PRODUCTION DE BIOGAZ ET FERTILISANTS ORGANIQUES

Histoire de la méthanisation

                  La découverte de la méthanisation remonte à 1778 lorsque VOLTA, le père de la pile électrique, durant une de ses promenades observa que du gaz se libérait des vases en putréfaction du lac Maggiore. Ce gaz contenait du « gaz hydrogéné carboné » . Ensuite de nombreux scientifiques se sont penchés sur l’étude de ce gaz de la fermentation anaérobie, LAVOISIER en 1787, DAVY en 1808 et RESEY en 1868. Alors, le terme méthane fut ensuite proposé en 1865 et confirmé en 1892 par un congrès international de nomenclature chimique. Il a fallu à peu près 100 ans après sa découverte pour que la première application des traitements anaérobiques soit mise en œuvre (ALDER, 2009). Le 22 septembre 1881 à Vesoul, l’entrepreneur MOURAS déposa le brevet n°144.904 pour une « nouvelle fosse d’aisance dite vidangeuse automatique et inodore » assurant l’épuration des eaux de latrines par fermentation méthanique. Aujourd’hui, la méthanisation est donc une solution environnementale et aussi économique (KHERBOUHE et al, 2007) en dégradant la pollution.

Microbiologie de la digestion anaérobie

                   La dégradation de la matière organique en méthane repose sur une interaction stable et complexe de différents groupes de bactéries. Ces dernières sont réparties en quatre groupes trophiques bien distincts (OLLIVIER, 1987).
⋅ Les microorganismes du groupe I : Ce sont des bactéries hydrolytiques, qui réalisent l’hydrolyse des lipides, des protéines et des glucides (principalement la cellulose), et les transforment en molécules simples (sucres, acides aminés).
⋅ Les microorganismes du groupe II : Ce sont des bactéries fermentaires acidogènes produisant du H2 et de l’acétate à partir des molécules simples ou de certains acides gras.
⋅ Les microorganismes du groupe III : Ce sont les bactéries homoacétogènes. Elles interviennent dans l’acétogénèse, catabolisent les composés monocarbonés (H2 / CO2 ; HCOOH) ou hydrolysent des composés multicarbonés en acide acétique.
⋅ Les microorganismes du groupe IV : Il s’agit des bactéries méthanogènes. Elles métabolisent l’acétate ou des composés monocarbonés (formiate ; H2 / CO2), en méthane.
Agents microbiens de l’hydrolyse L’hydrolyse des substrats carbonés lors de la digestion anaérobie est assurée par plusieurs types de bactéries, en fonction des propriétés des produits à hydrolyser et les conditions de l’hydrolyse. Il y a par exemple Thermoanaerobium brockii qui est une bactérie hydrolytique thermophile. Plusieurs groupes d’eubactéries anaérobies strictes et facultatives sont aussi inculpées. Les principales espèces appartiennent aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Entérobacteroïdes, Butivibrio et Propionibacterium.
Agents microbiens de l’acidogénèse Les microorganismes responsables de l’acidogénèse sont les bactéries fermentaires. Pouvant appartenir à des groupes physiologiques variés, ces bactéries acidogènes peuvent ainsi inclure des bactéries de la famille des entérobactéries, des bactéries appartenant aux genres Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus et Clostridium Mais aussi des bactéries cellulolytiques, protéolytiques, lipolytiques, du Bacteroide ou (Cf. annexe 1)
Agents microbiens de l’acétogénèse Les agents responsables de l’acétogénèse, qui est la 2ème étape de la méthanisation sont :
a) Les sulfatoréducteurs : Ceux du groupe I transforment le lactate ou l’éthanol en acétate (Mc INERNEY et BRYANT, 1981 in OLLIVIER, 1987), ceci en présence d’un tout autre accepteur d’électrons tels que les bactéries méthanogènes utilisant le dihydrogène H2. Quant à ceux du groupe II, ils transforment les acides gras (C3 à C18) en acétate en présence de sulfate (Cf. annexe 2.1), qui est un accepteur final d’électrons (PFENNIG et WIDDEL, 1981 in OLLIVIER, 1987). Ces bactéries appartiennent à de nouveaux genres tels que les Desulfobacter, Desulfobulbus, Desulfosarcina, Desulfonema.
b) Les utilisateurs de H2 + CO2 : Certaines bactéries sont capables d’oxyder le dihydrogène et de réduire le CO2 en acétate (Cf. annexe 2.2), selon la réaction : 2CO2 + 4H2 CH3 COOH + 2 H2O
c) Les microorganismes syntrophiques : Ces microbes peuvent dégrader le propionate en acétate (Syntrophobacter wolinii, BOONE et BRYANT, 1980 in OLLIVIER, 1987) ; ou le butyrate en acétate (Syntrophomonas wolfei, Mc INERNEY et al. , 1981 in OLLIVIER, 1987).(Cf. annexe 2.3)
Agents microbiens de la méthanogénèse Les bactéries méthanogènes sont classées en quatorze genres (Cf. annexe 3.1). Ce sont des bactéries à spectre nutritionnel très limité appartenant au récent groupe des Archaebactéries. On connait actuellement une soixantaine d’espèces de méthanogènes. Leur morphologie est très variée (Cf. annexe 3.2). Ces bactéries sont divisées en trois groupes aux caractéristiques très distinctes :
(Cf. annexe 2)
(Cf. annexe 3)
⋅ Les bactéries méthanogènes hydrogénotrophes qui réduisent le gaz carbonique par l’hydrogène pour donner du méthane.
⋅ Les bactéries méthanogènes acétoclastes qui produisent le méthane par la décarboxylation de l’acétate.
⋅ Les bactéries méthanogènes méthylotrophes qui produisent le méthane à partir du radical méthyl.
Environ 72 % du CH4 produit dans les biotopes méthanogènes (digesteurs, sédiments) proviennent de l’acétate (ZEHNDER et al., 1982 in HAMDI, 1991), néanmoins peu d’espèces méthanogènes capables d’utiliser ce substrat ont été isolées jusqu’à présent.

