Rendement énergétique d’un digesteur anaérobie de ferme

Table des matières

  1. Qu'est-ce qu'un digesteur anaérobie de ferme?
  2. Matière organique ajoutée à un DA de ferme
  3. Facteurs contribuant au rendement énergétique d'un DA
  4. Introduction de matières nouvelles dans le DA
  5. Rendement énergétique des matières premières
  6. Bilan énergétique
  7. Résumé

Introduction

Cette ficheInfo fournit les données de base nécessaires pour déterminer le type, la quantité et la valeur économique de l'énergie qu'on peut s'attendre de produire avec un digesteur anaérobie de ferme. Elle présente également un exemple de bilan énergétique effectué pour un digesteur.

Qu'est-ce qu'un digesteur anaérobie de ferme?

Un digesteur anaérobie (DA) de ferme est constitué d'un conteneur chauffé et étanche qu'on installe à la ferme pour extraire des biogaz de la décomposition de la matière organique. Ces biogaz, qui contiennent environ 60 % de méthane, servent en général à produire de l'énergie.

Le DA de ferme a ceci de particulier qu'il produit un digestat dont la fraction liquide peut être épandue comme fertilisant. Quant à la fraction solide (s'il y en a une), elle peut également être épandue comme fertilisant, mais peut aussi servir de litière pour les animaux ou être vendue comme compost ou matière biologique.

Pour en savoir plus sur les DA de ferme, voir la fiche technique du ministère de l'Agriculture, de l'Alimentation et des Affaires rurales de l'Ontario (MAAARO), Rudiments de la digestion anaérobie.

Digesteur anaérobie de ferme en exploitation en Ontario.

Figure 1. Digesteur anaérobie de ferme en exploitation en Ontario.

Matière organique ajoutée à un DA de ferme

La matière organique qui se prête à la digestion peut être classée en trois grandes catégories :

  • Les sous-produits de l'agriculture, dont fumier, litière, déchets d'aliments pour animaux et eaux de ruissellement des silos;
  • Les cultures énergétiques, y compris toute culture pratiquée expressément pour la production d'énergie. C'est surtout le maïs à ensilage qui est utilisé, mais bien d'autres cultures pourraient l'être, notamment la betterave à sucre plante entière et les cultures fourragères;
  • Les matières de source non agricole, soit un vaste éventail de produits et de sous-produits qui ne sont pas générés sur une ferme, comme des matières issues d'usines de transformation des aliments, des matières organiques séparées à la source, des déchets de boîtes à graisse, etc.

Les exigences concernant l'ajout de matière organique varient selon les matières utilisées et leur combinaison. Dans certains cas, un certificat d'autorisation en vertu de la Loi sur la protection de l'environnement (LPE) peut être exigé à la fois pour l'ajout des matières dans le DA et pour l'épandage du digestat d'un DA mixte. Par suite des modifications récentes à la LPE et à la Loi sur la gestion des éléments nutritifs (LGEN), il sera dorénavant possible, sans certificat d'autorisation, d'ajouter dans le DA un pourcentage donné de certaines matières de source non agricole (sous réserve du respect des dispositions de la LGEN).

En vertu des mêmes modifications, le digestat (qui peut être solide ou liquide) produit par un DA mixte installé à la ferme pourra être considéré comme une matière de source agricole (sans qu'il soit nécessaire d'obtenir un certificat d'autorisation) si plus de 50 % des matières premières entrant dans le DA sont générées par une exploitation agricole (même si la partie V de la LPE exige un certificat d'autorisation pour l'exploitation du DA).

Coordonnées pour plus d'information à ce sujet : Centre d'information agricole du MAAARO, 1 877 424-1300 ou ag.info.omafra@ontario.ca.

Facteurs contribuant au rendement énergétique d'un DA

Le rendement énergétique d'un DA dépend des matières premières qui l'alimentent, car cinq caractéristiques de celles-ci peuvent l'influencer.

