Le biogaz comme carburant

Figure 1. Biodigesteur chinois à dôme fixe

Le biogaz est un mélange d'environ 50 à 75 % de méthane, 25 à 50 % de C0 ₂ , 0 à 10 % d'azote et 0 à 1 % d'hydrogène. Le gaz est créé à partir de matières organiques en décomposition anaérobie, telles que le fumier et les matières végétales . ^[1] Comme le gaz est fabriqué par l'homme, il se différencie du gaz naturel qui se forme loin sous la surface de la Terre et est principalement composé de méthane.

Composition

Le gaz est composé de

• méthane : 54 – 70 %
• dioxyde de carbone : 27 – 45 %
• azote : 0,5 – 3 %
• hydrogène : 1 – 10 %
• monoxyde de carbone : 0,1%
• oxygène : 0,1%
• sulfure d'hydrogène : traces ^[2]

Production

Le biogaz est produit au moyen d'un processus appelé digestion anaérobie , dans lequel la matière organique est décomposée par l'activité microbiologique et, comme son nom l'indique, il s'agit d'un processus qui se déroule en l'absence d'air. C'est un phénomène qui se produit naturellement au fond des étangs et des marais et donne naissance au gaz des marais ou méthane , qui est un gaz combustible.

Il existe deux technologies anthropiques courantes pour obtenir du biogaz. La première (qui est la plus répandue) est la fermentation des déchets humains et/ou animaux dans des digesteurs spécialement conçus . La seconde est une technologie plus récente permettant de capter le méthane provenant des décharges municipales. L'échelle des installations de biogaz simples peut varier d'un petit système domestique à de grandes installations commerciales de plusieurs milliers de mètres cubes. Les grands biodigesteurs commerciaux (c'est-à-dire nourris avec des excréments d'animaux provenant de fermes d'élevage ) sont généralement beaucoup plus efficaces que les biodigesteurs domestiques, car le fumier des vaches (et des animaux similaires) contient beaucoup plus de solides volatils que celui des humains. Il y a également le problème de la petite quantité de matières fécales et végétales disponibles dans les systèmes domestiques, ce qui signifie que beaucoup moins de gaz est produit, ce qui rend cette méthode moins évidente pour certaines utilisations comme la production d'électricité.

Les matières premières pour fabriquer du biogaz

Bien qu'en théorie il soit possible d'utiliser uniquement de la végétation, la plupart des biodigesteurs fonctionnent avec un mélange de fumier et de végétation. La digestion de la végétation est beaucoup plus difficile que celle du fumier, qui se digère facilement. Ainsi, en incluant du fumier, on obtient un nouvel apport continu d'organismes microbiologiques, nécessaires au fonctionnement du biodigesteur. ^[3] Les micro-organismes utilisés dans la plupart des biodigesteurs sont donc les mêmes que ceux retrouvés dans le fumier utilisé. Outre le matériel végétal, c'est-à-dire provenant des jardins ; des céréales et des tourteaux déshuilés (ie Jatropha, Pongamia,...) sont parfois ajoutés.

Le type de fumier utilisé est également d'une grande importance. En particulier, le fumier qui contient une grande quantité de « solides volatils » (VS) (des matières digestibles par les bactéries et qui deviennent disponibles pour la production de gaz ont été collectées), par rapport à la quantité totale de fumier (VS), produira du biogaz. . Le fumier de vache est très riche en solides volatils, le fumier de cheval, de porc, d'humain et de poulet est très riche en solides volatils. Le nombre exact (et la quantité de fumier produit/jour sont :

• vache : perd en moyenne 52 livres. de matières fécales par jour, dont environ 10 livres de matières solides, le reste étant de l'eau. Sur les 10 livres de solides, 80 % ou 8 livres. sont volatils et peuvent être transformés en gaz.
• cheval : produit en moyenne 36 livres d'excréments par jour, dont 5,5 livres. sont des solides volatils.
• porc : produit 7,5 livres. par jour, dont 0,4 livre de solides volatils.
• humain : produit 0,5 livre de matières fécales par jour, dont 0,13 livre de solides volatils.
• les poulets produisent 0,3 livre par jour, dont 0,06 livre est un solide volatil.

Les déchets ménagers de cuisine ont le potentiel de produire suffisamment de biogaz pour préparer trois repas par jour pour une famille de quatre personnes, tout en laissant suffisamment d'eau pour chauffer de l'eau pour faire la vaisselle. (Voir le lien vers ARTI ci-dessous.)