Etude de la disponibilité en fientes substrats

                    Le dimensionnement des installations de production de biogaz, en particulier des digesteurs dépend particulièrement de la disponibilité en fientes à fermenter, mais aussi des besoins énergétiques à satisfaire et à couvrir. Concrètement, Il est fonction de la taille et de l’échelle de la ferme de l’exploitation ainsi que du nombre d’individus qu’elle contient. Dans le cas de la présente étude, c’est la quantité de fientes à fermenter qui conduit les études, on procède donc par une approche par substrats.
Mesure sur site Le suivi régulier de la productivité en fientes de Cailles, au sein d’une petite ferme d’élevage de Cailles à SOAMANANDRARINY-ANTANANARIVO a permis :
– La détermination de la production journalière des cailles en fientes par un individu qui est d’environ 26 g ;
– La détermination de la production journalière d’une unité d’élevage (un groupe de 15 cailles) qui est en moyenne 393 g (Cf. partie expérimentale 6) ;
Extrapolation des résultats En extrapolant ces résultats de mesure, il est possible de déduire la quantité prévisionnelle des substrats disponibles périodiquement selon le nombre d’individus. La disponibilité prévisionnelle en substrats de fermentation est donnée dans le tableau 10. Le nombre d’individus indiqué, dans le même tableau, correspond au nombre de Cailles capable d’assurer les besoins respectifs, en substrats, des 3 digesteurs selon les 3 cas à étudier.

