Calcul économique pour la production de biogaz à partir des déchets d’élevages

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Consommation par type d’énergie

La structure de la consommation d’énergie à Madagascar est caractérisée par une forte dépendance vis – à vis du bois énergie et dans une certaine mesure des produits pétrol iers résultant d’une valorisation insuffisante des énergies alternatives propres, notamment l’énergie hydraulique, solaire, éolienne et le biogaz. Ces sources d’énergie ne sont pas compétitives suite aux prix très bas des produits ligneux (bois) sur les marchés locaux et régionaux.
Une étude de diagnostic du secteur de l’énergie réalisée conjointement par le Ministère de l’Energie et la WWF (2012) a fait ressortir le profil de la demande et de l’offre d’énergie à Madagascar. Le bois énergie constituerait la principale source d’énergie à hauteur de 92% de la consommation totale du pays. Le charbon de bois est surtout utilisé par les ménages urbains et le bois de chauffe par la population rurale. Cuire un repas avec de l’électricité est 5 à 10 fois plus cher que de le cuire avec du charbon de bois.
Les produits pétroliers (gasoil et fuel oïl) viennent au second rang avec 7% des énergies consommées en 2011. Ils occupent une place importante dans la production de l’électricité à Madagascar tant du côté de la JIRAMA que des opérateurs privés encadrés par l’ADER.
Les énergies renouvelables viennent en troisième position avec 1%. Parmi les ressources renouvelables, l’exploitation de l’énergie hydraulique est relativement plus développée par rapport aux autres sources d’énergie pour la production d’électricité. L’énergie hydraulique représente 54% de la production de l’électricité de la JIRAMA en 2011. Au niveau des opérateurs privés en milieu rural, 18,6% utilisent l’hydraulique contre 3,9% pour la thermique biomasse, 3,57 % pour l’éolienne et 0,29 % pour le solaire.

Consommation d’énergie par secteur

La consommation est répartie entre secteur primaire, secondaire, tertiaire et ménages. En Mars 2014, 62,8% de la consommation d’énergie à Madagascar concernent les ménages, d’après les résultats d’une étude réalisée par le CREAM. Cette part de consommation n’engendre aucune production de richesse pour l’économie. En effet, cette situation concerne presque tous les secteurs de biens dans la Grande-île. Pour le reste, le secteur primaire ne consomme que 0,1% de l’énergie produite dans le pays, contre 8,6% pour le secteur secondaire et 28,5% pour le secteur
tertiaire.

Les problèmes de la production d’électricité à Madagascar

Un certain nombre de « paradoxes » caractérisent la production d’électricité en Afrique subsaharienne (Madagascar) dont une capacité de production insuffisante, un approvisionnement irrégulier, des prix très élevés et un accès au réseau électrique t rès limité .
Madagascar a mis en œuvre des mesures de réforme comme la mise en place d’une nouvelle législation, l’ouverture du secteur au privé, la mise en place d’un contrat de gérance de la société nationale JIRAMA, la mise en place d’un organe de régulation de l’Electricité (ORE), l’existence de producteurs privés d’électricité. Toutefois, les résultats obtenus ne sont pas à la hauteur des attentes dont le faible accroissement sinon la stagnation du taux d’accès à l’électricité, le prix prohibitif de cette dernière.
Madagascar possède un énorme potentiel en énergie hydroélectrique faiblement exploitée (127 654 KW sur 7.800 MW) au profit de l’exploitation de l’énergie thermique en vue de parer à l’insuffisance de la production d’électricité. Le recours à la production thermique tient au fait que la mise en place d’une centrale à fuel lourd ou au gazole est plus rapide et plus facile. Par contre, l’exploitation du potentiel hydraulique nécessite des installations conséquentes et coûteuses pour lesquelles les investissements font défaut.
Pour diverses raisons, l’Etat décrète le blocage du tarif malgré les dispositions légales. A ce propos, une insuffisance dans la mise en œuvre du cadre juridique et institutionnel du secteur de l’électricité est relevée par l’Office de Régulation de l’Electricité (ORE) lui-même.
En effet, l’ajustement des tarifs prévu par la loi (art.52) n’est pas appliqué, ce qui ne permet pas la viabilité financière des opérateurs. Il semble que ce blocage du tarif de la JIRAMA, qui devrait avoir eu lieu depuis 2001 jusqu’au présent suite à une hausse du prix du pétrole sur le marché international et la dévaluation de la monnaie nationale, constitue un des facteurs de difficultés de trésorerie de la JIRAMA. La gestion des problèmes du court terme aurait conduit les responsables à négliger la planification des investissements et à sacrifier les activités de maintenance. « Madagascar a connu de 2003 à 2008 une situation de stabilité politique et de croissance économique. La grande majorité des autres pays avec une exp érience similaire sur la période (Burkina, Mali, Mozambique, Rwanda, Ouganda…) ont entrepris d’augmenter les niveaux d’accès et leur capacité de production de manière ambitieuse ».