Mélanger les matières premières

Avec le processus de digestion humide , lors de la combinaison des matières premières, il faut veiller à ce qu'un rapport carbone/azote (C/N) approprié soit atteint (similaire au compostage ordinaire). Le processus nécessite une partie d’azote pour 30 parties de carbone. Le fumier est riche en azote, contenant en moyenne environ 15 parties de carbone pour chaque partie d'azote, de sorte que toutes les études montrent que la production de gaz est considérablement augmentée en incluant du carbone dans le fumier. La proportion d'azote peut être encore plus élevée dans les déjections animales si l'urine est incluse dans les selles. Il est ainsi conseillé de séparer l'urine des selles et de n'utiliser que ces dernières.

À titre d’exemple, le fumier de poulet pur ne produira que cinq pieds cubes de gaz pour chaque livre de fumier, mais le fumier de poulet mélangé à de la pâte à papier produira huit pieds cubes de gaz pour chaque livre de fumier utilisé. Le fumier de vache ne produira que 1,5 pied cube de gaz par livre, mais le fumier de vache mélangé à l'herbe coupée produira 4,5 pieds cubes de gaz par livre de fumier.

Il existe une autre méthode appelée digestion sèche . Ce procédé n'utilise aucun fumier et convient donc mieux à certaines applications dans lesquelles aucun fumier ne doit être traité. Voir digestion anaérobie .

Raffiner le gaz

Le gaz peut être raffiné davantage pour être utilisé dans les groupes électrogènes. Le méthane présent dans le gaz peut également être séparé pour augmenter la puissance du gaz.

Séparer le dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone (CO ₂ ) est présent dans le biogaz. Cela réduit ses performances en tant que carburant. La densité du méthane est d’environ 0,55 par rapport au poids de l’air, elle augmente donc, tout comme l’hydrogène. Le dioxyde de carbone, quant à lui, pèse deux fois le poids de l’air. Dans un conteneur de gaz vertical, si on laisse les gaz se déposer, ils se sépareront naturellement, les gaz inflammables montent vers le haut. Ce fait suggère qu'une bonne conception devrait avoir un robinet d'essence au bas d'un gazomètre vertical. Utilisez-le pour éliminer le dioxyde de carbone accumulé.

Éliminer le dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone peut également être éliminé. ^[4]

Les façons de procéder sont les suivantes :

• Acceptez les performances inférieures - cela fera toujours le travail et vous éviterez bien des tracas. Cela peut être la meilleure option pour les très petites applications.
• Épurer le CO ₂ avec du soufre - par exemple voir le projet d'épuration du CO2 du biogaz
• À l’avenir, des technologies de séparation telles qu’une éponge moléculaire en plastique pourraient devenir disponibles. ^[5]

Éliminer le sulfure d'hydrogène

Le sulfure d'hydrogène ^W (H ₂ S, également appelé « gaz d'œuf pourri ») est un produit courant de la digestion anaérobie. Il provoque une odeur désagréable et, à des concentrations suffisamment élevées, peut être très toxique. (Notez qu'il engourdit l'odorat bien avant qu'il ne devienne mortel - donc si vous pouvez le sentir, ce n'est pas encore mortel.)

Le sulfure d'hydrogène est corrosif et rend certains aciers fragiles, ce qui signifie que s'il y en a une quantité importante, il est important de l'éliminer avant que le gaz ne traverse un équipement, en particulier un équipement sidérurgique ou sidérurgique. (Qu'en est-il des autres matériaux ? Il n'est que très faiblement acide, il ne semble donc pas que ce soit l'acidité qui cause le problème avec l'acier.

Production à l'aide de biodigesteurs

Figure 1. Biodigesteur chinois à dôme fixe

Figure 2. Biodigesteur indien à couverture flottante

Un digesteur DIY à petite échelle

Deux modèles simples et populaires de digesteur ont été développés ; le biodigesteur à dôme fixe (c'est-à-dire le digesteur chinois à dôme fixe ) et le biodigesteur à tambour flottant (c'est-à-dire le digesteur de biogaz à couverture flottante indien ). Les exemples mentionnés sont présentés dans les figures 1 et 2. Le processus de digestion est le même dans les deux digesteurs mais la méthode de collecte des gaz est différente dans chacun. Dans le type à couvercle flottant, le couvercle étanche à l'eau du digesteur est capable de s'élever à mesure que le gaz est produit et d'agir comme une chambre de stockage, tandis que le type à dôme fixe a une capacité de stockage de gaz inférieure et nécessite une bonne étanchéité si l'on veut éviter les fuites de gaz. . Les deux ont été conçus pour être utilisés avec des déjections animales ou des excréments.

