Installations de biogaz : production flexible d'énergie renouvelable à partir de la biomasse
La technologie de biogaz utilise des processus naturels respectueux de l'environnement
Objectivement, le biogaz est considéré comme un sous-produit inflammable de la fermentation anaérobique de matières organiques. Le biogaz est un des éléments les plus flexibles dans le bouquet des énergies renouvelables. Il peut être stocké sous forme de chaleur ou d'électricité de sorte que l'énergie peut être utilisée lorsqu'elle est nécessaire. Cette flexibilité fait du biogaz un excellent supplément à l'énergie solaire ou éolienne, qui sont toutes deux de fiabilité fluctuante et difficiles à réguler.
Vogelsang offre des composants fiables pour la production économique de biogaz. Du pompage au broyage et de la désintégration à l’alimentation de digesteurs, Vogelsang offre une gamme complète de technologie de biogaz pour toute la ligne de fermentation. C'est pourquoi nous nous considérons comme des partenaires dans le secteur du biogaz. Avec nos clients, nous développons continuellement notre technologie de biogaz, l'adaptant aux changements continus dans les conditions sous-jacentes pour apporter des solutions pour la production efficace de biogaz. Un aspect important de ceci est l'analyse individuelle de chaque installation de biogaz. C'est la seule façon de déterminer et de réaliser pleinement le potentiel d'optimisation.
Situation internationale dans le secteur du biogaz
Aujourd'hui, en Allemagne seulement, il y a environ 10 000 installations de biogaz (selon la méthode de comptage utilisée), apportant de l'électricité à la population – en Europe, il y en a plus de 17 000. La taille moyenne d'une usine de biogaz diffère d'un pays à l'autre en fonction du type de biogaz utilisé. Cela signifie que dans certains pays, les petites installations de biogaz sont particulièrement encouragées. En Allemagne, il y a des installations d'un maximum de 75 kWel qui recyclent presque exclusivement des déchets agricoles. De l'autre côté, il y a aussi des installations de grande taille générant plusieurs mégawatts (MW). Les matières de départ sont des matières renouvelables recyclées, de même que des déchets organiques ménagers et des déchets alimentaires.
Applications dans les installations de biogaz
Une installation de biogaz est construite de façon à offrir des conditions optimales pour la production de biogaz : la biomasse est conservée dans de larges cuves (« digesteurs ») où elle fermente en l'absence de lumière et d'oxygène. Cette fermentation anaérobique se produit en quatre étapes, durant lesquelles chaque bactérie spécialisée convertit la biomasse étape par étape, produisant du biogaz. Ces « étapes » (aussi appelées « phases ») sont les suivantes :
- Première étape : hydrolyse (digestion des matières brutes)
- Deuxième étape : acidogenèse (acidification)
- Troisième étape : acétogenèse (formation d'acide acétique)
- Quatrième étape : méthanogenèse (formation de méthane)
Le biogaz lui-même consiste principalement en méthane et en dioxyde de carbone, mais aussi en plusieurs autres gaz comme le sulfure d'hydrogène, l'azote, l'oxygène et l'ammoniac. À la fin du processus de fermentation, il vous reste le « digestat », résidu de fermentation, qui peut être utilisé en agriculture comme engrais. Cela complète ce cycle naturel ; sans autre sous-produit utilisable, le biogaz est très durable.
Biogaz : la vache en béton
Si l'on tient compte des étapes de processus décrites ci-dessus, il y a de grandes similarités entre l'appareil digestif d'une vache – ce qui explique pourquoi une installation de biogaz est aussi appelée la vache en béton. Dans les installations de biogaz comme dans l'appareil digestif des ruminants, les bactéries convertissent la biomasse en énergie. Le processus dans les installations de biogaz modernes appelé « préparation du substrat » est l'équivalent de la mastication chez la vache. L'hydrolyse a lieu dans le premier estomac de la vache (la panse). L'acidification et la formation d'acide acétique a lieu dans le feuillet et la caillette, tandis que l'énergie est générée (c.-à-d. absorbée dans le corps de la vache) dans l'intestin grêle, le gros intestin et l'appendice de la vache. La matière solide d'entrée (substrat) est une autre similitude frappante. Comme leurs vaches, de nombreux agriculteurs alimentent leurs installations de biogaz avec des matériaux renouvelables, comme l'ensilage de maïs et d'herbe.
Les éléments d'une installation de biogaz
Les éléments fondamentaux importants de toutes les installations de biogaz sont les suivantes :
- Substrat / Alimentation en matières solides
- Réservoir du digesteur
- Mélangeurs pour le mélange dans les digesteurs
- Stockage de gaz
- Stockage de résidu de fermentation pour les matériaux fermentés restants
- Le biogaz généré est généralement utilisé pour une unité de cogénération ou, plus rarement, pour le traitement et le stockage du gaz dans le réseau
Une unité de cogénération est un moteur à essence couplé à un générateur qui génère de l'électricité (énergie) à partir de l'énergie du biogaz. Les mélangeurs sont nécessaires, car ils sont les seuls à pouvoir créer des conditions optimales pour la génération du biogaz lorsque le digesteur est bien mélangé de façon uniforme. L'objectif de l’alimentation en matières solides consiste à introduire la biomasse solide dans le digesteur. Idéalement, cela est réalisé avec une faible consommation énergétique et un fonctionnement sans problème, indépendamment du type de biomasse.