Teneur en matière sèche

Normalement, plus une matière a une teneur élevée en matière sèche (MS), plus elle produit d'énergie. Les matières qui ont une très faible teneur en MS (comme les eaux de lavage ou les fumiers très dilués) donnent un rendement énergétique très faible, voire négatif, quand le chauffage préalable à la DA nécessite presque autant d'énergie, sinon davantage, que n'en produit le DA. On peut se servir de ces matières pour en diluer d'autres ou pour les traiter, s'il y a un avantage financier à le faire (p. ex. si l'on perçoit des redevances de déversement).

Des pratiques d'exploitation différentes s'appliquent aux digesteurs qui traitent des matières ayant une teneur élevée en MS (> 20 % de MS). On doit alors mélanger les matières à d'autres, plus diluées, ou au digestat recyclé du digesteur, ou recourir à des modes de production d'énergie autres que la digestion (p. ex. la combustion dans un système de combustion de la biomasse pour produire de l'énergie thermique quand les teneurs en MS dépassent 70 %).

On peut confier la détermination de la teneur en MS à la plupart des laboratoires d'analyse agricole ou se fier aux estimations fournies par les tableaux des teneurs en MS des différentes matières agricoles, comme ceux du logiciel NMAN du MAAARO.

Teneur en matière sèche volatile

En plus de la teneur en MS, il faut tenir compte de la teneur en matière sèche volatile (MSV), aussi appelée matière organique totale, qui est constituée de composés d'origine animale ou végétale et qui détermine l'aptitude de la matière à se dégrader efficacement dans le digesteur. Ainsi, le sable ne se digère pas, malgré une teneur élevée en MS. Plus la teneur en MSV est élevée, plus le rendement énergétique l'est également. Cette teneur, que plusieurs laboratoires de l'Ontario sont en mesure d'établir, s'exprime en pourcentage de la teneur en MS. La teneur en MSV de la plupart des matières utilisées dans les DA de ferme se situe dans la fourchette de 63 à 98 % de leur teneur en MS.

Pour la plupart des digesteurs, il existe une quantité de MSV quotidienne maximale qu'il est recommandé de ne pas dépasser. Au delà de ce plafond, le digesteur risque d'être plus difficile à stabiliser, de produire moins de biogaz et de présenter un problème de moussage. Ce plafond est généralement exprimé en kilogrammes de MSV par jour par mètre cube de capacité du digesteur (kg/jour/m3). Des valeurs de plus de 4,5 kg/jour/mfrôlent la limite opérationnelle d'un digesteur, surtout lors de sa mise en service.

Production de biogaz par tonne de MSV

La production de biogaz s'entend de la production qu'on obtient de la matière pendant la période oû elle se trouve dans le digesteur. Plus la valeur de la production de biogaz par tonne de MSV est élevée, plus le rendement énergétique l'est également. Cette valeur diffère considérablement selon le type de matière et son état. Des données recueillies en Allemagne révèlent que les différentes matières utilisées dans les DA produisent entre 200 et 4 500 mde biogaz par tonne de MSV. Il existe des tableaux qui montrent les fourchettes de rendement prévisibles. Pour s'assurer qu'une matière donnera la production de biogaz attendue, rien ne remplace cependant les données d'exploitation d'un DA comparable utilisant les mêmes matières, ni les données recueillies au terme d'essais de digestion réalisés en laboratoire pendant une période déterminée (figure 2).

Technique d'échantillonnage révélant la production de biogaz.

Figure 2. Technique d'échantillonnage révélant la production de biogaz.

Teneur en méthane des biogaz

Le biogaz renferme du méthane, du dioxyde de carbone, du sulfure d'hydrogène, de la vapeur d'eau et d'autres constituants. La teneur en méthane des biogaz de source agricole se situe entre 50 et 65 %. De nombreux laboratoires de l'Ontario sont à même d'effectuer le dosage du méthane.

