Études de cas pratique

EGC

Production de biogaz à partir de déchets

Production de Biogaz à Partir de Déchets (Énergies Renouvelables)

Production de Biogaz à Partir de Déchets

Comprendre la Production de Biogaz

La production de biogaz par méthanisation est un processus biologique de décomposition de la matière organique (déchets agricoles, agroalimentaires, boues de station d'épuration, déchets ménagers organiques, etc.) en l'absence d'oxygène (anaérobie). Ce processus, réalisé dans des digesteurs, produit principalement du biogaz et un résidu appelé digestat. Le biogaz est un mélange gazeux combustible, composé majoritairement de méthane (\(CH_4\)) et de dioxyde de carbone (\(CO_2\)), avec des traces d'autres gaz. Le méthane est le composant valorisable énergétiquement. Le biogaz peut être utilisé pour produire de la chaleur, de l'électricité (souvent en cogénération), ou être épuré pour obtenir du biométhane injectable dans le réseau de gaz naturel ou utilisé comme carburant (bioGNV). Cette filière s'inscrit pleinement dans les énergies renouvelables et l'économie circulaire en valorisant des déchets en énergie et en un fertilisant (digestat).

Données de l'étude

Une exploitation agricole envisage d'installer une unité de méthanisation pour traiter ses effluents d'élevage (fumier et lisier) et produire de l'énergie.

Caractéristiques des intrants et du biogaz :

  • Quantité totale de matière organique (MO) fraîche traitée annuellement : \(5000 \, \text{tonnes/an}\)
  • Taux de matière sèche (MS) de la MO fraîche : 20%
  • Potentiel méthanogène de la matière sèche : \(150 \, \text{Nm}^3 \text{ de biogaz / tonne de MS}\) (Nm³ = mètre cube normal, à 0°C et 1 atm)
  • Teneur en méthane (\(CH_4\)) dans le biogaz : 60% en volume
  • Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) du méthane : \(9.97 \, \text{kWh/Nm}^3\) de \(CH_4\)

Valorisation énergétique :

  • Le biogaz produit alimente une unité de cogénération (CHP - Combined Heat and Power).
  • Rendement électrique de l'unité de cogénération (\(\eta_{\text{elec}}\)) : \(35\%\)
  • Rendement thermique de l'unité de cogénération (\(\eta_{\text{therm}}\)) : \(50\%\)
  • Nombre d'heures de fonctionnement annuel de la cogénération : \(8000 \, \text{h/an}\)
Schéma : Processus de Méthanisation et Valorisation du Biogaz
Production et Valorisation du Biogaz {/* */} Déchets Organiques {/* */} Digesteur (Méthanisation) {/* */} Digestat {/* */} Biogaz {/* */} Cogénération (CHP) {/* */} Électricité {/* */} Chaleur

Schéma simplifié du processus de méthanisation et de valorisation énergétique du biogaz par cogénération.

Questions à traiter

  1. Calculer la masse de matière sèche (MS) traitée annuellement.
  2. Calculer le volume total de biogaz (\(V_{\text{biogaz}}\)) produit annuellement en \(\text{Nm}^3\).
  3. Calculer le volume de méthane (\(V_{CH4}\)) contenu dans le biogaz produit annuellement.
  4. Calculer l'énergie totale (\(E_{\text{biogaz}}\)) contenue dans le méthane produit annuellement, en kWh.
  5. Calculer l'énergie électrique (\(E_{\text{elec}}\)) produite annuellement par l'unité de cogénération.
  6. Calculer l'énergie thermique (\(E_{\text{therm}}\)) produite annuellement par l'unité de cogénération.

