MERI-LL
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LE BIOGAZ ET SON PROCESSUS DE PRODUCTION
Le biogaz :
Le biogaz ou gaz biologique ou biométhane est un gaz combustible généré par la fermentation anaérobie des substrats fermentescible. C’est un mélange gazeux constitué essentiellement de :
• Méthane de formule CH : 50 à 65%
· Gaz carbonique CO2 : 30 à 40%
· L’eau H 2O : 2%
· Et de divers gaz dont l’hydrogène sulfuré : jusqu’à 3% [10]
Les caractères physico – chimiques du biogaz :
On admet que le volume du biogaz contient : 2/3 de CH4 et 1/3 de CO2.
Pour un biogaz de mélange : 60% de CH et 40% de CO par exemple :
– son PCI est de 5250 Kcal/ m3, soit 21.5MJ/ m3
– son intervalle d’inflammation est de 6 à 12% en vol ume, dans l’air ;
– sa température d’inflammation est au environ de 600°C ;
– sa pression critique est de 75 à 89 Bars ;
– et sa température critique est de – 82.5°C [8]
De cette variation de composition, on a attribué lenom de :
– biogaz pauvre : CH4 ≈ 50% et CO2 ≈ 50%
– biogaz moyen : CH4 ≈ 65% et CO2 ≈ 35%
– biogaz riche : CH4 ≈ 80% et CO2 ≈ 20%
Les diverses utilisations du biogaz :
Le biogaz, en tant que source d’énergie nouvelle et renouvelable peut être utilisé respectivement comme :
· Energie domestique utilisée pour la cuisson, le chauffage, l’éclairage…
· Carburant des divers moteurs : pompes, groupes électrogènes, véhicules…pour produire de l’énergie mécanique et électrique.
· Application industrielle : l’obtention de vapeur pour les chaudières et les turboalternateurs, de l’air chaud pour les séchoirs, de l’air froid pour les appareils frigorifiques et les chambres froides…
Les différents modèles de biodigesteurs :
Divers modèles de biodigesteur ont été développés traversà le monde entier. Ils se distinguent du choix de la technologique à applique r (la forme et la conception du réacteur : à l’air libre ou souterraine, semi-continue ou discontinue, à dôme fixe ou à cloche flottante, en matériaux durs, en métal ou en plastique… ) ; du contexte, du type de matières premières disponibles à digérer, du climat, et de la disponibilité financière…
Le digesteur à dôme fixe (ou type chinois) :
C’est un modèle à vocation familiale apprécié en Chine. Il est formé d’une partie inférieure cylindrique et d’une partie supérieure ous forme de voûte sphérique ou hémisphérique pour le stockage du gaz. En béton ouen brique cuite induite, (donc une durée de vie assez longue ; coût modéré et problème de corrosion remédié…) son installation est souterraine. Sa productivité est de l’ordre de 0.1 à 0.2 m 3 du gaz par mètre cube du digesteur par jour.
Le biodigesteur à cloche flottante (ou type indien) :
C’est un modèle très répandu en Inde, et à vocationfamiliale ou communautaire. Celui-ci est composé d’une partie cylindrique en brique ou en béton, placé verticalement et enterré. Au-dessus flotte un gazomètre métallique ou en d’autres matériaux (fibre de verre, plastique renforcé de fibre de verre ou F.R.P, ferrociment…) pour stocker le gaz. Le mouvement ascendant-descendant de la cloche témoigne l’existence du gaz dans la cloche permettant ainsi le mélange du substrat. L’avantage de son utilisation est que c’est une tec hnique facile à mettre en œuvre par rapport au précédent : une simple gestion du gaz par repérage de la hauteur de la cloche ; une pression moyenne quasi-constante ; une maintenance et un déchargement facile à manier ; une étanchéité meilleure, donc une productivité meilleure.
