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TÉLÉPHONIQUE |
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 jeudi 9 septembre 2010
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Énergies renouvelables |
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Méthanisation
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Présentation
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La méthanisation est un procédé biologique de transformation de la matière organique en biogaz par l’action de bactéries. Le procédé se déroule en plusieurs étapes, avec des bactéries adaptées à chaque étape, exactement comme pour la digestion des aliments :
. l’hydrolyse, qui transforme les molécules complexes (cellulose, lipides, protéines…) en molécules plus simples (acides gras…) ;
. l’acidogénèse, qui transforme ces acides en acide acétique, en gaz carbonique et en hydrogène ;
. la méthanogénèse, qui transforme l’acide acétique en méthane et gaz carbonique, et le gaz carbonique et l’hydrogène en méthane.
Ces actions sont menées par des bactéries que l’on retrouve à l’état naturel : par exemple dans les intestins, au fond des marais, dans la vase, le fumier… Ce sont ces bactéries qui permettent la digestion des aliments. Elles vivent sans oxygène : on parle de « digestion anaérobie ». Pour que la méthanisation se réalise, il n’y a aucun besoin d’ajouter des bactéries : elles sont déjà présentes dans les déjections animales et se développent spontanément lorsque certaines conditions sont remplies (température, pH, humidité).
Les produits « digestibles » par ces bactéries sont les lisiers, les fumiers, les végétaux, des déchets de l’agro-alimentaire, des boues, des déchets de cuisine, des graisses et, d’une façon générale, tout produit… digestible ! Un digesteur fonctionne comme un estomac ou le rumen d’une vache. Il peut digérer de la paille, par exemple, si elle est rendue digestible en ajoutant de l’ammoniaque (que l’on trouve aussi dans les déjections).
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Exemple/Cas concret
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Nous citerons l'installation de méthanisation d'un GAEC des Ardennes. Ce GAEC a investi 201.440 € (en 2005) en auto-construction, répartis ainsi :
Digesteur : béton, chauffage, bardage, couverture : 80 640 €
Terrassement : 4 830 €
Local technique : 8 100 €
Pompes, agitateurs : 27 700 €
Tuyauterie : 9 130 €
Unité de désulfurisation du biogaz : 300 €
Cogénérateur : 35 000 €
Electricité : 13 700 €
Armoires de commande : 4 770 €
Raccordement réseau : 2 030 €
Chauffage des habitations : 8 840 €
Pour une année, l’installation rapporte :
Vente d'électricité : 19 095 €
Economie d'engrais minéral : 1 005 €
L’exploitation dépense de quoi entretenir l’installation :
Frais de fonctionnement annuels : 2 260 €
Le temps de retour sur investissement a été évalué à 6 ans.
Attention, ces chiffres sont à prendre avec précautions ; ils ne sont pas représentatifs du marché actuel de la méthanisation quand on suit la voie classique, c'est à dire en faisant appel à un constructeur. Les tarifs ci-dessus sont quasiment 3 fois moins élevés que ceux que l’on observe lorsque l'on consulte des constructeurs.
En auto-construction, on estime que cette installation a demandé 3000 heures de temps de main d'oeuvre.
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Questions/réponses
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Faut-il stocker le biogaz ?
Il faut 1.000 m3 (ballon souple par exemple) pour stocker l’équivalent de 700 litres de fioul. Le stockage sous pression permettrait de réduire ce volume, mais la compression est coûteuse et consomme de l’énergie. Cette option est réservée aux installations très importantes. Le biogaz doit être utilisé pratiquement au fur et à mesure de sa production. Une installation de méthanisation possède en général une capacité tampon, qui correspond à quelques heures de production. Elle est :
. soit intégrée au digesteur ou à la fosse de stockage du digestat,
. soit en ouvrage séparé (ballon souple).
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Le biogaz est-il dangereux ?