Les matières solides qui peuvent être utilisées dans une installation de biogaz dépendent de plusieurs facteurs. Fondamentalement, le contenu organique devrait être très dense, puisque c'est la seule façon de le convertir en biogaz. Le délai de rétention doit aussi correspondre aux matières solides utilisées. Le délai de rétention fait référence au délai moyen que passe la biomasse dans le digesteur jusqu'à ce qu'elle sorte. Si le délai est trop court, les bactéries n'ont pas suffisamment de temps pour décomposer la plupart des matières solides tel que nécessaire. De ce fait, l'énergie contenue dans la biomasse n'est pas entièrement utilisée. Du point de vue technologique, ça n'est pas un problème, mais cela nuit au fonctionnement rentable de l'installation de biogaz. Les matières de départ à forte énergie n'apportent pas non plus automatiquement un fort rendement économique. Il faut aussi tenir compte des coûts des matières de départ et l'énergie qu'ils produisent effectivement. Finalement, la permission officielle doit être demandée pour la biomasse sélectionnée.
Fermentation humide ou sèche – les deux méthodes de fermentation
Les installations de biogaz sont souvent catégorisées en fonction de différents aspects. Par exemple, on fait une distinction entre la fermentation humide et la fermentation sèche. Pendant la fermentation humide, les matières solides sont mélangées avec un liquide. Il en résulte une suspension organique généralement fluide qui est déplacée au moyen de pompes. Pendant la fermentation sèche, la biomasse empilable est remplie dans un « digesteur en boîte » ou un « digesteur en garage » puis pulvérisé avec un liquide (le « percolat »). Le percolat s'écoulant du bas est collecté et réappliqué sur le dessus de la biomasse. Cela facilite le processus de fermentation et, par conséquent, permet la production de biogaz. Ce type d'installation n'est pas si répandu et sert principalement à la fermentation des déchets organiques comme les déchets verts et les déchets alimentaires des foyers.
Installations de biogaz et de biométhane – C'est ce qui en ressort qui compte
Une autre distinction concerne les installations de biogaz et celles de biométhane. Les deux installations produisent du biogaz. Dans les installations de biogaz (le type le plus courant en Allemagne), le biogaz est un peu traité puis est converti directement en électricité et en chaleur dans une unité de cogénération à proximité. Les installations de biométhane traitent tellement le biogaz que – comme le gaz naturel – il se compose presque entièrement de méthane. Ce biométhane peut donc être alimenté directement dans le réseau de gaz naturel, où il peut être transporté et brûlé là où l'énergie est nécessaire.
Installations de traitement des déchets : utilisation sensée des déchets organiques
Une autre classification courante repose sur la biomasse utilisée. Elle distingue les installations de cofermentation ou installations de traitement des déchets des installations de traitement des matières renouvelables. Le terme d'« installation de cofermentation" remonte aux débuts du boom du biogaz en Allemagne. Les agriculteurs bâtissaient des systèmes dans lesquels ils souhaitaient générer et utiliser de l'énergie se trouvant toujours dans le lisier sous forme de biogaz. Ils ont rapidement réalisé qu'ils pouvaient produire beaucoup plus de biogaz s'ils ajoutaient aussi des co-substrats au lisier, comme de la nourriture non consommée, des céréales ou des déchets organiques. Cela a donné naissance au terme d'installation de cofermentation pour les installations de biogaz qui fermentent les résidus et déchets industriels de même que les déchets agricoles comme le lisier et le fumier. Avec le temps, la proportion de ces installations de biogaz agricoles qui fermentent les déchets a considérablement diminuée. À la place, de nombreuses installations industrielles ont été bâties pour la gestion des déchets municipaux, commerciaux et industriels. Au cours de ce développement, le terme « installation de traitement des déchets » a commencé à être utilisé pour les installations de biogaz dans lesquelles étaient fermentés des déchets organiques.
Installations de matières renouvelables – ce qu'elles sont et ce qui les distingue
Le terme d'installation de matières renouvelables vient d'une période pendant laquelle le gouvernement avait décidé de promouvoir la fermentation des matières renouvelables, comme les cultures énergétiques en particulier. En plus des déchets agricoles, ces installations de biogaz ne peuvent fermenter que des matières brutes renouvelables. Les déchets agricoles sont généralement du fumier et du lisier. Les matières renouvelables (cultures énergétiques) sont généralement les suivantes :
- Ensilage d'herbe et maïs d'ensilage,
- GPS (ensilage de plantes entières)
- Cultures telles que les pommes de terre, les navets, etc. à condition qu'elles ne soient pas ou n'aient pas été destinées à une production alimentaire.