Les ressources de la commune 

D’après le dernier recensement communal et les données statistiques locales, la commune rurale d’Amparafaravola compte actuellement 35.760 habitants.
La population est composée en majorité par l’ethnie Sihanaka. Viennent ensuite les Merina, les Betsileo et les Antandroy. Les agglomérations sont en majeure partie installées sur la partie Est de la commune à cause de la présence des plaines cultivables et la facilité d’accès (RN3 a).
Amparafaravola enregistre un nombre de population assez élevé par rapport aux autres communes environnantes et même des autres communes de la Région. Toutefois, la population n’est pas bien repartie sur l’ensemble de la commune et a tendance à se regrouper aux alentours des grandes unités de productions dont la ville d’Amparafaravola, les plaines rizicoles et les grands axes de circulation comme la RN 3a. Ceux qui favorisent d’une part l’échange mutuel et la communication réciproque avec les communes environnantes et d’autre part l’insécurité au niveau des fokontany enclavés.
Par rapport aux autres communes limitrophes, à savoir les communes qui se trouvent tout au long de la RN3a et les communes qui sont dans le même District ou bien plus précisément la commune de Sahamamy, d’Ambohimandroso ou même Andrebakely et Ambatomainty, on peut dire que la commune d’Amparafaravola est le plus peuplée car on a enregistré une densité moyenne de 90hab/km² alors que pour la plupart des communes ( Ambatomainty, Andrebakely, Morarano chrome, Bedidy,… ) la densité tourne aux environ de 10 à 20 hab./km², c’est à dire une densité qui est nettement faible. Cette dernière s’explique par l’insécurité qui y règne et par l’insuffisance des voies de desserte. Pour les communes de Sahamamy et Ambohimandroso qui étaient rattachées à la commune d’Amparafaravola avant l’année 2003, le nombre de la population est également faible: Ambohimandroso 7 180 habitants et Sahamamy 9 571 habitants.
En définitive, la commune Amparafaravola est la plus peuplée parmi les 20 communes du district.

Epuration

A la sortie du digesteur, le biogaz ne peut pas être utilisé comme tel quel car il faut éliminer de celui-ci les substances indésirables sous forme de traces et les polluants. Les principales substances critiques dans le biogaz sont :
 La vapeur d’eau : elle est corrosive si association avec d’autre gaz, obstruction des canalisations si condensats .
 L’hydrogène sulfure (H2S) : fortement corrosif .
 Le Dioxyde de carbone (CO2) : corrosif en solution + diminue la teneur en méthane. Pour améliorer la qualité du combustible une épuration est nécessaire.

Elimination des vapeurs d’eau 

Le moyen le plus facile d’extraire l’eau est de la faire condenser.
La condensation pourra être faite en ré frigération plus poussée au moyen d’une source froide naturelle (cuve, source) ou artificielle (réfrigérateur, réactions chimiques.)
On pourra aussi assécher chimiquement le gaz par barbotage dans le glycol (C 2H6O2) ou mieux par passage dans une colonne sèche remplie de chlorure de calcium (CaCl2) en produisant de l’acide chlorhydrique et de la chaux éteinte donné par la réaction ci-après : CaCl2 + 2 H2O 2HCl + Ca(OH)2.