Le biogaz est explosif, corrosif et toxique (présence d’hydrogène sulfuré), et un minimum de précautions doit être pris pour éviter la dégradation rapide des matériels et les risques pour les personnes : appareils électriques adaptés près de la « zone gaz », surveillance des fuites, matériaux non corrosifs. Lorsque ces précautions élémentaires sont prises, le risque est très faible.
Les quantités d’énergie stockées sont comparables à celles qui sont stockées dans une cuve de fioul domestique.
Le stockage sous une légère surpression empêche toute infiltration d’air, et donc toute formation de mélange explosif.
En cas de fuite et d’incendie, une flamme se développe au point de fuite mais le biogaz n’explose pas.
|  | | | | Soupape de sécurité (photo Solagro) |
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Quelles sont les utilisations du biogaz ?
Le biogaz peut être utilisé pour produire, par exemple :
. de l’eau chaude (chaudière) ;
. de l’air chaud (brûleur en veine d’air ou récupération sur gaz d’échappement moteur ou chaudière) ;
. de l’électricité par moteur. Le rendement d’un moteur est d’environ 30 %. 1 m3 de biogaz produit 2 kWh électrique.
La cogénération consiste à utiliser la chaleur du moteur pour produire de l’eau chaude. Pour 1 kWh électrique, on peut récupérer 1,5 kWh de chaleur. L’utilisation la plus fréquente du biogaz est la cogénération : production d’électricité et récupération de la chaleur pour chauffer le digesteur et les bâtiments voisins. Les consommations de chaleur sont en général limitées, et on n’utilise que rarement la totalité de la chaleur disponible.
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Faut-il chauffer le digesteur ?
Les bactéries travaillent à la même température que le corps humain, autour de 37°C. Les digesteurs doivent être isolés thermiquement. Une partie du biogaz (environ 20 à 30 %) est utilisée pour maintenir cette température. En général, le chauffage s’effectue par un échangeur à l’intérieur du digesteur.
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Quelles sont les propriétés du produit digéré ?
Le produit digéré - ou digestat - contient la matière organique non biodégradable (lignine…), les matières minérales (azote…) et l’eau.
Il peut être stocké et manipulé sans odeurs nauséabondes par rapport à un produit non traité. Sa valeur fertilisante n’est pas dégradée. Seule la fraction rapidement putrescible de la matière organique est transformée en gaz, la fraction ligneuse qui contribue à la formation de l’humus n’est pas attaquée.
L’azote est majoritairement sous forme d’ammoniaque : plus facile à gérer que l’azote organique, mais aussi plus volatile. La valorisation agronomique doit donc tenir compte de ces propriétés pour en tirer le meilleur parti. La méthanisation n’est pas un moyen de « détruire » l’azote, mais un procédé conservatif de l’azote qui constitue un outil pour améliorer la gestion de l’azote.
Si l’on tamise le digestat, on obtient un produit solide qui contient l’essentiel de la matière organique stable, et une bonne part du phosphore. Ce produit est utilisable comme amendement de fond (restauration de l’humus, relargage progressif de faibles quantités d’azote). La fraction liquide contient au contraire peu de matière organique, mais l’essentiel de l’ammoniac. Elle est utilisable comme engrais liquide (effet fertilisant immédiat), en remplacement des engrais minéraux azotés.
|  | | | | En fin de cycle: le digestat (photo Solagro) |
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A quoi ressemble une unité de méthanisation ?
Le digesteur est constitué d’un réservoir étanche, en béton ou en acier, où les matières à digérer séjournent plusieurs semaines. C’est le coeur du procédé, ou plus exactement son estomac. La méthanisation se déroule classiquement à 37°C (mode dit « mésophile »), et plus largement entre 20 et 60°C. Pour que les bactéries colonisent l’ensemble de la masse en fermentation, il est nécessaire d’homogénéiser le produit. Un digesteur est donc généralement chauffé et brassé. Le brassage est essentiel : il permet d’homogénéiser le substrat et d’éviter la formation d’un chapeau de masse solidifiée à la surface, ce qui empêcherait l’évacuation du biogaz. Il existe différentes techniques de brassage, qui peuvent être complémentaires.
|  | | | | Unité de brassage (photo Solagro) |
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Quels sont les principaux types de digesteurs ?
