Les composants d'une unité de méthanisation

LA MÉTHANISATIONAGRICOLE

Procédés – Montage de projet (01/2015)

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MÉTHANISATION : RAPPEL DES ENJEUX ET OBJECTIFS NATIO NAUX

• Gisement mobilisable : 33 millions de tonnes (55 % provenant de l’agriculture)

• Objectifs pour la production de biogaz en 2020 : 20.000 GWh primaires• Electricité : 12 000 GWh primaires (625 MW et 3 700 GWh)• Chaleur : 8 000 GWh primaires (550 ktep de chaleur produite)

• Appel à projets 1 500 méthaniseurs

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MÉTHANISATION : AIDE D’ÉTAT EN REGION BASSSE NORMAN DIE(janvier 2015)

Projets aidés depuis 2009 :• 29 unités de méthanisation à la ferme (17 en fonction)• 2 unités de méthanisation agricole territoriale • 1 unité de méthanisation industrielle territoriale• Investissement total : 37 247 000 € H.T.• Financements publics : MAAF (P.P.E.), ADEME,

Conseils Généraux 14 et 61, LEADER• Budget ADEME mobilisé : 5 250 000 € (Fonds Déchets)• Taux d’aide d’état : 11 à 37 % (total : 8 750 000 €)

90

1015

80

60 90

245

OMCentralisé Ferme STEP IAA ISDND

Don

t val

oris

é

Nombre d’unités de production de biogaz en fonctionnement en France(source : ADEME 2012)

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Matière organique

Digestat

Biogaz (CH4, CO2, H2S, …)

Micro-organismes

ETMETM

N, P, K N, P, K

MN, indésirables MN, indésirables

Le processus biologique

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Monomèressolubles

Acides organiques,

Alcools

AcétateH2,CO2

BiogazCH4, CO2

Hydrolyse Acidogénèse Acétogénèse Méthanogènése

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Macro-molécules organiques

Bactéries hydrolytiques

Monomères solubles

Bactéries fermentaires

Acides organiques (AGV)

Bactéries OHPA *Acétate (AGV)

Archea méthanogènes acétoclastes

CH4, CO2

H2, CO2

CO2

Archea méthanogènes hydrogénophiles

CH4

Cellulose, Amidon, Protéines, Graisses

Sucres simples,Acides aminés

Propionate, butyrate, lactate, formate

* OHPA : « Obligate Hydrogen

Producing Acetogens »

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• Bactéries anaérobies et archées

• Micro-organismes vivants donc sensibles à de nombre ux facteurs dont :

- Présence de nutriments

- Présence d’eau

- Présence de toxiques

- Température

- Ph

- Compétition avec d’autres micro-organismes

• Micro-organismes vivants donc capables de s’adapter à des modifications d’environnement


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Un processus complexe

Des phénomènes d’inhibition internes

Un équilibre fragile

Les substrats méthanisables

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• Biodégradables dans les conditions de la digestion

Toutes les matières organiques ne sont pas biodégradables → lignine, kératine, …

• Contenant tous les nutriments nécessaires à la croi ssance des bactéries

- Nutriments majeurs : C, N, P, KRatios définis : C/N = 10 (15) à 30, C/P = 100

- Minéraux : Ni, Co, Fe


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• Les nutriments doivent être accessibles, biodisponi bles

- Solubilité

- Surface de contact

• Pas d’inhibiteurs de la croissance des micro-organ ismes

- Antibiotiques

- Désinfectants

- Pesticides

- Oxydants, …


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Mesure et expression de la composition

- Matière sèche

Déchets solides : MS tot (séchage à 80 - 105 °C)

Déchets liquides : MS tot, MES (filtration, centrifugation)

- Matière organique

Déchets solides : Matière Volatile (MV) (à 550 °C),Carbone Organique Total (COT) (combustion),Demande Chimique en Oxygène (DCO)

Déchets liquides : DCO, Demande Biologique Oxygène (DBO)


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Matière organiquedégradable

Matière organique non dégradable

Matière minérale

Eau

Mesures

Mesures

Tests biologiques = BMP *

* Biochemical Methane Potential


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Le potentiel énergétique spécifique