Calcul économique pour la production de Biogaz 2ème cas

Investissements Le capital financier nécessaire pour la réalisation d’un tel projet de production de biogaz par valorisation de fientes de cailles totalise 8 545 500 MGA, dont les détails des affectations sont donnés dans le tableau 28.
Charges d’exploitation Il s’agit des deux types de charges, charges calculées et charges décaissées dont les détails figurent dans le tableau ci-après.
Chiffre d’affaire La valeur du chiffre d’affaire annuel de l’exploitation de production de biogaz est détaillée dans le tableau 30. Elle est le résultat en numéraire des activités de production.
Compte d’exploitation La Marge Brute d’Autofinancement, dégagée par le compte d’exploitation, constitue un élément important pour toutes les évaluations économiques et financières en matière de détermination de la rentabilité d’un projet d’investissement. C’est le compte d’exploitation des activités qui permet de dégager sa valeur en prenant en compte les divers paramètres comme le présente le tableau 31.
Mesure de performance de rentabilité en fin de la 1ère année Les indicateurs de performance comptable, dont les valeurs sont présentées dans le tableau 32, indiquent quasiment tous des intéressants résultats reflétant une bonne situation de faisabilité économique de ce projet.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA PRODUCTION DE BIOGAZ, BASES SCIENTIFIQUES DE LA METHANISATION DE FIENTES DE CAILLES
I.1. La méthanisation
I.1.1. Histoire de la méthanisation
I.1.2. Définitions
I.1.3. Description du processus de la méthanisation
I.1.3.1. Hydrolyse
I.1.3.2. Acidogénèse
I.1.3.3. Acétogénèse
I.1.3.4. Méthanogénèse
I.1.4. Microbiologie de la digestion anaérobie
I.1.4.1. Agents microbiens de l’hydrolyse
I.1.4.2. Agents microbiens de l’acidogénèse
I.1.4.3. Agents microbiens de l’acétogénèse
I.1.4.4. Agents microbiens de la méthanogénèse
I.1.5. Biochimie de la méthanisation
I.1.7. Résultats de la digestion
I.2. Le Biogaz
I.2.1. Définition
I.2.2. Paramètres physico-chimiques de production de biogaz
I.2.2.1. Température
I.2.2.2. Anaérobiose
I.2.2.3. Rapport C/N
I.2.2.4. Humidité
I.2.4. Cinétique de production de biogaz
I.2.5. Composition chimique du biogaz
I.2.5.1. Constituants principaux
I.2.5.2. Constituants annexes
I.2.6. Qualité du biogaz
I.2.6.1. Potentialité énergétique
I.2.6.2. Teneur en substances corrosives
I.2.7. Utilisations et valorisations du biogaz
I.2.7.1. Cuisson
I.2.7.2. Eclairage
I.2.7.3. Motorisation
I.2.8. Equivalence et pouvoir énergétique du biogaz
I.3. Les Bioréacteurs de la méthanisation
I.3.1. Définition
I.3.2. Cas d’applications d’installations de digesteurs
I.3.3. Différents types d’installations de digesteurs
I.3.3.1. Digesteurs à cloche flottante
I.3.3.2. Digesteurs à dôme fixe
I.3.3.3. Digesteurs Borda
I.3.3.4. Autres types de digesteurs
I.4. Les fientes substrats de la digestion anaérobie
I.4.1. Définitions
I.4.2. Caractéristiques et morphologies des cailles
I.4.3. Filière caille
I.4.3.1. Filière caille dans le monde
I.4.3.2. Filière caille à Madagascar
I.4.4. Système d’élevage
I.4.4.1. Techniques d’élevage
I.4.4.2. Reproduction et commercialisation des cailles
I.4.5. Régime alimentaire des cailles
Conclusion partielle
DEUXIEME PARTIE : TECHNOLOGIE DE PRODUCTION DE BIOGAZ DE FIENTES DE CAILLES ET D’ELECTRICITE, PROCEDES ET INSTALLATIONS
II.1. La mise au point du procédé en laboratoire
II.1.1. Caractéristiques du substrat de la fermentation
II.1.1.1. Caractéristiques sensorielles des fientes de cailles
II.1.1.2. Microbiologie des fientes de cailles
II.1.1.3. Physico-chimie des fientes de cailles
II.1.1.3. Rapport C/N des fientes de cailles
II.1.2. Dispositifs de l’expérimentation
II.1.2.1. Echantillons de substrats : fientes de cailles
II.1.2.2. Ferment d’ensemencement
II.1.2.3. Milieu réactionnel
II.1.2.4. Matériels de laboratoire
II.1.3. Matériels expérimentaux
II.1.3.1. Digesteurs
II.1.3.2. Tuyauterie-conduite
II.1.3.3. Gazomètre
II.1.3.4. Bac d’immersion des digesteurs
II.1.3.5. Bac de récupération
II.1.3.6. Résistance
II.1.4. Schéma des dispositifs expérimentaux
II.1.5. Réalisation de la fermentation expérimentale
II.1.5.1. Méthodologie relative à la réalisation de la digestion
II.1.5.2. Manipulation lors de la réalisation des expérimentations
II.1.6. Évolution de la digestion anaérobie
II.1.6.1. Production journalière en biogaz