On distingue trois types de digesteurs:
. les digesteurs-fosse : ce sont des fosses à lisier classiques, couvertes par une membrane étanche et thermiquement isolante. Le digesteur fosse est équipé d’un pilier central, qui supporte une structure en bois sur laquelle est posée une membrane isolante.
. les digesteurs silos : ce sont des cuves verticales, en acier ou béton.
. les digesteurs horizontaux, en acier.
Les digesteurs « modernes » sont à fonctionnement continu : le produit est introduit de façon régulière, par exemple par pompage (substrats liquides), ou par trémie et pompe hacheuse (fumiers) voir pompe à béton (substrats solides). Une quantité de matière équivalente est extraite par surverse.
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Qu'est-ce que le biogaz ?
La méthanisation produit du biogaz, contenant environ 60% de méthane et 40% de gaz carbonique. Le méthane est le principal constituant du gaz naturel (gaz de Lacq, de Groningue, d’Algérie…). 1 m3 de biogaz possède un pouvoir calorifique d’environ 6 kWh soit l’équivalent énergétique de 0,6 litre de fioul.
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Quelle quantité de biogaz peut-on produire ?
La production de biogaz varie entre 15 m3 par tonne de lisier et 50 m3 par tonne de fumier. Elle dépend de la teneur en matières digestibles, qui représentent souvent la moitié des matières sèches d’un substrat. 1 tonne de matière digérée à 100% produit 500 m3 de méthane. | 1 tonne de... | m3 de biogaz | Equivalent litre de fioul | KWh élec. | | Lisier | 16 | 11 | 30 | | Fumier | 60 | 35 | 100 | | Paille | 220 | 120 | 350 | | Graisse | 450 | 350 | 1000 |
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Quel type de moteur utiliser ?
. moteur à gaz : fonctionne à 100% biogaz, investissement et coûts d’entretien plus élevés, rendement plus faible,
. moteur dual-fioul : moteurs diesel fonctionnant avec un mélange 90 % biogaz et 10 % fioul. Meilleur rendement, investissement et coûts d’exploitation plus faibles, mais achat de fioul. Pour certains moteurs, on peut envisager de remplacer le fioul par de l’huile carburant.
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EP d'après documents Solagro
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Coût/Aides
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Pour des exploitations produisant plus de 300 tonnes de matières sèches (MS) par an (déjections animales + co-substrats), avec des teneurs en matière sèche à partir de 10-12% (valeur considérée comme minimum pour la réalisation d’une étude de faisabilité dans les conditions actuelles), l’investissement est d’environ 700 € par tonne de MS. On compte environ 300 à 400 € par m3 de digesteur, pour le poste «méthanisation».
L’investissement pour un groupe électrogène adapté au biogaz est de l’ordre de 1.200 à 1.800 € par kW installé. Ajouter 20 à 30% de coûts supplémentaires divers. Attention, il ne s’agit que d’ordres de grandeur. Les investissements peuvent varier considérablement d’un projet à l’autre, par exemple en fonction de la configuration des lieux (distances de canalisations), de la teneur en matière sèche.
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Des subventions variables
Les études peuvent être subventionnées (jusqu’à 70 % par l’ADEME), et les investissements bénéficient de subventions maximales de 60 % à 75 %, dont 30 % de l’ADEME. Le surcoût peut être minimisé en fonction du contexte local, par exemple en intégrant l’unité de méthanisation dans la mise aux normes de l’exploitation.
