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La HAFL développe un méthaniseur fonctionnant sans cosubstrats


La Haute école des sciences agronomiques, forestières et alimentaires (HAFL) cherche à améliorer le rendement des effluents de ferme dans les biogaz. Le but est de pouvoir se passer de cosubstrats.


Hafl


En procédant à un prétraitement thermique du lisier avant de l’envoyer dans une unité de biogaz, il devrait être possible d’améliorer le rendement en énergie. La Haute école des sciences agronomiques, forestières et alimentaires (HAFL) tente actuellement de développer un tel prétraitement. Les résultats obtenus en laboratoire sont prometteurs. Une installation pilote sera prochainement mise en fonction sur le site de Grangeneuve, à Posieux (FR), pour confirmer si cette technologie est applicable à la pratique.

Importance des cosubstrats
Dans toute installation de biogaz, des microorganismes fabriquent du méthane (CH4), à partir de matière organique. Ce gaz est ensuite généralement brûlé dans un groupe couplage chaleur-force (CCF) pour fournir de l’énergie à la fois électrique et thermique.

Tous les intrants ne se valent pas. Plus le taux de matière organique est élevé, plus le rendement en méthane et, donc en énergie, est important. Les effluents de ferme (lisier et fumier) présentent une efficience limitée. Leur taux de matière organique est relativement faible, de l’ordre de 4 à 8% pour le lisier de vache. Le transport des engrais de ferme vers les biogaz représente également un coût important qui péjore le bilan économique de l’opération. Les installations de biogaz actuelles utilisent toutes des cosubstrats, beaucoup plus riches en matière organique, pour produire de l’énergie de façon plus rentable. Dans les biogaz agricoles, contrairement aux installations industrielles, la part de ces cosubstrats est limitée à 20%.

Composés de déchets verts, de restes de restauration, de sous-produits de l’industrie agroalimentaire, les cosubstrats sont devenus une denrée rare, à tel point que cela freine le développement de cette énergie renouvelable. Pourtant, aujourd’hui, seul 7% des effluents de ferme de Suisse servent à produire du biogaz. Le potentiel de valorisation des lisiers et fumiers demeure important.

Digestibilité en cause
Outre leur forte teneur en eau, les effluents de ferme ont aussi le désavantage de contenir des composés organiques (cellulose, protéines, lipides, lignine) qui sont relativement mal digérés par les microorganismes présents dans les biogaz. Les travaux de Michael Studer, professeur à la HAFL, et de son équipe visent à développer une installation qui augmenterait la digestibilité de ces composés par les micro-organismes.

Procédé encore tenu secret
Un traitement thermique avec de la vapeur d’eau permet de dissoudre certaines substances, comme l’hémicellulose, qui sont normalement insolubles dans l’eau. Enfin, la biomasse prétraitée subit une dépressurisation rapide à pression ambiante. Cette brusque chute de pression provoque l’explosion de la biomasse, ce qui entraîne une réduction de la taille des particules. La digestibilité des solides s’en trouve ainsi fortement améliorée. Après ce traitement, le lisier introduit dans un biogaz produit nettement plus de méthane et voit également sa durée de méthanisation fortement réduite.

Il n’est pas possible de publier plus en détail le fonctionnement de l’installation développée dans le laboratoire de la HAFL. Cette dernière protège ses travaux: elle a déjà déposé un brevet dans le cadre de ce projet et un deuxième devrait suivre.

La prochaine étape consiste à confirmer le potentiel de ce procédé à l’échelle réelle. Une installation pilote est en cours de construction sur le site de Grangeneuve, à Posieux (FR). Elle devrait être prête à fonctionner d’ici février prochain.
Vincent Gremaud, 12 novembre 2021


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«NOTRE PROCÉDÉ NE CONSOMME PAS DAVANTAGE D'ÉNERGIE»
Interview
MICHAEL STUDER
Professeur à la Haute école des sciences agronomiques, forestières et alimentaires (HAFL) de Zollikofen (BE)

> Pour quelle raison vous êtes-vous lancé dans ce projet?
La biomasse représente un potentiel important pour la production d’énergie renouvelable. Avec notre projet, nous voulons augmenter l’efficacité des installations de biogaz pour produire davantage d’énergie à partir de lisier. Aujourd’hui, la rareté des cosubstrats limite l’expression de ce potentiel pour des raisons économiques. Avec notre installation, la production de biogaz peut être doublée en laboratoire, ce qui permet de s’affranchir de cosubstrats. Notre but est de favoriser la construction de petites unités de biogaz ne fonctionnant qu’à partir d’engrais de ferme.