Elimination du gaz carbonique 

Le plus simple est de procéder à un lavage du gaz à l’eau. Le gaz carbonique est très soluble 878 m3 / L à 20° C alors que le méthane l’est très peu.
On pourra aussi faire passer le gaz dans l’eau de chaux ou chaux éteinte (Ca (OH) 2).
Ca (OH) 2 + CO2 CaCO3 + H2O.
La calcite est insoluble dans l’eau mais devient soluble s’il y a excès de gaz carbonique. I.3.1.5.3. Elimination d’hydrogène sulfuré :
La combustion de l’hydrogène sulfuré (H2S).
selon la réaction  dégage de l’acide sulfurique (H2SO4) H2S + 2O2 H2SO4.
La présence de H2S est nuisible et nous l’éviterons au maximum par apport judicieux de matières et un équilibre du pH.
La désulfuration du biogaz est basée sur la réaction chimique de H 2S avec une substance appropriée, le plus utilisé est le passage dans une masse ferrugineuse.
Le procédé consiste à faire passer à travers une masse d’hydroxyde de fer qui pourra être régénérés par exposition à l’air libre avec départ soufre :
Chargement: FeO + H2S FeS + H2O.
Régénération : 2FeS + O2 2 FeO + 2 S.
Chargement : 2 Fe(OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O.
Régénération : 2Fe2S3 + 3 O2 + 6 H2O 4 Fe(OH)3 + 6 S.
Chargement : Fe(OH)2 + H2S FeS + 2H2O.
Régénération : 2 FeS + O2 + 2 H2O 2 Fe(OH)2 + 2S.
Le soufre éléme ntaire s’ajoute à la masse ferrugineuse qui se sature en soufre et doit être remplacée périodiquement.

La production du biogaz ou la méthanisation

La méthanisation est un procédé biologique qui se déroule en absence d’oxygène et au cours duquel les matières organiques sont converties en biogaz. Le biogaz qui est composé principalement de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2). Les conversions sont réalisées par des bactéries et des micros – organismes. La transformation est très complexe car il s’agit le cas des déchets de passer d’une forme solide à une forme soluble et qui peut être utilisée par les bactéries.

Phase de méthanisation

Au cours de la fermentation, les matières organiques subissent une dégradation suivant quatre phases.

Hydrolyse du substrat

Sous l’effet d’enzymes exocellulaires tels que les cellulases, protéases, lipases, amylases,…, des bactéries hydrolytiques dépolymérisent la matière organique complexe de substrats et la solubilisent.

Acidogenèse

Les hydrolysats de la phase précédente sont alors transformés par des bactéries acidogènes en acides gras courts comme l’acide acétique, acide formique, acide butyrique ; ainsi qu’en alcools (méthanol, éthanol,…).

Acétogenèse

Les produits de l’acidogenèse comme les alcools et les acides gras volatiles de plus de 2 carbones, par des bactéries acétogenes, sont convertis en acétates, alcool et hydrogènes qui sont digérables par les bactéries méthanogènes.

Méthanogènes

C’est la dernière phase de fermentation. Les composés simples issus de l’acétogenèse tels que l’H2, CO2, l’acide acétique, l’alcool éthylique, l’alcool méthylique,… sont convertis en méthane.
Et voici quelques réactions qui montrent la formation du méthane :.
 Transformation de l’acide acétique en méthane : CH3COOH CH4 + CO2
 Transformation du gaz carbonique en méthane: CO2+ 4H2 CH4 + 2H2O.
 Transformation de l’alcool éthylique en méthane : 2CH3CH2OH 2CH4 + CH3COOH.
 Transformation de l’alcool méthylique en méthane : 4CH3OH 3CH4+ 2H2O + CO2.