Éléments antagonistes dans la matière première

Des teneurs élevées en azote dans la matière première qui alimente le digesteur risqueraient de nuire à la digestion, surtout lorsque le DA est soumis à de fortes températures. Les fumiers de porc et de volaille peuvent avoir des teneurs en azote suffisamment élevées pour interrompre la digestion. Des matières premières renfermant des substances comme du sulfure de cuivre ou des antibiotiques peuvent aussi inhiber la digestion. Pour s'assurer du bon fonctionnement du digesteur, il faut parfois commander une analyse de laboratoire ou obtenir des données d'exploitation recueillies pour des DA comparables alimentés avec les mêmes matières.

Introduction de matières nouvelles dans le DA

La digestion est un procédé biologique. Il faut du temps pour qu'il s'adapte à l'introduction d'une matière nouvelle dans le digesteur.

Avant d'introduire une matière nouvelle, se doter d'un plan qui précise le taux d'introduction et les étapes à suivre pour surveiller les changements et y réagir. Ainsi, un plan pourrait prévoir l'ajout des matières nouvelles à raison d'abord de 10 % du contenu pour atteindre progressivement la totalité du contenu en l'espace de quatre semaines. Il pourrait aussi prévoir l'introduction lente des matières nouvelles ou la modification des vitesses d'agitation si de la mousse devait se former dans le digesteur.

Rendement énergétique des matières premières

Des données permettent, sans procéder à des essais, de se faire une idée du rendement énergétique de différentes matières premières utilisées seules ou en mélange. Toutefois, pour obtenir une estimation vraiment fiable, il faut souvent s'adresser à un consultant qui connaît les technologies de production de biogaz. Ce dernier basera en général ses prévisions sur des analyses de laboratoire, sur des données provenant d'installations comparables et sur son expérience. La figure 3 présente une estimation, fondée sur l'expérience européenne, du rendement en biogaz et du rendement énergétique de trois matières premières d'emploi courant.

Figure 3. Estimation du rendement en biogaz et du rendement énergétique.
Matière Rendement en biogaz par tonne humide de matière (m3/t) Rendement en électricité par tonne humide de matière* (kWh/t) Rendement en énergie thermique par tonne humide de matière* (kWh/t)
Fumier de bovins laitiers 23 48 62
Maïs à ensilage 180 335 425
Déchets de boulangerie (moyenne) 265 490 630

Source : Böhni Energie & Umwelt, Systemoptimierungen Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen Umsetzung.

m3/t = mètre cube par tonne métrique
kWh/t = kilowattheure par tonne métrique

* Dans l'hypothèse oû l'énergie produite par le biogaz est convertie dans des proportions de 35 % en électricité et de 45 % en énergie thermique. Une partie de l'énergie thermique sert à chauffer le digesteur. Le rendement en électricité peut varier de 35 à 42 %.

Rendement énergétique du fumier

À l'aide de la figure 3, il est possible de se faire une idée du rendement en biogaz et en énergie qu'on peut espérer d'une matière. Voici comment procéder pour calculer le rendement qu'on peut espérer obtenir dans le cas d'une ferme laitière comptant 140 vaches en lactation (plus les génisses de remplacement). Nota : Les calculs qui suivent ne servent qu'à illustrer la méthode de calcul. La conception d'une installation doit se fonder sur une évaluation fiable faite par une personne compétente.

Estimation :

Production annuelle de fumier de 140 vaches et des génisses de remplacement : environ 5 600 tonnes (selon les données du logiciel MSTOR du MAAARO)

Rendement en électricité : 5 600 tonnes/an x 48 kWh/tonne = 269 000 kWh/an (730 kWh/jour)

Rendement en énergie thermique : 5 600 tonnes/an x 62 kWh = 350 000 kWh/an (950 kWh/jour)

Par temps froid l'hiver, 50 % de l'énergie thermique peut être nécessaire pour maintenir la température du digesteur. Par conséquent, le jour le plus froid de l'hiver, 475 kWh d'énergie thermique excédentaire sera disponible. À raison de 3 413 BTU (British Thermal Unit) par kWh, ce rendement procurerait l'énergie thermique équivalente à celle que produit une chaudière ordinaire de 100 000 BTU pendant 16 heures.