Ce type de plante est répandu en Allemagne. Elles sont soumises à des règles et des subventions spéciales couvertes par la loi allemande sur les énergies renouvelables (EEG). Pour de nombreuses exploitations agricoles, elles offrent une source raisonnablement prévisible et fiable de revenus.
Lorsque tous ces points sont pris en compte, une technologie d’alimentation en matières solides adaptée pouvant alimenter la biomasse de façon rentable doit être installée dans l’unité de biogaz. Les déchets liquides de l'agriculture, comme le lisier et la glycérine ou les résidus de collecteurs de graisses, peuvent généralement être pompés directement dans le digesteur avec une pompe. Parce que cela signifie souvent des déchets contenant des matières étrangères, comme des pierres, des éléments métalliques et des impuretés (p. ex., bois, courroies), nous recommandons l'utilisation de broyeurs et de séparateurs de matières étrangères pour réduire les matières jusqu'à une taille gérable.
Hygiène
Lors de l'utilisation de matières de départ qui sont soumises à des réglementations sur l'hygiène, un nettoyage approfondi est nécessaire pour assurer la destruction de tout parasite, virus ou bactérie contenus dans le matériau qui pourrait représenter une menace pour l'environnement. Cela s'applique en particulier aux substrats d'origine animale, comme les déchets d'abattoir ou les déchets alimentaires. La procédure la plus courante exige de chauffer le matériau intrant à une température allant jusqu'à 70 °C pendant une heure, puis de le broyer jusqu'à une taille maximale de 12 mm. Les systèmes éprouvés pour ce processus sont des broyeurs à contact combinés à des pompes volumétriques. Les pompes volumétriques de Vogelsang pompent souvent des déchets visqueux et abrasifs en toute sécurité, tandis qu'une grille en nid d'abeilles de 12 mm dans le dilacérateur RotaCut assure que tous les éléments sont réduits jusqu'à la taille maximale admissible. Des options spéciales assurent qu'aucun matériau d'entrée n'est acheminé sans être traité dans le dilacérateur.
Processus d'alimentation pour la biomasse non liquide
Les installations de biogaz sont principalement alimentées par des matières solides non liquides (aussi appelées substrats). Les processus d'alimentation peuvent être grossièrement divisés en deux catégories : l'alimentation en matières solides et l’alimentation en matières liquides. Pour l'alimentation en matières solides, les matières de départ sont mises directement dans le digesteur. Les vis sans fin sont la méthode le plus souvent utilisée, acheminant les matières solides vers le haut et dans la suspension organique. Le principal avantage de cette technologie réside dans les coûts d'investissement relativement bas. Toutefois, la matière solide doit être mélangée par les mélangeurs dans le digesteur, ce qui n'est possible qu'avec des niveaux énergétiques très élevés. De même, cette technique n'est pas entièrement adaptée aux substrats à fibre longue (p. ex. herbe de remorque autochargeuse, paille ou déchets agricoles comme le fumier).
Pour l’alimentation en matières liquides, la biomasse est d'abord mélangée avec une suspension liquide, le digestat (aussi appelé recirculat) du digesteur. Ce processus est appelé brassage. La bouillie qui en résulte est alors acheminée vers l'espace de fermentation (cela signifie en général qu'elle est pompée). Les avantages de cette procédure sont que la biomasse arrive dans le digesteur sous forme liquide et que le mélange exige une consommation énergétique significativement moindre avec un contenu de digesteur qui se mélange bien avec la suspension organique. Si les matières solides sont aussi traitées simultanément, les exigences réduites en énergie s'accompagnent aussi d'une augmentation de la génération de gaz. Cela réduit aussi significativement le problème répandu que représente la formation de couches flottantes.
Il existe aussi des systèmes en alimentation liquide qui, en plus des matières renouvelables, peuvent aussi alimenter en déchets organiques avec des propriétés extrêmement différentes. De nombreuses installations de biogaz s'appuient sur de tels systèmes. C'est soit parce qu'ils souhaitent aussi utiliser des cultures comme les pommes de terre ou les betteraves en plus des matières renouvelables classiques soit parce que la biomasse utilisée a des propriétés extrêmement fluctuantes (p. ex. déchets alimentaires ou déchets organiques domestiques). D'autres installations de biogaz réagissent de façon très flexible, car elles achètent la biomasse disponible actuellement sur le marché à des conditions favorables. Des systèmes tels que le PreMix sont conçus pour ces types d'installations de biogaz. Ils peuvent alimenter le digesteur avec différents types de biomasse de façon fiable, simple et bien brassée, répondant à une exigence fondamentale de fonctionnement économique pour ces installations de biogaz.