Paramètre mis en jeu pour la méthanisation

Pour n’importe quel type de fermentation, toutes les matières organiques d’origine animale, végétale (déchets verts), ou agro-industrielle (effluents) sont susceptibles de produire du biogaz (méthane en majorité) dans des conditions bien définies :
 en absence de l’air .
 en fonction de la température
 à un potentiel d’Hydrogène .
 sous certaines conditions d’équilibre C/N .
 humidité.

Anaérobiose

Si les deux phases préalables à la méthanogène peuvent se dérouler en présence d’air, la phase méthanogène ne peut se développer qu’en absence d’oxygène (flore anaérobie stricte). La quantité d’oxygène létale pour les bactéries méthanogènes est estimée à 10 ppm. Seul un milieu anaérobie permet la production de méthane. L’élimination de l’O2 présent au début de la fermentation est liée aux métabolismes des bactéries anaérobies facultatives (hydrolytique et acidogène).

Température de fonctionnement

La température est le facteur le plus important car pour chaque température existe un temps minimum où autant de bactéries sont formées. Elle influence directement le taux d’activité enzymatique des colonies bactériennes. En effet, inferieur à 20°C, cette activité est faible. Au-dessus de 65° C, les enzymes sont dénaturées par la chaleur.
La vitesse de dégradation de la matière organique ainsi que la production de gaz dépendent de la température au moment de la fermentatio n méthanique.
On distingue 2 plages de température optimale correspondant chacune à une population de bactéries méthanogènes :
 pour les méthanogènes mésophiles : 30° C < T° < 45° C .
 pour les méthanogènes thermophiles : 50° C < T° < 60° C.

