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Rentabilité et fonctionnement d’une unité de biométhanisation

Cette page concerne surtout les agriculteurs qui souhaitent transformer leurs matières résiduelles (fumier, lisier, résidus de cultures…) Voici les paramètres à surveiller et chiffres-clés pour le dimensionnement.

Cuve de biométhanisation, ou bioréacteur, dans le Massachussets
Cuve de biométhanisation, ou bioréacteur, dans le Massachussets. © Massachussets Clean Energy Center, Creative Commons

L’exploitation de biogaz peut s’avérer particulièrement intéressante si vous avez à votre disposition une quantité intéressante de résidus organiques valorisables, et que vous avez besoin d’une production localisée d’énergie thermique, ou encore d’électricité. Voici un aperçu de la rentabilité puis des principes de fonctionnement d’une unité de biométhanisation, ainsi que les paramètres de contrôle de cette unité qu’il vous faudra surveiller.

Rentabilité de la biométhanisation

L’énergie produite par biométhanisation  présente de nombreux atouts : renouvelable, sans contrainte géographique, prévisible (la production est flexible et stable à court ou long terme) et facilement stockable. Réacteur, zone de stockage… l’investissement est  par contre assez élevé.

Selon le CRAAQ (Centre de Référence en Agriculture et Agroalimentaire du Québec), « le coût d’installation d’une unité de biométhanisation varierait actuellement entre 2500 et 5000 $ par kilowatt de puissance totale. Ce coût est fonction principalement de la taille de l’unité, du rendement en biogaz de l’effluent traité et de l’installation ou non d’une unité de cogénération. Le fonctionnement d’une unité de biométhanisation implique par ailleurs des coûts de main-d’œuvre (1 à 2 heures par jour) et des coûts d’entretien des équipements. S’il y a production d’électricité, un coût d’entretien de la génératrice d’environ 0,015 $/kWh doit être considéré. Le coût de production de l’électricité à partir de la biométhanisation varie selon les sources, allant d’un minimum situé entre 0,075 et 0,11 $/kWh à plus de 0,20 $/kWh. »[1]

Le seuil de rentabilité de la production d’électricité à partir du biogaz serait de l’ordre de 0,13 à 0,22 $/kWh, alors que l’électricité autoproduite est vendue au réseau d’Hydro-Québec à des coûts situés entre 0,035 et 0,068 $/kWh8. La biométhanisation n’est donc pas une solution rentable économiquement pour la production d’électricité au Québec.

Une valorisation thermique pour assurer des besoins localisés est une alternative plus intéressante en raison de sa plus grande simplicité et de sa rentabilité. Ce type de valorisation est également le plus intéressant du point de vue du rendement énergétique global du biogaz :

Répartition typique du contenu énergétique du biogaz
Répartition typique du contenu énergétique du biogaz (Élaboré à partir de ces infos)

Le biogaz peut remplacer le propane ou le gaz naturel en le brûlant dans des brûleurs adaptés. Selon le CRAAQ, on peut ainsi obtenir l’équivalent de 650 litres de propane par jour en biogaz grâce à un élevage de 1500 porcs à l’engraissement. La chaleur peut également être utilisée pour chauffer des bâtiments, alimenter une chaudière, sécher des matières, réfrigérer des aliments…

D’autres atouts de la biométhanisation doivent également être pris en compte dans l’étude de rentabilité, car la production énergétique n’est pas le seul bénéfice que l’on peut en tirer, surtout au niveau agricole. En effet, elle permet la réduction des volumes de matières résiduelles à traiter, la réduction des agents pathogènes responsables de la contamination des eaux, une meilleure gestion des odeurs, l’amélioration de qualité fertilisante du fumier (meilleure fluidité et biodisponibilité), la destruction de mauvaises herbes, la réduction d’émissions de gaz à effet de serre, etc.

Influence de la température d’opération dans la digestion anaérobique

Il existe trois niveaux de température qui déterminent la vitesse de décomposition de la matière des installations de biogaz : la psycrophilie, la mésophilie et la thermophilie [2]:

  • Un milieu psychrophile caractérise les biodigesteurs dits « passifs », qui ne sont pas chauffés. Ces techniques, les plus anciennes et les plus simples, fonctionnent par des températures en-dessous de 25°C, et sont peu utilisées de nos jours en raison de la durée élevée de la digestion. Un système peu coûteux et intéressant pour des agriculteurs qui n’ont pas de quantités énormes à traiter.
  • Les milieux mésophiles sont les plus courants, et concernent les températures comprises entre 25 et 45°C, en général 38°C. Les temps de séjour corrects, une température très adaptée à la stabilité des micro-organismes méthanogènes et un faible besoin en chaleur du processus, rendent la digestion mésophile très adaptée à la plupart des utilisations, particulièrement pour les installations de fermentation humide.
  • Les milieux thermophiles, avec des températures comprises entre 45 et 55°C, sont caractérisés par une décomposition rapide du substrat et des hauts rendements de production de gaz. Cependant, le nombre de micro-organismes actifs à ces températures sont très inférieurs à celui de la flore mésophile : des perturbations extérieures (variations de température, de quantité d’intrants organiques, entrée de matières inhibitrices) peuvent rendre le fonctionnement moins stable (décomposition réduite, rendements moins élevés). Les besoins en chaleur plus importants sont également à considérer.

Autres critères de classement des technologies de digestion anaérobie [3]

  • La teneur en eau des résidus requise (procédés sec ou humide)
  • La configuration des bioréacteurs (verticaux ou horizontaux)
  • Le nombre d’étapes de digestion (une ou deux étapes)
  • Le mode d’alimentation (en continu ou en lots)
Technologies types de digestion anaérobique

Le principe de la biométhanisation est simple, mais sa bonne exécution nécessite des technologies parfois complexes, et une expertise adaptée. Les agriculteurs auront  besoin de bâtiments de réception et de traitement, d’une ou plusieurs unités de digestion, d’équipements de captage et d’entreposage du biogaz, d’une aire dédiée au compostage du digestat (si applicable) et d’un système de traitement des rejets liquides. Le processus de production de biogaz est sensible à des paramètres qu’il faudra également contrôler : le ratio de carbone sur l’azote (C/N), le pH, la température et la siccité des matières premières (taux de matière sèche).

[1] La biométhanisation à la ferme. CRAAQ (Centre de Référence en Agriculture et Agroalimentaire du Québec. 2008

[2] Uwe Görisch, Markus Helm. « La production de biogaz ». 2008, Les éditions Eugen Ulmer.

 

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