nos recherches en voulant le démarrer directement au biométhane mais ça n’a pas marché. Mais pour résoudre ce problème nous prévoyons installer un compresseur à haute pression sur le circuit d’alimentation du moteur en biométhane afin d’élever la pression du biométhane afin que ce dernier soit rapidement inflammable. C’est-à-dire nous allons mettre le compresseur haute pression avant le détendeur permettant de régler la

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pression du biométhane. Donc pour lui assurer un premier démarrage, nous allumons le groupe électrogène avec de l’essence ;

 fermer le robinet à essence et nous comptons 1min30s car nous avons constaté au cours de nos recherches que après la fermeture de la vanne d’injection de l’essence c’est après ce temps que le reste de l’essence dans le carburateur finit et que le moteur s’arrête ;

 ouvrir la vanne d’injection du biométhane par le détendeur et communiquer le tuyau dans lequel passe le biométhane à l’ouverture créer au niveau du filtre à air;

Photo 2.3 : Tuyau dans lequel passe le biométhane pour aller vers le filtre à air.

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 ouvrir le circuit d’air du groupe électrogène ;

2.3- Différentes étapes du processus de production de l’énergie électrique

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Figure 2.1 : Différentes étapes du processus de production de l’énergie électrique

Le biométhane

Passage du biométhane dans un détendeur

Calibrer la pression du biométhane à 1KPa

Démarrer le groupe électrogène avec de l’essence

Fermer le robinet à essence et compter 1min30s

Ouvrir la vanne d’injection du biométhane par le détendeur et communiquer le tuyau dans lequel passe le biométhane à l’ouverture créer au niveau du filtre à air;

Ouvrir le circuit d’air du groupe électrogène

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2.4- Evaluation de la Puissance secondaire

La puissance secondaire dépend de la puissance primaire et du rendement du moteur à essence. C’est la puissance obtenue à la sortir de l’alternateur du moteur.

La puissance secondaire PSecon. Le rendement du moteur η .

P_secon= P_Prim* η ( 2.3 ) Le rendement étant de 0,25 on a : Psecon = 0,09 X 0,25

P_secon= 0,023 KW

La puissance secondaire trouvée étant très faible. Cette faible puissance est due au petit volume du digesteur. cette puissance est très petite devant la puissance réelle du groupe électrogène qui de 2KVA, il faut nous alors dimensionner le digesteur de façon à obtenir les 2KVA.

2.5- Dimensionnement du digesteur

Cette partie a pour but de dimensionner le digesteur de façon à obtenir les 2KVA de notre groupe électrogène à essence .

P_secon1:la puissance réelle du moteur.

PPrim1 :la puissance primaire qu’on trouvera à partir de cette puissance réelle.

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Pb1 : la production journalière de biométhane obtenue à partir de la puissance réelle.

EP1 : l’énergie primaire obtenue à partir de la puissance réelle.

D’après (2.3) on a :

P_{Prim1 =} (2.4)

PPrim1 =

Pprim1 = 6,4 KW

D’après (2.2) on a :

E_P1= P_Prim1* t (2.5)

Ep1 = 6 ,4 * 23

E_{p1 =}147,2 KWh D’après (2.1) on a :

Pb1 = _é ( 2.6 )

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Pb1 =

Pb1 = 0,64m³

Avec une production de 0,64 m³de biométhane, nous aurons une production de 9,66 m³ de biogaz. Par conséquent nous aurons un digesteur de 19,32m³soit environ 20m³.

Ainsi pour avoir une puissance secondaire de 2KVA, il faut une puissance primaire de 6,4 KW, une production journalière de 0,64 m³ de biométhane.

Conclusion partielle

La production journalière de 0,2m³ de biométhane a permis d’avoir une énergie primaire de 2KWh, une puissance primaire de 0,09KW et une puissance secondaire de 0,023KW

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