Le biodigesteur à plug-flow :
Pour surmonter les problèmes de digesteur à haute pression (type chinois), le digesteur à plug-flow est un digesteur à basse pression du fait de sa conception : un diamètre de la fosse normalement large et assez profonde, couverte d’une membrane en plastique ou en caoutchouc et quelque fois munie à la partie supérieure d’un ballon souple en bâche plastifiée pour récupérer et stocker le gaz. Parfois très volumineux (jusqu’en millier de mètre cube), et alimenté de façon continue ou semi-continue, il digère des substrats liquides à teneur en Matière Sèche élevée comme les substrat pailleux, les ordures ménagères, les déchets urbains… Une ouverture hydraulique d’entrée et de sortie assez grande est construite sous le réacteur.
Le biodigesteur hybride :
Ce sont des modèles qui combinent les avantages des installations à dôme fixe et à cloche flottante. Le digesteur est à dôme fixe mais chapea uté d’un gazomètre séparé cylindrique en ferrociment ou en matières synthétiques.
Ses avantages sont que : la surface du dôme exposée au gaz, et donc la pression sont réduites ; une obtention de pression plus ou moins constante et réglable par le biais d’un contre poids sur le gazomètre. Cet effet permet de décharger par gravitation le réacteur. Sa productivité est de l’ordre de 0.3 m 3/ m3.j.
Le biodigesteur à ballon plastique :
Ici, le réacteur est constitué d’un long cylindre ne plastique (en PVC, en Red Mud Plastique…) placé horizontalement et à moitié enter rée. Alimenté en substrat liquide de manière continue, le gaz est stocké à la partie supérieuresous la plastique, ou bien dans un ballon disposé séparément au dessus. Le réacteur est sensible à lavariation de la température ambiante (à cause de sa partie exposée à l’air libre). Par conséquent, la température à intérieure peut être de 2 à 7°C plus élevée que celle du type chinois.
De son caractère plug-flow, sa productivité en gazpeut atteindre 0.24 à 0.61 m 3/ m3 de digesteur par jour. Mais sa durée de vie est limitée par la apider détérioration de la matière plastique (surtout le RMP…)
Historique et situation du biogaz à MADAGASCAR : [23] [6] [24]
A vrai dire, peu d’installation existe encore à MA DAGASCAR, car il n’y a qu’une vingtaine seulement dont la plupart sont déjà hors d’usage. Les causes sont multiples à savoir la méthodologie et la technologie de diffusion et de vulgarisation de la technologie du biogaz ; le suivi et évaluation des résultats ; l’investissemen ; le risque…Pourtant, pour les sites encore fonctionnels, les bénéfices sont palpables.
Une mission de consultance sur les possibilités dedévelopper un programme sur la technologie du biogaz a été réalisée en 1984. C’était un programme de coopération du Gouvernement Malgache avec la FAO (AG : GCPF/MAG/060/NOR). Puis en janvier 1985, une commission technique interministérielle a été crééesur l’initiative du Ministère chargé de la recherche scientifique (MRSTD) pour assurer des échanges d’information et de coordination entre le services techniques intéressés par la maîtrise et l’extension de cette technique. C’est ainsi qu’une autre commission a permis d’élaborer le projet unique qui a été soumis à la FAO : le projet TCP/MAG/6652 (T) ; doté d’une somme de 153 000 US $, et qui a débuté en septembre 1986 et a pris fin en juin 1988 pour un délai de deux ans.
Cinétique microbienne du processus :
Par définition, la microbiologie est l’étude des microorganismes sous leurs multiples aspects. C’est une science multidisciplinaire comprenant l’algologie, la protozoologie, la mycologie, la bactériologie…Elle fait partie de la prostistologie, une science qui étudie les organismes tels que les levures, les moisissures, les bactéries… auxquels s’appliquent les méthodes expérimentales d’isolement et de culture pure. [2]
Le processus de biométhanisation dépend essentiellement de l’activité des flores microbiennes dans le réacteur. La cohabitation et la symbiose entre ces diverses bactéries rendent leurs études difficiles. Néanmoins, des recherches très avancées en matières de microbiologie permettent de les identifier, de les isoler et de les cultiver, dans le but d’étudier leur mode de vie et d’obtenir un produit « pur ».