Correction : Production de Biogaz à Partir de Déchets

Question 1 : Masse de Matière Sèche (MS) Traitée Annuellement

Principe :

La matière organique fraîche contient une certaine proportion d'eau et de matière sèche. Le taux de matière sèche indique le pourcentage de la masse totale qui n'est pas de l'eau. Pour obtenir la masse de matière sèche, on multiplie la masse totale de matière organique fraîche par son taux de matière sèche.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ M_{\text{MS}} = M_{\text{MO,fraîche}} \times \text{Taux de MS} \]
Données spécifiques :
  • Matière organique fraîche (\(M_{\text{MO,fraîche}}\)) : \(5000 \, \text{tonnes/an}\)
  • Taux de matière sèche (MS) : 20% = 0.20
Calcul :
\[ \begin{aligned} M_{\text{MS}} &= 5000 \, \text{tonnes/an} \times 0.20 \\ &= 1000 \, \text{tonnes de MS/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La masse de matière sèche traitée annuellement est de \(1000 \, \text{tonnes}\).

Question 2 : Volume Total de Biogaz (\(V_{\text{biogaz}}\)) Produit Annuellement

Principe :

Le potentiel méthanogène de la matière sèche indique le volume de biogaz (en mètres cubes normaux, Nm³) qui peut être produit à partir d'une tonne de cette matière sèche. Pour obtenir le volume total de biogaz produit, on multiplie la masse de matière sèche traitée par ce potentiel méthanogène.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{biogaz}} = M_{\text{MS}} \times \text{Potentiel méthanogène} \]
Données spécifiques :
  • Masse de matière sèche (\(M_{\text{MS}}\)) : \(1000 \, \text{tonnes de MS/an}\) (résultat Q1)
  • Potentiel méthanogène : \(150 \, \text{Nm}^3 \text{ biogaz / tonne de MS}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{biogaz}} &= 1000 \, \text{tonnes MS/an} \times 150 \, \frac{\text{Nm}^3 \text{ biogaz}}{\text{tonne MS}} \\ &= 150000 \, \text{Nm}^3 \text{ de biogaz/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le volume total de biogaz produit annuellement est de \(150\,000 \, \text{Nm}^3\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le potentiel méthanogène de la matière sèche était plus élevé, le volume de biogaz produit serait :

Question 3 : Volume de Méthane (\(V_{CH4}\)) Contenu dans le Biogaz

Principe :

Le biogaz est un mélange de plusieurs gaz, dont le méthane (\(CH_4\)) est le principal composant énergétique. La teneur en méthane est exprimée en pourcentage du volume total de biogaz. Pour trouver le volume de méthane, on multiplie le volume total de biogaz par ce pourcentage.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{CH4} = V_{\text{biogaz}} \times \text{Teneur en } CH_4 \]
Données spécifiques :
  • Volume de biogaz (\(V_{\text{biogaz}}\)) : \(150000 \, \text{Nm}^3\text{/an}\) (résultat Q2)
  • Teneur en méthane : 60% = 0.60
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{CH4} &= 150000 \, \text{Nm}^3\text{/an} \times 0.60 \\ &= 90000 \, \text{Nm}^3 \text{ de } CH_4\text{/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le volume de méthane contenu dans le biogaz produit annuellement est de \(90\,000 \, \text{Nm}^3\).

Question 4 : Énergie Totale (\(E_{\text{biogaz}}\)) Contenue dans le Méthane

Principe :

L'énergie contenue dans le méthane est déterminée par son Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI). Le PCI représente la quantité de chaleur libérée par la combustion complète d'une unité de volume (ou de masse) de combustible, sans récupérer la chaleur de condensation de la vapeur d'eau produite. Pour obtenir l'énergie totale, on multiplie le volume de méthane par son PCI.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{biogaz}} = V_{CH4} \times \text{PCI}_{CH4} \]
Données spécifiques :
  • Volume de méthane (\(V_{CH4}\)) : \(90000 \, \text{Nm}^3\text{/an}\) (résultat Q3)
  • PCI du méthane : \(9.97 \, \text{kWh/Nm}^3\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{biogaz}} &= 90000 \, \text{Nm}^3\text{/an} \times 9.97 \, \text{kWh/Nm}^3 \\ &= 897300 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : L'énergie totale contenue dans le méthane produit annuellement est de \(897\,300 \, \text{kWh}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si la teneur en méthane du biogaz était de 55% au lieu de 60%, l'énergie totale contenue dans le biogaz produit (pour le même volume de biogaz) serait :

Question 5 : Énergie Électrique (\(E_{\text{elec}}\)) Produite Annuellement

Principe :