Table des matières

INTRODUCTION
I. PREMIERE PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. SITUATION ENERGETIQUE A MADAGASCAR[1] [6] [7] [10] [17] [18] [19][20] [23] [25]
I.1.1. Qu’est-ce-que l’énergie ?
I.1.2. Stade d’énergie
I.1.3. La potentialité des énergies exploitable malgache
 Les énergies renouvelables
I.1.4. Structure de la consommation d’énergie à Madagascar
I.1.4.1. Consommation par type d’énergie
I.1.4.2. Consommation d’énergie par secteur
I.1.5. Les problèmes de la production d’électricité à Madagascar
I.2. ZONE D’ETUDES [21]
I.2.1. Situation géographique
I.2.1.1. Localisation
I.2.1.2. Superficie:
I.2.2. Les ressources de la commune :
I.2.2.1. La Population
I.2.2.2. Climat
I.2.2.3. Pâturage
I.2.3. L’activité économique
I.2.3.1. Elevage
I.2.4. Unités de transformation
I.2.5. L’infrastructure de base
I.2.5.1. Energie
I.3. LE BIOGAZ [1] [2] [4] [5] [11] [12] [14] [15] [23]
I.3.1. Généralités sur le biogaz
I.3.1.1. Définition
I.3.1.2. Caractéristiques
I.3.1.3. Equivalence énergétique
I.3.1.4. Utilisation
I.3.1.4.1. Utilisation comme combustibles
I.3.1.4.2. Utilisation comme carburant
I.3.1.5. Epuration
I.3.1.5.1. Elimination des vapeurs d’eau :
I.3.1.5.2. Elimination du gaz carbonique :
I.3.1.5.3. Elimination d’hydrogène sulfuré :
I.3.2. La production du biogaz ou la méthanisation
I.3.2.1. Phase de méthanisation
I.3.2.1.1. Hydrolyse du substrat
I.3.2.1.2. Acidogenèse
I.3.2.1.3. Acétogenèse
I.3.2.1.4. Méthanogènes
I.3.2.2. Paramètre mis en jeu pour la méthanisation
I.3.2.2.1. Anaérobiose
I.3.2.2.2. Température de fonctionnement
I.3.2.2.3. Le potentiel d’hydrogène (pH)
I.3.2.2.4. Le rapport C / N
I.3.2.2.5. L’humidité
I.3.2.3. Type de fermentation
I.3.2.3.1. La fermentation discontinue
I.3.2.3.2. La fermentation continue
I.3.2.3.3. La fermentation semi – continue
I.3.2.4. Les types de réacteurs (biodigesteurs) de la production du biogaz
I.3.2.4.1. Digesteur à cloche flottante
I.3.2.4.2. Digesteur à dôme fixe
I.4. LES DECHETS D’ELEVAGES [3] [8] [9] [13] [16]
I.4.1. DÉFINITIONS
I.4.1.1. Le fumier
I.4.1.2. Le lisier
I.4.2. Utilisations des effluents
I.4.3. La ressource des effluents
II. ETUDE EXPERIMENTALE
II.1. MATERIELS DE LABORATOIRE UTILISES
II.1.1. Matériels utilisés pour la production du biogaz
II.1.1.1. Le digesteur de laboratoire :
II.1.1.2. Le gazomètre :
II.1.1.3. Le bac d’immersion du digesteur :
II.1.1.4. Bac de récupération
II.1.1.5. La résistance chauffante
II.1.2. Matériels utilisés pour les analyses chimiques nécessaires
II.2. METHODOLOGIE
II.2.1. Méthodologie d’analyse
II.2.1.1. Détermination de la teneur en eau et en matière sèche
II.2.1.1.1. Définition
II.2.1.1.2. Principe
II.2.1.1.3. Méthode
II.2.1.1.4. Méthode de calcul
II.2.1.2. Détermination de la teneur en carbone par la méthode de walkey et black
II.2.1.2.1. Principe
II.2.1.2.2. Méthode
II.2.1.2.3. Mode de calcul
II.2.1.3. Détermination de la teneur en azote (azote kjeldahl)
II.2.1.3.1. Principe
II.2.1.3.2. Mode opératoire
II.2.1.3.3. Méthode de calcul
II.2.2. La fermentation
II.2.2.1. Le temps de rétention hydraulique (TRH)
II.2.2.2. La conduite de la fermentation
II.2.2.2.1. Préparation de ces proportions
II.2.2.2.2. Composition des substrats à fermenter :
II.2.2.2.3. Processus des expériences de la fermentation
II.3. RESULTATS DES EXPERIENCES DE LABORATOIRE
II.3.1. Résultats des analyses
II.3.1.1. Humidité et matières sèches
II.3.1.2. Teneur en carbone et en azote
II.3.1.2.1. Teneur en carbone
II.3.1.2.2. Teneur en azote
II.3.2. Production journalière en biogaz
II.3.2.1. Production moyenne par jour
II.3.2.2. Caractéristique du biogaz produit
II.3.1. Les caractéristiques des digestats
III. PERSPECTIVES D’APPLICATION EN MILIEU REEL
III.1. CONCEPTION ET DESCRIPTION DES INSTALLATIONS
III.1.1. Formulation en milieu réel
III.1.2. Méthode de calcul des valeurs en milieu réel