ComposésProduction de méthane m3 / tonne matière sèche

organique

Cellulose 440

Sucres 370

Protéines 500

Lipides 980


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Le gisement méthanisable

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Fumiers, purins, lisiers, fientes,…

Légumes, fruits, fanes, rafles, herbes à fourrage, grains,…

Sucrerie, conserverie, laiterie, distillerie, abattoir,…

Pulpes, boues, marcs, fruits, légumes,…

Fractions organiques

Supermarché, restaurant, cantine, commerce,…

Boues primaires et secondaires

Conduite de la digestion

• Composition du substrat méthanisable• Température de fonctionnement• Temps de séjour des micro-organismes• Charge organique• Contact bactérie/substrat = préparation du substrat• Echange des métabolites = homogénéisation

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Les paramètres importants


• La température : 2 optimums distincts• digestion mésophile : 35 - 45 °C• digestion thermophile : 50 – 60 °C• micro-organismes spécifiques

Influence sur vitesse de réaction (ou tailleDu digesteur) et hygiénisation

Adaptation au type de substrat


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• Le temps de séjour des micro-organismes

Le TS des microorganismes doit être suffisant pour que l’ensemble puisse se multiplierExprimé en jours (heures)

•Deux notions :

-Le temps de séjour des micro-organismes-Le temps de séjour hydraulique (TRH)


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Charge organique volumique

Quantité de matière organique (DCO, COT, …) par jour et par volume utile de réacteurExprimée en Kg/j.m3 utile

Prend en compte :1. Concentration en matière organique biodégradable dans l’alimentation2. Débit d’alimentation du bioréacteur (TSH)

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Contacts micro-organismes / substrats

Deux notions fondamentales :• Surfaces de contact• Echanges de métabolites entre les micro-organismes

→ Préparation des substrats (broyage, dilution)→ Teneur en matière sèche et brassage du digesteur

Plus la teneur en matière sèche est élevée dans le digesteur et plus le système de brassage doit être performant.

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Préparation du substrat

• Retirer les indésirables• Pour les déchets solides :

- Réduire la granulométrie (broyer)- Le cas échéant : transformer en boue (mécaniquement, biologiquement,les 2)

• Pour les produits gras : liquéfier (chauffer), émulsionner• Pour les produits hétérogènes : mélanger• Pour les sous produits animaux : hygiéniser

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Homogénéisation dans le digesteur

Dépend de la consistance des matières

Doit être d’autant plus performant• Que la teneur en matières sèches est élevée• Qu’il y a risque de séparation de phases (flottation de graisses,

décantation de solides,…)

- Brassage mécanique- Brassage « pneumatique » par le biogaz- Brassage par recirculation (digestat, percolat)

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Les unités fonctionnelles

Les composants d’une unité de méthanisation

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Les postes d’investissement (Unités Fonctionnelles)

UF 1 Réception, préparation, introduction des int rantsUF 2 Production de biogazUF 3 Stockage du digestatUF 4 Valorisation de l’énergieUF 5 Valorisation du digestatUF 6 Terrassement – gros œuvreUF 7 IngénierieUF 8 Postes divers (terrain, traitement odeurs…)UF 9 Investissements liés (séchoir, distribution de

chaleur, matériel de logistique…)

Quels procédés de digestion ?

Digestion voie humide en infiniment mélangé


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Transfert des substrats liquides Transfert des substrats solides

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UF 1 Réception, préparation, introduction des intra nts

Voie humide infiniment mélangé


Digesteur en béton Digesteur en métal

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UF 2 Production de biogazVoie humide infiniment mélangé


Agitateur à pales Agitateur à hélice

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Collecteur gaz simple membrane Collecteur gaz double membrane

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Cuve avec couverture Lagune

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UF 3 Stockage du digestatVoie humide infiniment mélangé


Séparation de phases Séchage digestat solide

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UF 5 Valorisation du digestatVoie humide infiniment mélangé


Evapoconcentration digestat liquide Epandage digestat liquide

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UF 5 Valorisation du digestatVoie humide infiniment mélangé

Quels procédés de digestion ?