La figure suivante donne l’aperçu de l’allure de la courbe expérimentale montrant l’évolution de la croissance microbienne en fonction du temps. Cette courbe peut être tranchée en six phases :
Phase de latence :
Au cours de cette phase, il n’y a pas encore de reproduction cellulaire car c’est la synthèse d’enzymes qui leurs préoccupent pour métaboliser le substrat présent. Donc pour les bactéries, cette phase correspond à une adaptation au milieu.
Donc : X =Xo = constante
Où Xo : la concentration des flores microbiennes à l’instant t =0 en [gramme de MS cellulaire /L] ou en [ nombre de cellules /mL] ;
Et X : la concentration des flores microbiennes à l ’instant t
La vitesse de croissance microbienne est donnée parla relation: dX /dt = 0 [g/L.h]
La vitesse spécifique de croissance ou taux de croissance µ : µ = 1 * dX = 0 [h-1] Xdt
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREMIER PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LA BIOMASSE ET SES DIFFERENTS PROCESSUS DE VALORISATION ENERGETIQUE
I.1 La biomasse
I.2 Les différents processus de valorisation de la biomasse
I.2.1 La voie thermochimique
I.1.2 La voie chimique
I.2.3 La voie biologique
I.3 La fermentation
I.3.1 La fermentation aérobie
I.3.2 La fermentation anaérobie
CHAPITRE II : LE BIOGAZ ET SON PROCESSUS DE PRODUCTION
II.1 Le biogaz
II.2 Les caractéristiques physico-chimiques du biogaz
II.3 Les diverses utilisations du biogaz
II.4 Les différents modèles de biodigesteurs
II.4.1 Les digesteurs à dôme fixe
II.4.2 Les biodigesteurs à cloche flottante
II.4.3 Les biodigesteurs à plug-flow
II.4.4 Les biodigesteurs hybrides
II.4.5 Les biodigesteurs à ballon plastique
II.5 Historique et situation du biogaz à MADAGASCAR
II.6 Processus et microbiologie de la production du biogaz
II.6.1 Processus de la biométhanisation
II.6.2 Cinétique microbienne du processus
II.7 Les paramètres physico-chimiques de la fermentation
II.7.1 L’absence d’air ou l’anaérobiose
II.7.2 La température
II.7.3 Le rapport C/N/P
II.7.4 La préfermentation aérobie des substrats
II.7.5 L’humidité
II.7.6 Le pH
II.7.7 L’inhibition par les précurseurs
DEUXIEME PARTIE : LES PALMIERS A HUILE, LES HUILES DE PALMES ET SOUS-PRODUITS A LA Société SAVONNERIE TROPICA DE MELVILLE TAMATAVE
CHAPITRE I : LES PALMIERS A HUILE
I.1 Etude botanique
I.2 Historique du palmier à huile dans le Monde
1.2.1 Origine du palmier à huile et la genèse de son exploitation
1.2.2 Historique de la culture du palmier à huile à travers le Monde
1.3 Historique de l’exploitation du palmier à huile à MELVILLE TAMATAVE
I.4 Les sous-produits de l’exploitation : rafle, fibre et boue de palme
I.3.1 La rafle de palme
I.3.2 La fibre
I.3.3 La boue
I.3.4 Les tourteaux de palmiste
CHAPITRE II : L’EXTRACTION DE L’HUILE BRUTE DE PALME ET DE L’HUILE DE PALMISTE
II.1 L’huile brute de palme
II.2 L’huile de palmiste
CHAPITRE III : LES DONNEES TECHNIQUES DE L’EXPLOITATION
III.1 La plantation
III.2 Les rendements de culture
III.3 Les rendements de l’extraction
TROISIEME PARTE : ETUDE EXPERIMENTALE A L’ECHELLE LABORATOI DE LA PRODUCTIVITE EN BIOGAZ DES RAFLES, DES FIBRES ET DE LA BOUE – ESTIMATION DE LA POTENTIALITE EN SOUS-PRODUITS ET LAPRODUCTIVITE DU SITE