Aux fins de l'analyse économique qui suit, on pose l'hypothèque que 25 % de l'énergie thermique totale est utilisée à la ferme comme source de chaleur, d'oû un rendement en énergie thermique utilisable de 87 500 kWh/an.

Rendement énergétique découlant de l'ajout de matières de source non agricole

Un digesteur de ferme peut recevoir jusqu'à 10-25 % de matières de source non agricole sans voir son efficacité compromise. Les calculs suivants ont été faits pour un digesteur installé sur la ferme laitière décrite ci-dessus, auquel on ajoute 10 % de déchets de boulangerie.

  • Ajout annuel de 560 tonnes de matière de source non agricole (soit 10 % des 5 600 tonnes de fumier)
  • Rendement en électricité supplémentaire : 560 tonnes/an x 490 kWh/tonne = 274 000 kWh/an
  • Rendement en énergie thermique supplémentaire : 560 tonnes/an x 630 kWh/tonne = 360 000 kWh/an
  • Rendement total en électricité de la ferme :
    • 269 000 kWh/an (fumier) + 274 000 kWh/an (déchets de boulangerie) = 543 000 kWh/an (1 450 kWh/jour)
  • Rendement total en énergie thermique de la ferme :
    • 350 000 kWh/an (fumier) + 360 000 kWh/an (déchets de boulangerie) = 710 000 kWh/an
  • Dans cet exemple, le DA produit nettement plus d'énergie thermique s'il reçoit des matières de source non agricole que s'il reçoit uniquement du fumier. Bien des fermes d'élevage ne trouveraient pas le moyen d'utiliser toute cette énergie thermique. Aux fins de l'analyse économique qui suit, on pose l'hypothèque que 25 % de l'énergie thermique est utilisée, d'oû un rendement en énergie thermique utilisable de 175 000 kWh/an.

Valeur brute des énergies électrique et thermique

Si l'électricité produite dans les exemples qui précèdent est vendue au prix de 12 ¢/kWh (prix approximatif de l'électricité produite en période de pointe à partir de systèmes de biogaz lorsque l'électricité est vendue par l'intermédiaire du Programme d'offre standard en matière d'énergie renouvelable), le potentiel de revenus annuels s'établit à une valeur brute de 32 000 $ pour l'électricité produite à partir uniquement de fumier, et à une valeur brute de 65 000 $ pour l'électricité produite à partir de fumier mélangé à des matières de source non agricole. Pour des détails sur les prix, voir les publications du MAAARO consacrées à la digestion anaérobie, le site du Programme d'offre standard en matière d'énergie renouvelable (en anglais seulement) ainsi que la ficheInfo du MAAARO, Tout ce qu'il faut savoir sur la construction en Ontario d'un digesteur anaérobie de ferme, publiée en août 2007.

Trémie remplie de maïs à ensliage destiné à être incorporé au contenu du digesteur.

Figure 4. Trémie remplie de maïs à ensliage destiné à être incorporé au contenu du digesteur.

Dans l'hypothèse posée ci-dessus suivant laquelle 25 % de l'énergie thermique totale est utilisée, la valeur de l'énergie thermique comme substitut du gaz naturel (0,05 $/kWh) serait de 4 300 $ pour le fumier seul et de 8 600 $ pour le fumier mélangé à des matières de source non agricole.

Rendement énergétique des cultures

Sur bien des fermes d'Europe, on produit du biogaz à partir de cultures énergétiques, essentiellement du maïs à ensilage. Voici des calculs réalisés à partir des données de la figure 3 pour 1 hectare de maïs à ensilage.

  • Production moyenne de maïs à ensilage dans de bons sols : 45 tonnes
  • Rendement en électricité : 45 tonnes x 335 kWh/tonne = 15 000 kWh
  • Rendement total en énergie thermique : 45 tonnes x 425 kWh/tonne = 19 000 kWh
    • Rendement en énergie thermique utilisable =19 000 kWh x 25 % = 4 750 kWh

Nota : Ce calcul repose sur l'hypothèse que la ferme utilise 25 % de l'énergie thermique produite. Bien des fermes de cultures commerciales n'auront pas la possibilité d'utiliser autant d'énergie thermique.