Les déchets sont introduits dans le digesteur via le tuyau d'entrée et subissent une digestion dans la chambre de digestion. Le produit du processus est une combinaison de méthane et de dioxyde de carbone, généralement dans un rapport de 6 : 4. Le temps de digestion varie de quelques semaines à quelques mois en fonction de la matière première et de la température de digestion. Le lisier résiduel est éliminé en sortie et peut être utilisé comme engrais .

Isolation

La température du processus de production de biogaz est très critique. Les bactéries productrices de méthane fonctionnent plus efficacement à des températures comprises entre 95°F et 100°F (ou environ 35°C). Dans les climats plus froids, il faudra peut-être ajouter de la chaleur à la chambre pour encourager les bactéries à remplir leur fonction. Dans les endroits où la température descend en dessous de 5°C (40°F) en hiver, environ 20 % du gaz généré sera nécessaire pour chauffer le digesteur et entretenir les matières en digestion. Une bonne isolation est donc nécessaire.

L'isolation devra être appliquée entièrement autour du réservoir ainsi qu'en dessous (entre le réservoir et le sol). Ceci, car la température du sol à plusieurs pieds sous la surface reste relativement constante entre 50°F et 55°F, agissant ainsi comme un dissipateur thermique tirant la chaleur du réservoir. Il est possible de creuser le réservoir dans le sol (pour réduire le refroidissement dû au vent), mais il est préférable de garder un espace ouvert entre le sol et le réservoir lui-même.

Les usages

La digestion des déchets animaux et humains en biogaz a plusieurs utilisations :

• la production de biogaz ou de méthane pur destiné à être utilisé comme combustible de cuisson.
• les déchets sont réduits en boue qui a une teneur élevée en éléments nutritifs qui en fait un engrais idéal ; dans certains cas, cet engrais est le produit principal du digesteur et le biogaz n'est qu'un sous-produit. On l'appelle Biol.
• Au cours du processus de digestion, les bactéries présentes dans le fumier sont tuées, ce qui constitue un grand avantage pour la santé environnementale.

Le biogaz est un combustible bien établi pour la cuisine et l'éclairage dans un certain nombre de pays, tandis que l'un des principaux facteurs de motivation dans le développement des biocarburants liquides a été la volonté de remplacer les carburants pétroliers.

Les digesteurs de biogaz à petite échelle fournissent généralement du combustible pour l’éclairage domestique et la cuisine. Ce sont de petites unités qui ne génèrent que quelques mètres cubes de biogaz chaque jour, fournissant suffisamment de gaz de cuisine pour toute une famille. Lorsque l’on utilise des biodigesteurs générant plus de quelques m³ de biogaz, il est économiquement intéressant d’acheter un groupe électrogène pour produire de l’électricité avec, même si cette utilisation est loin d’être aussi efficace que le combustible de cuisine.

Il peut également être utilisé comme carburant pour faire fonctionner des moteurs thermiques, mais il est beaucoup moins puissant que des gaz comparables (c'est-à-dire le méthane pur ) ; il n'est généralement utilisé qu'avec des moteurs thermiques stationnaires. ^[6] Les moteurs des véhicules utilisent généralement mieux le méthane (comprimé), ou encore un autre type de carburant . Le biogaz peut être utilisé dans les moteurs diesel en l'introduisant dans l'air injecté dans le moteur pour la combustion, ce qui permet de réduire la consommation de gaz diesel.

