Création de biogaz : la méthanisation

Création de biogaz : la méthanisation

Etude du potentiel en énergies renouvelables

Le choix des sources d’énergie à exploiter sur le site est d’une importance cruciale pour répondre à l’objectif ambitieux en termes d’émissions de gaz à effet de serre et d’impact environnemental.
Tous les systèmes étudiés répondent à des exigences environnementales élevées notamment en termes d’émissions de CO2.
Dans un premier temps, les sources d’énergies renouvelables thermiques et électriques disponible sur le site seront étudiées, afin de déceler les sources d’énergies les plus cohérentes avec l’ensemble du projet (Bannissement des énergies fossiles). Les sources d’énergie étudiées sont les suivantes : Solaire thermique, Bois énergie, Pompe à chaleur géothermique, Systèmes de récupération de chaleur, Solaire photovoltaïque, Eolien, Pico-Hydraulique, Couplage chaleur force.
D’autre part, dans l’optique de ne pas être raccordé au réseau électrique, plusieurs solutions d’utilisation rationnelle de l’énergie, ou de stockage d’énergie seront également étudiées :
Pico pompage-turbinage, Power to Gaz / Gaz to Power (hydrogène), Volant d’inertie, Pilotage automatique d’appareils, Stockage électrochimique.

Batterie électrochimiques ou à circulation

Bien que nécessitant des procédés de fabrication industriels et parfois polluants, la technologie de batterie traditionnelle est une solution de stockage de l’électricité maitrisée à petite échelle, et de plus en plus à grande échelle. Les rendements de charge et de décharge, la facilité de mise en œuvre, la grande flexibilité de puissance et le faible rapport volume/énergie stockée en font une solution efficace et rentable pour stocker l’énergie électrique, et il sera difficile de s’en passer pour être coupé du réseau électrique.
Batteries électrochimiques
Il existe plusieurs types de batteries électrochimiques, dont les caractéristiques varient selon le matériau utilisé, comme le montre le tableau ci-dessous :
La technologie de batterie au plomb est la plus connue et la plus maîtrisée. Les batteries au lithiumion connaissent cependant un développement important. Bien que plus onéreuses à l’investissement qu’une batterie au plomb, les batteries au lithium-ion ont une capacité massique 3 fois plus importante et leur durée de vie plus de 2 fois supérieure.
Batteries à circulation
La batterie à circulation est également une technologie de stockage efficace en terme de rendement, elle utilise une membrane et des réservoirs dont le dimensionnement influencera directement la puissance disponible et la capacité de stockage.

Système inertiel de stockage d’énergie

Le principe du stockage par volant d’inertie est d’utiliser l’électricité pour faire tourner un cylindre généralement en carbone à l’aide d’un moteur électrique. La vitesse de rotation peut atteindre en quelques minutes plusieurs milliers de tours par minute. Cette énergie cinétique de rotation est ensuite utilisée comme génératrice électrique lorsque le besoin se présente, entraînant la baisse de la vitesse de rotation du cylindre. Ce système a l’avantage de pouvoir réagir très rapidement à une grande variation de puissance. Il a une très grande longévité et des frais d’entretien quasiment inexistants. Cependant, les coûts d’investissement sont élevés, et l’énergie ne peut pas être stockée indéfiniment car il y a toujours des pertes de charge faisant ralentir de cylindre même lorsqu’il n’est pas utilisé. Le rendement, si l’énergie est restituée dans les 15 minutes, se situe aux alentours de 80%, mais il chute si le cylindre est laissé trop longtemps sans être utilisé. De plus, le temps de décharge est très rapide. La quantité d’énergie stockée par ce système est relativement faible.

Stockage d’énergie par air comprimé (CAES)

Le stockage par air comprimé consiste à faire fonctionner un compresseur d’air à l’aide de l’électricité produite en surplus pour comprimer de l’air dans des réservoirs à haute pression.
L’énergie est ensuite récupérée par la détente de l’air dans une turbine. Les CAES dis «classiques» ont un rendement moyen, aux alentour des 50%. Ils sont généralement équipés d’une chambre de combustion alimentée au gaz, ou l’air comprimé et le gaz sont brûlés pour améliorer le fonctionnement de la turbine. Cette solution sera oubliée. Avec son apport en gaz, elle n’entre pas dans la vision du projet et la volonté d’être le plus autonome possible.
Pour éviter cet apport de gaz, une solution est de stocker la quantité importante de chaleur produite lors de la compression et s’en servir pour ce préchauffage. On appelle cette technique le « CAES adiabatique ». Le rendement est ainsi amélioré et avoisine les 70%.

Chaudière bois

La puissance de la chaudières bois est déterminée en fonction des besoins en chaleur du centre pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire. La puissance pour le chauffage a été définie à 56 kW.
Pour l’eau chaude sanitaire, il a été dit que les besoins annuels sont de 83.6 MWh, soit 229 [kWh/jour]. La puissance de chauffe doit permettre de produire cette eau chaude sanitaire en 4h. Cette puissance est donc de 57 kW.
La qualité de l’enveloppe des bâtiments Minergie-P fait que la puissance de production de chaleur est dimensionnée sur la production d’eau chaude sanitaire, tant l’inertie du bâtiment doit permettre de couper le chauffage sans pour autant entraîner de grandes dérives de température.
La puissance de la chaudière bois sera donc de 60 [kW]. Les chaudières bois à pellets ont un rendement supérieur à 90% selon les constructeurs.

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Table des matières

I. Généralités du projet
1. Données du projet
2. Méthode
3. Présentation du site
4. Hypothèses d’occupation
II. Etude des besoins en énergie
1. Electricité
2. Chaleur
a. Chauffage
b. Eau chaude sanitaire (ECS)
III. Etude du potentiel en énergies renouvelables
1. Energie électrique
a. Solaire photovoltaïque
b. Eolien
c. Pico-Hydraulique
d. Couplage chaleur-Force
2. Energie thermique
a. Bois énergie
b. Pompe à chaleur Air/Eau
c. Pompe à chaleur Eau/Eau
d. Solaire thermique
e. Récupération de chaleur
3. Stockage d’énergie électrique
a. Batterie électrochimiques ou à circulation
b. Power to gaz – Production d’Hydrogène
c. Système de transfert d’énergie par pompage (STEP)
d. Système inertiel de stockage d’énergie
e. Stockage d’énergie par air comprimé (CAES)
f. Transport
4. Synthèse et choix
IV. Etude du scénario d’approvisionnement en énergie
1. Production de chaleur
a. Chaudière bois
b. Installation solaire thermique
c. Récupération de chaleur
2. Production d’électricité
a. Solaire photovoltaïque
b. Eoliennes à axe verticale
3. Stockage d’électricité
a. Dimensionnement des capacités de stockage
b. Utilisation du surplus d’électricité
c. Encombrement
d. Schémas de principe
V. Valorisation des déchets
1. Création de biogaz : la méthanisation
2. Traitement des eaux grises : la phytoépuration
3. Récupération des eaux de pluie
VII. Synthèse
1. Bilan énergétique et financier
2. Variante : raccordement réseau
a. Présentation de la variante
b. Analyse financière
VIII. Conclusion