  • Le rendement total en énergie utilisable est de 19 750 kWh/hectare (en tenant compte de la récupération de l'énergie thermique), ou de 15 000 kWh (sans récupération de l'énergie thermique).
  • Ce rendement correspond à la quantité d'énergie disponible procurée par une année de culture. Une capacité de production d'électricité d'environ 2 kW est nécessaire pour faire fonctionner le digesteur sur une base continue et mettre à profit les 15 000 kWh d'énergie disponible (dans l'hypothèse oû le DA fonctionne au moins 8 000 heures/an).

Valeur brute des énergies électrique et thermique tirées des cultures énergétiques

Si l'électricité produite dans les exemples précédents est vendue au prix de 12 ¢/kWh (prix approximatif de l'énergie produite en période de pointe à partir de systèmes de biogaz lorsque cette énergie est vendue par l'intermédiaire du Programme d'offre standard en matière d'énergie renouvelable), le potentiel de revenus annuels s'établit à une valeur brute de 1 800 $ pour l'électricité produite à partir uniquement d'un hectare. Dans l'hypothèse posée ci-dessus suivant laquelle 25 % de l'énergie thermique totale disponible est utilisée, la valeur de l'énergie thermique comme substitut du gaz naturel (0,05 $/kWh) serait de 240 $/hectare.

Comparaison de l'énergie consommée et de l'énergie produite

On doit consommer de l'énergie pour produire de l'énergie renouvelable. En utilisant du maïs à ensilage, calculons l'énergie consommée pour produire, récolter, transporter et traiter dans le digesteur 1 hectare de maïs à ensilage offrant un rendement de 45 tonnes/ha (selon les données du MAAARO).

Énergie consommée pour la production et la digestion de la culture :

  • 940 kWh d'énergie tirés des 87,5 litres de carburant consommés pour produire, récolter et transporter 1 hectare de maïs à ensilage
  • 423 kWh d'énergie tirés des 42,3 mde gaz naturel nécessaires à la fertilisation azotée de la culture
  • 650 kWh d'électricité nécessaires pour faire fonctionner le digesteur
  • Total de l'énergie consommée = 2 014 kWh/ha

Il faut environ 10 - 14 % de l'énergie produite pour semer, récolter et traiter une culture énergétique.

Figure 5. Il faut environ 10 - 14 % de l'énergie produite pour semer, récolter et traiter une culture énergétique.

Bilan énergétique

  • Les calculs qui précèdent montrent que la production totale d'énergie utilisable à partir de la digestion anaérobie de 1 hectare de maïs à ensilage correspond à 19 750 kWh si l'on utilise de l'énergie thermique et à 15 000 kWh si l'on ne met à profit que l'électricité.
  • Si l'on utilise de l'énergie thermique, la production et la digestion de la culture nécessitent 10,2 % de l'énergie produite.
  • Sans utilisation d'énergie thermique, la production et la digestion de la culture nécessitent 13,4 % de l'énergie produite.

Nota : Ces calculs ne prennent pas en considération la consommation d'énergie cachée, par exemple l'énergie nécessaire pour faire rouler les camions de ferme ou fabriquer du béton.

Résumé

Les digesteurs de ferme peuvent produire efficacement de l'énergie électrique et de l'énergie thermique à partir de matières organiques que la ferme génère ou qu'elle reçoit. Toutefois, seuls des calculs permettent de déterminer s'il est rentable sur le plan économique de produire cette énergie.

 

Pour plus de renseignements :
Sans frais : 1 877 424-1300
Local : 519 826-4047
Courriel : ag.info.omafra@ontario.ca
Auteur : Don Hilborn - ingénieur, Gestion des sous-produits/MAAARO
Date de création : 01 août 2007
Dernière révision : 01 février 2010