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Digestion voie sèche en discontinu


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UF 1 Réception, préparation, introduction des intra nts

Voie sèche discontinue

Homogénéisation, transfert de matières solides


Digesteur garage Digesteur silo

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UF 2 Production de biogazVoie sèche discontinue


Cannes d’aspersion et caniveaux de reprise des percolats

Cuve de stockage des jus

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UF 2 Production de biogazVoie sèche discontinue


Épuration du biogaz avant … Cogénération : électricité + chaleur

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UF 4 Valorisation énergétique


Chauffage du digesteur Fourniture de chaleur hors procédé

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Injection de biométhane dans le réseau de gaz


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Epuration du biogaz par membranes (dans ce cas)

Poste d’injection GRDF

Torchère de brulage du gaz non-conforme (ou recyclage)


Déblais, remblais… Génie civil ouvrages non spécifiques

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UF 6 Terrassement – Gros œuvre


Exemple : séchage du foin en cases Exemple : serre horticole

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UF 9 Investissements liés

Installation à la ferme

Création d’une unité de méthanisation par un exploitant individuel ou les associés d’une société agricole

Traitement centré (mais non exclusivement) sur les effluents et produits de l’exploitation

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Montage de projet agricole

Caractéristiques

Typologie des projets

Installation à la ferme

Pourquoi créer une installation de méthanisation à la ferme ?

• Création d’un nouvel atelier (revenus stables sur 15 ans)• Entrée d’un associé (rémunération)• Mise aux normes (stockage du digestat)• Augmentation du cheptel (exportation de digestat)• Modification de la gestion de la fertilisation• Création de liens entre différents acteurs économiques• Préoccupations environnementales (GES, odeurs,

hygiénisation)• …


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Installation collective


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Caractéristiques

Création d’une unité de méthanisation par un regroupement d’exploitants agricoles

Association possible avec un investisseur

Traitement centré (mais non exclusif) sur les effluents et produits de plusieurs exploitations


Installation collective

• Atteindre la taille critique pour assurer la rentabilité d’un projet• Gérer en commun des effluents à l’échelle d’un territoire• Réduire les coûts d’épandage (prise en charge externe)• Renforcer les synergies entre agriculture et agro-industrie locale• Répondre aux sollicitations d’un développeur• …

Pourquoi créer une installations de méthanisation collective ?


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Etudier la faisabilité Installation à la ferme - Cogénération

Points à investiguer :

• Contexte (état des lieux de l’exploitation agricole, opportunités…)• Ressource en intrants méthanisables• Production énergétique visée• Définition des procédés à mettre en œuvre• Analyse environnementale• Analyse économique du projet (sur sa durée de vie)


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Installation à la ferme - CogénérationÉtudier la faisabilité

Ressource en intrants méthanisables :

• Caractéristiques physiques chimiques et agronomiques• Production, disponibilité et pérennité (sur 15 ans)• Coûts d’approvisionnement• Recettes éventuelles tirées de la prise en charge• Logistique et stockage


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Installation à la ferme - Cogénération Etudier la faisabilité

Production énergétique visée :

• Production mensuelle de méthane (selon rations)• Electricité vendue (tarification)• Consommations mensuelles de chaleur par usage• Charges : maintenance et consommations

d’énergie de l’installation• Offres fournisseurs


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Installation à la ferme - CogénérationEtudier la faisabilité

Définition des procédés à mettre en œuvre :

• Génie civil (silos, préfosses, digesteur(s), stockages…)• Matériels spécifiques de méthanisation (pompes, agitateurs, trémies…)• Matériels spécifiques de production d’énergie (cogénération, raccordement

électrique, réseau de chaleur…)• Matériels spécifiques à la valorisation du digestat (traitement, épandage)• Réseaux (biomasse, gaz)

Dimensionnement des composantsPerformances attendues du système


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Installation à la ferme - CogénérationEtudier la faisabilité

Analyse économique du projet (sur sa durée de vie)

• Détermination du montant des investissements par postes• Evaluation des recettes et dépenses annuelles d’exploitation• Tableaux des flux prévisionnels de trésorerie et de revenus

(avec et sans subvention souhaitée)• Calcul d’indicateurs économiques (Taux de Rentabilité Interne,