III.1.3. Choix de l’unité à installer
III.1.3.1. Unité de production
III.1.4. Description des différents compartiments
III.1.4.1. Chambre de digestion
III.1.4.2. Cloche Gazomètre
III.1.4.3. Compartiment d’introduction de substrats
III.1.4.4. Compartiment d’évacuation des résidus solides
III.1.5. Description des petites pièces de production
III.1.5.1. Tuyauteries en PET
III.1.5.2. Clapet anti-retour
III.1.5.3. Robinet tournant
III.2. LA CONVERSION DU BIOGAZ EN ELECTRICITE
III.2.1. Principe de la conversion
III.2.1.1. Théorie de la conversion énergétique
III.2.1.2. Caractéristiques de la conversion
III.2.2. Matériels utilisés
III.2.2.1. Caractéristiques et fonctionnement du matériel
III.2.2.2. Résultats prévisionnels de la conversion de production
III.3. VALORISATION DES DIGESTATS EN ENGRAIS BIOLOGIQUE
III.3.1. Valorisation du digestat par le séchage
III.3.1.1. Méthodes de séchage
III.3.1.2. Séchage solaire naturel
III.3.1.3. Séchage solaire artificiel
III.3.1.4. Description et principe de fonctionnement du séchoir solaire direct utilisé
III.3.1.5. Conduite de séchage
III.3.1.5.1. Chargement
III.3.1.5.2. Fin de séchage
III.3.1.5.3. Déchargement et conditionnement
III.3.1.5.4. Entretien du séchoir
III.4. EVOLUTION DES RESSOURCES EN DECHETS D’ELEVAGE POUR LES DIX ANNEES
A VENIR
III.4.1. Evolution de ressources en déchets bovins, porcins et avicole du projet
IV. ETUDE ECONOMIQUE ET APPROCHE ENVIRONNEMENTALE
IV.1. OBJECTIFS DES ETUDES DE PREFAISABILITE ECONOMIQUE ET FINANCIERE[15].76
IV.1.1. Description du projet
IV.1.2. La méthodologie des évaluations
IV.1.2.1. Méthode d’études de l’opportunité économique du projet
IV.1.2.1.1. Justification et fondement de la méthode
IV.1.2.1.2. Mécanisme de la Capitalisation et de l’Actualisation
IV.1.2.2. Système comptable de mesure de performance de rentabilité
IV.1.2.2.1. Marge Brute d’Autofinancement (MBA)
IV.1.2.2.2. Valeur Nette Actualisée (VNA)
IV.1.2.2.3. Taux de Rentabilité Interne (TRI)
IV.1.2.2.4. Indice de Profitabilité (Ip)
IV.1.2.2.5. Durée de Récupération des Capitaux Investis (DRCI)
IV.1.2.3. Définition des éléments d’évaluation financière du projet
IV.1.2.3.1. Emplois débiteurs du projet
IV.1.2.3.2. Ressources du projet
IV.1.2.3.3. Hypothèses de calcul
IV.2. ETUDE DE RENTABILITE DU PROJET [15]
IV.2.1. Calcul économique pour la production de biogaz à partir des déchets d’élevages
IV.2.1.1. Le Capital investit
IV.2.1.2. Charge d’exploitation
IV.2.1.3. Le chiffre d’affaire
IV.2.1.4. Compte d’exploitation prévisionnelle
IV.2.1.5. Les indicateurs de rentabilité du projet
IV.2.2. Calcul économique pour la conversion de biogaz en électricité
IV.2.2.1. Le capital investi
IV.3. IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DU PROJET [21] [23] [24]
IV.3.1. Démarche méthodologique
IV.3.1.1. Identification et analyse des impacts environnementaux
IV.3.1.2. Présentation des impacts environnementaux et analyse
IV.3.1.2.1. Impacts positifs du projet
IV.3.1.2.2. Impacts négatifs de projet
IV.3.2. Evaluation de l’importance des impacts environnementaux du projet
IV.3.2.1. L’intensité
IV.3.2.2. La portée ou l’étendue
IV.3.2.3. La durée
IV.3.3. Mesure de protection de l’environnement
IV.3.3.1. Elaboration des mesures d’atténuations
IV.3.3.2. Mesures d’atténuations liées à la phase de construction
IV.3.3.2.1. Protection de l’air
IV.3.3.2.2. Protection des eaux
IV.3.3.2.3. Protection du sol
IV.3.3.2.4. Atténuation des bruits et des vibrations
IV.3.3.2.5. Atténuation des impacts socio-économique
IV.3.3.3. Mesures d’atténuation des impacts en phase d’exploitation
IV.3.3.3.1. Atténuation des impacts sur la qualité de l’air
IV.3.3.3.2. Atténuation des impacts liés à l’hygiène sanitaire
IV.3.3.4. Mesure d’atténuation des impacts en phase de fermeture
CONCLUSION

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