CHAPITRE I : ETUDE DE LA PRODUCTIVITE DES SOUS-PRODUITS
I.1 Description du dispositif expérimental
I.2 Les conditions expérimentales
I.3 Les données expérimentales en charge
I.4 Résultats et interprétations
CHAPITRE II : ESTIMATION DE LA POTENTIALITE EN SOUSPRODUITS ET PROJECTION DE LA PRODUCTION EN BIO DU SITE
II.1 Evaluation de la potentialité en rafle et en fibre du site
II.2 Estimation de la productivité en biogaz de ses sous-produits
II.3 Equivalences énergétiques du biogaz produits en Tonne Equivalent Pétrole, en Equivalent Gas-oil (L), en Equivalent Butane (Kg) et en Equivalent Electricité (en KWh)
II.4 Evaluation de la production journalière en biogaz de ces rafles et ces fibres
QUATRIEME PARTIE : ETUDE DE CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES REACTEURS
CHAPITRE I : ETUDE DE DIMENSIONNEMENT DES REACTEURS DE BIODIGESTION ET LES MODELES D’INSTALLATION PROPOSES
I.1 Le dimensionnement du biodigesteur
I.2 Les modèles d’installation proposés
I.2.1 Premier scénario : installation d’un réacteur type « Plug-Flow » 38
I.2.2 Deuxième scénario : un complexe de deux réacteurs à cloche flottante 39
CHAPITRE II : ETUDE TECHNIQUE, CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DE L’APPAREIL DE DESULFURATION
II.1 Les procédés de désulfuration du gaz
II.1.1 La désulfuration par voie humide
II.1.1.1 L’eau
II.1.1.2 La soude caustique
II.1.1.3 Le mono et di-éthanolamine
II.1.2 La désulfuration par voie sèche
II.1.2.1 La chaux vive
II.1.2.2 L’usage des oxydes métalliques
II.1.2.3 L’emploi des sols naturels et du minerai de Fer
II.2 Le minerai de Fer utilisé pour cette étude : « l’Ankaratrite »
II.3 Test sur l’efficacité de l’Ankaratrite
II.4 Calcul de dimensionnement du réacteur de désulfuration
II.4.1 Calcul de la surface de base
II.4.2 Calcul de la hauteur
II.4.3 Le nombre de plateaux
CINQUIEME PARTIE : EVALUATION ECONOMIQUE ET ETUDE D’IMPACT SOCIO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTAL DE L’APPLICATION DU PROJET
CHAPITRE I : EVALUATION ECONOMIQUE DE LA VALORISATION DES SOUS-PRODUITS DU PALMIER A HUILE
I.1 Evaluation financière des bénéfices bruts si on parvient à récupérer le biogaz à partir des prix de ses Equivalents énergétiques
I.2 Investissement de la réalisation du biodigesteur
I.3 Etude de faisabilité et de rentabilité du projet
I.3.1 Temps de retour ou temps de remboursement POT de l’investissement
I.3.2 Discounted Cash-Flow
I.3.3 Bénéfices actualisés ou Valeur Actuelle Nette (VAN)
I.3.4 Taux de Rentabilité Interne (TRI) ou Rate of Return (ROR)
CHAPITRE II : ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL DE L’APPLICATION DU PROJET
II.1 Information générale
II.2 Tendance et menace sur l’environnement
II.3 Textes et législations en vigueur à MADAGASCAR sur la Gestion et Contrôle des pollutions industrielles
II.4 Evaluation des effets potentiels de l’impact du projet sur l’environnement
II.5 Quantification des avantages sur l’environnement si on réalise le projet
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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