Utilisation dans les moteurs IC pour produire de l'électricité

La plupart des maisons utilisent des groupes électrogènes portables (qui sont des moteurs thermiques combinés à un alternateur ou une dynamo) dans la plage de 400 watts à 5 000 watts (1,4 à 8 CV). Les groupes électrogènes utilisés pour fonctionner au biogaz sont les mêmes que ceux utilisés pour fonctionner au gaz propane ou au gaz naturel. ^[7] Ce sont de simples moteurs à essence (et non diesel). Pour déterminer la taille du groupe électrogène dont vous avez besoin, vous devez d’abord examiner vos factures d’électricité actuelles. Découvrez la consommation électrique quotidienne. Si vous consommez 20 kW/h par jour, vous avez besoin d'un groupe électrogène de 5 kW fonctionnant pendant 4 heures ou d'un groupe électrogène de 2 kW fonctionnant pendant 10 heures. Les groupes électrogènes consomment environ 0,5 à 0,9 m³ de biogaz pour générer chaque kWh. Ainsi, si vous disposez d’un groupe électrogène de 2 kW, il consommera environ 1,2 m³ de biogaz par heure. Ainsi, si vous le faites fonctionner pendant 10 heures, vous aurez besoin de 12 m³ de biogaz – la quantité de gaz générée par le fumier frais d’environ 20 vaches. La plupart des systèmes utilisent une batterie pour stocker l’énergie générée par le groupe électrogène. Ne pas utiliser de batterie du tout est possible, mais nécessiterait un dimensionnement précis du groupe électrogène (HP) et pourrait créer des problèmes (c'est-à-dire sous-production ou surproduction en fonction des appareils utilisés simultanément dans la maison).

Le groupe électrogène portable doit toujours être démarré à l’essence, puis fonctionner pendant une minute à l’essence avant de passer au biogaz. Une fois réchauffé, le moteur fonctionnera entièrement au biogaz. La consommation de gaz des moteurs à essence est d'environ 60 % de celle des moteurs diesel bicarburant, vous obtenez donc plus de puissance du biogaz en utilisant des moteurs à essence. Le groupe électrogène doit être commuté en mode essence lors de l'arrêt, car cela aide à éliminer le biogaz du moteur.

Avantages et inconvénients

Avantages ^{[ vérification nécessaire ]}

• Réduit la pollution de l’air intérieur et la déforestation
• Moins de temps passé à ramasser du bois et à cuisiner si vous utilisez le gaz pour cuisiner
• Très peu d’opération et d’entretien nécessaires
• Réduit les émissions contribuant au changement climatique

Inconvénients ^{[ vérification nécessaire ]}

• Peut ne pas produire suffisamment d'énergie
• Ne peut remplacer que le gaz, pas d’autres types d’énergie
• Peut être difficile à stocker
• Difficile d’obtenir de bons résultats dans des climats plus froids

Frais

Les installations de biogaz coûteront entre 150 et 200 $/m³ en fonction de leur taille et du matériau de construction. Des subventions et des prêts gouvernementaux sont disponibles dans la plupart des endroits pour la construction. Le groupe électrogène coûtera entre 700 et 1 500 $. Les autres composants dont vous aurez besoin sont des équipements de surveillance, comme un compteur de gaz, un manomètre, un débitmètre, un compteur KWh, un courantomètre et un voltmètre. Un pH-mètre et un thermomètre seront également nécessaires pour surveiller la digestion dans l'usine de biogaz.

Adoption dans les pays en développement

Certains pays ont lancé des programmes de biogaz à grande échelle, la Tanzanie en est un exemple. Le modèle tanzanien est basé sur la récupération intégrée des ressources des déchets municipaux et industriels pour la production d'électricité et d'engrais sur le réseau.

La production de biogaz à petite échelle dans les zones rurales est désormais une technologie bien établie, notamment dans des pays comme la Chine et l’Inde. À la fin de 1993, environ cinq millions et quart de ménages agricoles possédaient des digesteurs de biogaz, avec une production annuelle d'environ 1,2 milliard de mètres cubes de méthane, ainsi qu'une capacité installée de 3 500 kW de centrale électrique alimentée au biogaz . En Inde, le développement et la diffusion de la technologie de gazéification sont très répandus et sont utilisés pour répondre à divers besoins énergétiques ruraux - par exemple, le pompage pour l'irrigation et l'électrification des villages.

Le Kenya dépend du pétrole importé pour répondre à 75 % de ses besoins énergétiques commerciaux. En 1980, dans le but de réduire ce niveau élevé de dépendance à l'égard d'une source de combustible contrôlée de l'extérieur, le gouvernement kenyan a mis en place le Programme énergétique spécial (SEP). L'un des aspects du programme était l'introduction et la diffusion de la technologie des usines de biogaz. Après un début difficile de collaboration avec les établissements d'enseignement, le programme s'est tourné vers les artisans locaux et les points de vente travaillant dans le secteur privé. Une formation pratique a été dispensée aux maçons et aux plombiers et les commerçants privés ont été encouragés à fabriquer et à stocker des appareils électroménagers tels que des cuisinières et des luminaires. En 1995, le nombre de centrales installées au Kenya était estimé à 880.