Temps de Retour Brut)• Plan de financement (capitaux propres, subventions, dette)


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CogénérationEtudier la faisabilité

Analyse économique du projet : conditions d’achat de l’électricité

Tarif 2006 = T + M + PMavec :

T : tarif de référence fonction de la puissance électrique maximale installée (de 9 à 7,50 c€/kWh)(maximum : < ou = 150 kW)

M : prime à l’efficacité énergétique (de 0 à 3 c€/kWh) suivant un coefficient v = (énergie thermique valorisée + énergie électrique valorisée) / énergieprimaire biogaz X 0,97si : v < ou = 40 %, M = 0

v > ou = 75 %, M = 3, avec interpolation linéaire

PM : prime à la méthanisation (2 c€/kWh)


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Cogénération Etudier la faisabilité


Tarif 2011 = T + Pe + Pr

avec :

T : tarif fonction de la puissance électrique maximale installée (de 13,37 à 11,19 c€/kWh)(maximum < ou = 150 kW)

Pe : prime à l’efficacité énergétique (de 0 à 4 c€/kWh)suivant un coefficient v = (énergie thermique valorisée hors procédé + énergie électriquevalorisée) / énergie primaire biogaz X 0,97si : v < ou = 35 %, Pe = 0

v > ou = 70 %, Pe = 4, avec interpolation linéaire

Pr : prime pour le traitement d’effluents d’élevage (de 0 à 2,6 c€/kWh)suivant la puissance électrique maximale installée et la proportion d’effluents d’élevagedans l’approvisionnement annuel de l’installation (maximum : > ou = 60 % et Pmax < ou =150 kW), avec interpolations linéaires (20% - 60 % et 150 – 1 000 kW)


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Cogénération Etudier la faisabilité


Tarif 2013 = T + Pe + Pravec :

T : Idem tarif 2011

Pe : Idem tarif 2011

Pr : prime pour le traitement d’effluents d’élevage (de 0 à 2,6 c€/kWh)suivant la puissance électrique maximale installée et la proportion d’effluents d’élevagedans l’approvisionnement annuel de l’installation (maximum : > ou = 60 % et Pmax < ou =300 kW), avec interpolations linéaires (20 – 60 % et 300 – 500 kW et 500 - 1 000 kW)


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CogénérationEtudier la faisabilité


Révision annuelle du tarif d’achat

Indice K fonction de l’évolution du coût horaire du travail dans les industries mécaniques et électriques et de l’indice des prix à la production de l’industrie

Dernières valeurs : 01/01/2012 k = 1,0293301/01/2013 k = 1,0564601/01/2014 k = 1,06652

Indexation annuelle du tarif appliqué à l’installation

Indice L fonction des mêmes paramètres (formule de calcul différente)


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Les démarches administratives

• Permis de construire(DDT)

• Demande d’autorisation d’exploiter (Installation Classée pour la Protection de l’Environnement)installation soumise à déclaration (Préfecture), enregistrement ou autorisation (Préfecture, DREAL, DDCSPP)

• Agrément sanitaire pour le traitement de sous-produits animaux(DDCSPP)

• Certificat ouvrant droit à obligation d’achat (cogénération)(DREAL)

• Attestation préfectorale ouvrant droit à l’achat de biométhane (injection)(DREAL)

• Identification de l’installation(ADEME)


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Les démarches pour injecter de l’électricitédans le réseau public de distribution

ERDF

• Demande complète de raccordement

• Acceptation de la Proposition Technique et Financière

• Convention de raccordement au réseau de distribution

• Convention d’exploitation

• Contrat d’accès au réseau public de distribution

CONSUEL

• Conformité de l’installation

Fournisseur d’énergie (EDF obligation d’achat…)

• Contrat d’achat d’électricité

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

Hugues Le Roux

ADEME

Direction Régionale Basse NormandieCitis, avenue de Tsukuba14209 Hérouville Saint Clair CedexTél. 02.31.46.81.08Courriel : [email protected]

Téléchargement du diaporama : site internet ADEME DR Basse NormandieRubrique ENR –> Boite à outils –> Espace méthanisation

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