L'unité de cogénération convertit l'énergie contenue dans le biogaz (plus précisément dans le méthane) en électricité et en chaleur. Le rendement électrique (\(\eta_{\text{elec}}\)) indique la fraction de l'énergie du biogaz qui est transformée en électricité. L'énergie électrique produite est donc le produit de l'énergie totale du biogaz par ce rendement électrique.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{elec}} = E_{\text{biogaz}} \times \eta_{\text{elec}} \]
Données spécifiques :
  • Énergie du biogaz (\(E_{\text{biogaz}}\)) : \(897300 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q4)
  • Rendement électrique (\(\eta_{\text{elec}}\)) : 35% = 0.35
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{elec}} &= 897300 \, \text{kWh/an} \times 0.35 \\ &= 314055 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : L'énergie électrique produite annuellement par l'unité de cogénération est de \(314\,055 \, \text{kWh}\).

Question 6 : Énergie Thermique (\(E_{\text{therm}}\)) Produite Annuellement

Principe :

Similairement à la production électrique, le rendement thermique (\(\eta_{\text{therm}}\)) de l'unité de cogénération indique la fraction de l'énergie du biogaz qui est transformée en chaleur utile. L'énergie thermique produite est le produit de l'énergie totale du biogaz par ce rendement thermique.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{therm}} = E_{\text{biogaz}} \times \eta_{\text{therm}} \]
Données spécifiques :
  • Énergie du biogaz (\(E_{\text{biogaz}}\)) : \(897300 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q4)
  • Rendement thermique (\(\eta_{\text{therm}}\)) : 50% = 0.50
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{therm}} &= 897300 \, \text{kWh/an} \times 0.50 \\ &= 448650 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : L'énergie thermique produite annuellement par l'unité de cogénération est de \(448\,650 \, \text{kWh}\).

Quiz Intermédiaire 3 : Le rendement global de l'unité de cogénération (électrique + thermique) dans cet exemple est de :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Le principal composant énergétique du biogaz est :

2. La méthanisation est un processus qui se déroule :

3. Une unité de cogénération (CHP) produit simultanément :

Glossaire

Biogaz
Mélange gazeux produit par la fermentation anaérobie (sans oxygène) de matières organiques. Il est principalement composé de méthane (\(CH_4\)) et de dioxyde de carbone (\(CO_2\)).
Méthanisation
Processus biologique de dégradation de la matière organique par des micro-organismes en l'absence d'oxygène, conduisant à la production de biogaz et de digestat.
Matière Sèche (MS)
Partie d'un produit qui reste après élimination complète de l'eau. Le potentiel méthanogène est souvent exprimé par rapport à la masse de matière sèche.
Potentiel Méthanogène
Quantité maximale de biogaz (ou de méthane) qui peut être produite par unité de masse de matière organique (généralement matière sèche) dans des conditions optimales de méthanisation.
Nm³ (Mètre Cube Normal)
Unité de volume de gaz mesurée dans des conditions normalisées de température (0°C soit 273.15 K) et de pression (1 atmosphère soit 101325 Pa).
Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI)
Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, lorsque l'eau produite par la combustion reste à l'état de vapeur et n'est pas condensée. Unité : \(\text{kWh/Nm}^3\) ou \(\text{MJ/kg}\).
Cogénération (CHP - Combined Heat and Power)
Production simultanée de deux formes d'énergie (généralement électricité et chaleur utile) à partir d'une seule source d'énergie primaire (comme le biogaz).
Rendement Électrique (\(\eta_{\text{elec}}\))
Rapport entre l'énergie électrique produite par un système de conversion (ex: cogénération) et l'énergie primaire consommée.
Rendement Thermique (\(\eta_{\text{therm}}\))
Rapport entre l'énergie thermique utile récupérée par un système de conversion (ex: cogénération) et l'énergie primaire consommée.
Digestat
Résidu solide ou liquide issu du processus de méthanisation, riche en éléments fertilisants et pouvant être utilisé comme amendement organique pour les sols.
Production de Biogaz à Partir de Déchets - Exercice d'Application

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