Dans les conditions actuelles, nous considérons qu’il est possible de rentabiliser une installation de biogaz à la ferme en 10 ans, à condition de disposer de 300 tonnes de matières sèches, dont une partie de substrats payants. Une telle installation coûterait 200.000 € HT, et bénéficierait normalement de 50 % de subventions. La puissance installée serait de 35 kW, l’électricité étant alors vendue à 77 € / MWh.
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Coûts de fonctionnement et recettes
La conduite nécessite généralement entre 10 et 30 minutes par jour. L’entretien représente environ 2 à 3% de l’investissement hors groupe électrogène, plus environ 5 à 10% de l’investissement du groupe électrogène. Globalement, le coût d’exploitation est de l’ordre de 5 à 10 € / m3 de produit à digérer, ou encore de 50 à 90 € / MWh (1 MWh = 1.000 kWh).
En France, la loi fait obligation au distributeur d’acheter l’électricité produite à partir du biogaz. Le producteur peut souscrire :
. soit un contrat d’achat « petites installations » pour des puissances de moins de 36 kW. Le prix d’achat est égal au prix de vente : environ 75 € / MWh pour un tarif de base.
. soit un contrat d’achat "biogaz de méthanisation", pour des installations de puissance supérieure. Le tarif est alors d’environ 50 € / MWh.
La rentabilité des installations de méthanisation repose sur les prix d’achat de l’électricité. Le développement du biogaz à la ferme en France nécessite donc des compléments de ressources financières pour ces installations :
. valorisation aussi poussée que possible de la chaleur (qui représente l’équivalent, en quantité, de l’électricité produite).
. co-digestion, c’est-à-dire traitement combiné des déjections d’élevage et de résidus de l’agro-alimentaire avec rémunération de l’agriculteur pour une prestation de traitement.
. soutien public.
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Démarche
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Le préalable : les études
Avant de demander un devis à un ensemblier, l’agriculteur devra rassembler les éléments permettant à celui-ci d’établir son offre :
. nature, quantité, saisonnalité des produits à traiter, teneurs en matière sèche et en matière organique,
. bilan des consommations d’énergie sur le site, saisonnalité,
. implantation des ouvrages, réseaux de canalisations,
. existance ou non d’une préfosse et de fosses de stockage ; volumes, équipements (pompes).
L’agriculteur devra faire appel à un bureau d’études spécialisé pour l’assister lors des études préalables, lors de la passation des marchés, ou en assistance lors de la réalisation des travaux.
La méthanisation « à la ferme » est aujourd’hui bien maîtrisée sur le plan technique. Cependant, les constructeurs ou fournisseurs de matériels spécifiques sont des entreprises étrangères (Allemagne, Suisse, Autriche…) qui travaillent sur un marché national, voire régional (Bavière par exemple). Certains constructeurs commencent à s’implanter en France.
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En pratique, une installation de méthanisation est toujours réalisée en partie en autoconstruction, et en partie avec du matériel clés en mains. Certains composants ne peuvent évidemment pas être fabriqués par l’agriculteur (groupe de cogénération), et inversement il est plus judicieux que certains équipements soient réalisés par l’agriculteur (tranchées, aménagements).
La part d’autoconstruction qui peut être assurée par l’agriculteur dépend de la manière dont celui-ci compte son temps. Au tarif de la main d’oeuvre agricole, l’autoconstruction apporte peu d’économie significative. L’agriculteur peut également travailler « en régie » sous la responsabilité de l’ensemblier.
Il est important dans ce cas de préciser les responsabilités de chacun.
Nous considérons qu’il est impératif, dans le contexte actuel en France, de recourir à un ensemblier, car celui-ci :
. dispose d’un savoir-faire capitalisé par de nombreuses expériences,
. dispose de compétences multiples (électricité, électromécanique, tuyauterie, génie civil…) que l’agriculteur ne possède pas forcément,
. assure la responsabilité globale de l’installation.
|  | | | | Toute démarche nécessite des études précises |
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 Retour
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