II.1.6.2. Production cumulée en biogaz
II.1.7. Détermination des caractéristiques du biogaz produit
II.1.7.1. Inflammation
II.1.7.2. Potentiel et équivalence énergétique du biogaz obtenu
II.1.8. Propriétés fertilisantes des résidus solides
II.1.9. Caractéristiques et bilan de la digestion anaérobie
II.1.9.1. Temps de rétention hydraulique (TRH)
II.1.9.2. Production en biogaz
II.1.9.3. Rapport quantitatif substrats / résidus-digestats
II.2. Les perspectives d’application en grandeur réelle
II.2.1. Etude de la disponibilité en fientes substrats
II.2.1.1. Mesure sur site
II.2.1.2. Extrapolation des résultats
II.2.2. Conception et description des installations
II.2.2.1. Plan du digesteur
II.2.2.2. Description des différents compartiments
II.2.2.3. Dimensionnement du réacteur selon les 3 cas
II.2.2.4. Composition des installations de production
II.2.3. Construction du digesteur et des installations
II.2.3.1. Etapes de la construction
II.2.3.2. Inventaires des matériaux
II.2.3.3. Schéma du modèle du bioréacteur
II.2.4. Exploitation prévisionnelle de l’unité de production
II.2.4.1. Chargement du digesteur
II.2.4.2. Production prévisionnelle en biogaz
II.2.4.3. Bilan énergétique prévisionnel annuel de l’unité
II.2.4.4. Production de compost-fertilisant
II.3. La conversion du biogaz en électricité
II.3.1. Principe de la conversion
II.3.1.1. Théorie de la conversion énergétique
II.3.1.2. Caractéristiques de la conversion
II.3.2. Matériels utilisés
II.3.3. Caractéristiques et fonctionnement du matériel
II.3.5. Résultats prévisionnels de la conversion de production
Conclusion partielle
TROISIEME PARTIE : ETUDES DE PREFAISABILITE ECONOMIQUE ET CALCULS DE RENTABILITE FINANCIERE
III.1. Le contexte du projet
III.1.1. Description du projet
III.1.2. Objectifs des études de préfaisabilité économique et financière
III.1.2.1. Mise en œuvre de la possibilité de concrétisation du projet
III.1.2.2. Constitution de la viabilité et de la pérennisation du projet
III.2. La méthodologie des évaluations
III.2.1. Méthode d’études de l’opportunité économique du projet
III.2.1.1. Justification et fondement de la méthode
III.2.1.2. Mécanisme de la Capitalisation et de l’Actualisation
III.2.2. Système comptable de mesure de performance de rentabilité
III.2.2.1. Marge Brute d’Autofinancement (MBA)
III.2.2.2. Valeur Nette Actualisée (VNA)
III.2.2.3. Taux de Rentabilité Interne (TRI)
III.2.2.4. Indice de Profitabilité (Ip)
III.2.2.5. Durée de Récupération des Capitaux Investis (DRCI)
III.2.3. Définition des éléments d’évaluation financière du projet
III.2.3.1. Emplois débiteurs du projet
III.2.3.2. Ressources du projet
III.2.3.3. Hypothèses de calcul
III.3. L’étude de rentabilité pour le premier cas
III.3.1. Calcul économique pour la production de Biogaz 1er cas
III.3.1.1. Investissements
III.3.1.2. Charges d’exploitation
III.3.1.3. Chiffre d’affaire
III.3.1.4. Compte d’exploitation
III.3.1.5. Mesure de performance de rentabilité en fin de la 1ère année
III.3.2.Calcul économique de la production d’électricité 1er cas
III.3.2.1. Capital investi
III.3.2.2. Compte d’exploitation
III.3.2.3. Mesure de performance de rentabilité en fin de la 3ème année
III.4. L’étude de rentabilité pour le second cas
III.4.1. Calcul économique pour la production de Biogaz 2ème cas
III.4.1.1. Investissements
III.4.1.2. Charges d’exploitation
III.4.1.3. Chiffre d’affaire
III.4.1.4. Compte d’exploitation
III.4.1.5. Mesure de performance de rentabilité en fin de la 1ère année
III.4.2. Calcul économique pour la production d’électricité du 2ème cas
III.4.2.1. Capital investi
III.4.2.2. Compte d’exploitation
III.4.2.3. Mesure de performance de rentabilité en fin de la 3ème année
III.5. L’étude de rentabilité pour le troisième cas
III.5.1. Calcul économique pour la production de Biogaz 3ème cas
III.5.1.1. Investissements
III.5.1.2. Charges d’exploitation
III.5.1.3. Chiffre d’affaire
III.5.1.4. Compte d’exploitation
III.5.1.5. Mesure de performance de rentabilité en fin de la 1ère année
III.5.2. Calcul économique pour la production d’électricité du 3ème cas
III.5.2.1. Capital investi
III.5.2.2. Compte d’exploitation
III.5.2.3. Mesure de performance de rentabilité en fin de la 3ème année
Conclusion partielle
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
PARTIE EXPERIMENTALE
ANNEXES

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