> Pourquoi, sans prétraitement, la digestibilité de la matière organique du lisier est-elle faible?
Les méthaniseurs fonctionnent un peu comme une énorme panse de vache. Les microorganismes qui s’y trouvent dégradent la matière organique et produisent du méthane. Or, les effluents de ferme sont déjà passés par l’estomac d’une vache. Il y reste donc les parties les moins digestibles. Actuellement, sans prétraitement, seul environ 25% de cette matière organique est valorisée dans les biogaz.

> D’où vient votre idée de traiter à la vapeur le lisier?
Le prétraitement à la vapeur améliore la production d’éthanol à partir de bois. Clariant (ndlr: une entreprise suisse du secteur chimique) a débuté en 2018, en Roumanie, la construction d’une très importante unité de production de bioéthanol à partir notamment de paille. Cette usine vient d’être inaugurée. En traitant la paille avec un système analogue, le rendement énergétique est passé de moins de 25% à environ 80%. Nous avons décidé d’adapter ce principe pour traiter les effluents de ferme avec une teneur en eau beaucoup plus élevée.

> Le procédé ne peut pas être repris tel quel?
Non. Il faut savoir que les paramètres tels que la pression, la température et la durée du traitement doivent être définis en fonction des composants de la matière à traiter. Au-delà de certaines valeurs, des composés organiques se dégradent. Pour le bois, composé principalement de cellulose et d’hémicellulose, cela n’est déjà pas facile. Mais le lisier comporte cinq composants qui ne sont pas solubles dans l’eau. C’est onéreux à optimiser.

> Le chauffage du lisier avec de la vapeur n’est-il pas lui-même gourmand en énergie?
Dans tous les cas, le lisier doit être chauffé à la température de fermentation de 40°C.. La chaleur consommée pour le prétraitement n’est donc pas perdue mais utilisée pour chauffer le substrat. Au final, nous ne consommons pas davantage d’énergie avec notre procédé.

> Vous dites aussi que votre procédé va réduire la durée de fermentation dans les méthaniseurs. Comment est-ce possible?
C’est juste. Le traitement à la vapeur dissout certaines substances dans l’eau et améliore la digestibilité de la phase solide résiduelle. Cela veut non seulement dire que le rendement en méthane sera meilleur, mais aussi que les microorganismes peuvent décomposer le substrat plus rapidement. La méthanisation de la fraction liquide du lisier est, quant à elle, déjà rapide. Aujourd’hui, dans les biogaz agricoles en fonction, la durée de méthanisation moyenne se situe à 68 jours. Selon les résultats que nous avons obtenus en laboratoire, cette durée pourrait être divisée par 3 grâce au prétraitement. En diminuant la durée de méthanisation, il est imaginable de réduire le volume des futurs méthaniseurs.

> A partir de quelle taille de troupeau une exploitation de biogaz deviendra-t-elle intéressante?
Notre première étude techno-économique montrait qu’il fallait traiter les effluents d’environ 220 vaches pour être rentable. Depuis, nous avons optimisé le processus et le lisier de 100 vaches pourrait suffire pour faire fonctionner de petites installations de biogaz.

> En rendant possible la construction de petits biogaz ne fonctionnant qu’avec des effluents de ferme, votre installation pourrait-elle contribuer à voir se développer les tracteurs fonctionnant au biogaz?
Ce serait effectivement plus sensé de produire du biométhane que de brûler le biogaz pour produire de l’électricité et de la chaleur. Malheureusement, pour cela, il faut purifier la production gazeuse issue du méthaniseur pour séparer le gaz carbonique du méthane. A petite échelle sur des installations de biogaz agricole, avec la technologie disponible aujourd’hui, cette opération est malheureusement encore trop onéreuse pour être envisagée.
Propos recueillis par Vincent Gremaud, 12 novembre 2021
 

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INSTALLATION PILOTE À GRANGENEUVE

La toute nouvelle ferme-école de Grangeneuve accueillera l’installation pilote de prétraitement de lisier développée par la Haute école des sciences agronomiques forestières et alimentaires (HAFL) de Zollikofen (BE). En effet, l’Institut agricole de l’Etat de Fribourg va prochainement construire un biogaz sur son site de Posieux. Le prototype traitera exclusivement le lisier des bovins. La majeure partie des effluents prétraités sera ensuite transformée en méthane par fermentation anaérobique dans la future installation de biogaz, avec des substrats provenant de l’exploitation, tels que le lisier de porc et les déchets verts. Comme les chercheurs veulent tester l’efficacité de leur installation dans son environnement réel, une petite partie du lisier de bovins prétraité passera dans un petit digesteur de 3 m3 où le rendement en biogaz sera déterminé. Tout le gaz produit sera transformé en électricité et chaleur.
VG, 12 novembre 2021

 

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