Remarques

La gazéification de la biomasse est un processus nettement différent. Voir Gazéification de la biomasse . Le biodiesel est également un processus nettement différent.

Voir également

• Conceptions de biodigesteurs
• Hydrolyse_thermique : le procédé alternatif utilisé pour la production de biogaz dans les grandes installations, par exemple les usines de traitement des eaux usées ; des exemples de projets sont le rwzi Apeldoorn, Waterschap Aa en Maas ^[8]
• Digestion anaérobique

Les références

Bibliographie

• Anonyme (Bureau du Groupe principal pour la propagation des gaz de marais), A Chinese Biogas Manual , 1981. Un ouvrage classique sur la production de biogaz en Chine, montrant la construction de digesteurs souterrains à petite échelle.
• Gunnerson CG et Stuckey DC, Digestion anaérobie - Principes et pratiques pour les systèmes de biogaz . Document technique de la Banque mondiale n° 49, Banque mondiale, 1986. Un bon aperçu.
• Gitonga, Stephen, Promotion du biogaz au Kenya. Technologie intermédiaire Kenya, 1997.
• Fulford, David, Running a Biogas Programme: A Handbook , Practical Action Publications, 1988 (en cours de mise à jour). Offrir de bonnes informations sur la gestion des programmes de biogaz régionaux ou nationaux, ainsi que de bonnes informations techniques sur la conception de brûleurs pour le biogaz.
• House, David, The Complete Biogas Handbook , révisé en 2007. Un ouvrage très complet. Plusieurs chapitres sont disponibles en téléchargement.
• Ravindranath, NH et Hall, DO, Biomasse, énergie et environnement : le point de vue d'un pays en développement de l'Inde. Presse universitaire d'Oxford, 1995.
• Karekezi, S. et Ranja, T., Technologies des énergies renouvelables en Afrique. AFRÉPEN, 1997.
• Kristoferson LA et Bokalders V., Renewable Energy Technologies - leur application dans les pays en développement. Éditions ITDG, 1991.
• Johansen, TB et al, Sources d'énergie renouvelables pour les carburants et l'électricité. Island Press, Washington DC, 1993.
• Gunnerson CG et Stuckey DC, Digestion anaérobie - Principes et pratiques pour les systèmes de biogaz. Document technique de la Banque mondiale n° 49, Banque mondiale, 1986.
• Gitonga, Stephen, Promotion du biogaz au Kenya. Technologie intermédiaire Kenya, 1997.
• Stassen, HE, Gazéifieurs de biomasse à petite échelle pour la chaleur et l'électricité : une revue globale. Document technique de la Banque mondiale no. 296, série Énergie 1995.
• Quaak, P., Knoef, H. et Stassen, HE, Énergie issue de la biomasse : une revue des technologies de combustion et de gazéification. Document technique de la Banque mondiale no. 422, série Énergie 1999.
• Anderson, T., Doig, A., Rees, D. et Khennas, S., Rural Energy Services : Un manuel pour le développement énergétique durable. Éditions ITDG, 1999.

Liens externes

• Wikipédia : Biogaz
• http://www.rebelwolf.com/essn/ESSN-Oct2005.pdf
• Manuel du biodigesteur d'Al Rutan
• Ligne d'assistance téléphonique pour le biogaz ; réalisé par Hemant Thite, vend quelques livres sur la question
• Construisez-le solaire ; biogaz
• Vidéo : Installation d'un biodigesteur à faible coût sur l'Altiplano. Bolivie
• Vidéo : Usine industrielle de biogaz à deux étages. Allemagne
• Latrines biologiques dans les bidonvilles du Kenya .
• Bibliothèque de biocarburants
• FAQ sur le biogaz
• Bref aperçu des projets de biogaz, principalement en Inde, en Chine, au Népal et en Afrique
• Village Terre : Energie : Biogaz
• ARTI : Biogaz issu de déchets alimentaires
• Forums sur le biogaz sur Permies.com

Données de page

Mots clés	biogaz , carburant , énergie
Auteurs	Chris Watkins , KVDP , Matt Byrne
Licence	CC-BY-SA-3.0
Porté depuis	https://practicalaction.org ( original )
Langue	anglais (fr)
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Créé	2 avril 2007 par Chris Watkins
Modifié	23 octobre 2023 par le bot StandardWikitext
Citer comme	Chris Watkins , KVDP , Matt Byrne (2007-2023). "Le biogaz comme carburant" . Appropédie . Récupéré le 30 janvier 2024 .
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