module des sciences appliquées

96 Pages·2009·9.37 MB·French

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Étude de conception d’un système de production de biogaz

PROJET DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN
GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE

Présenté par : Amine Berrada
Ahmed Benmaach
Superviseur : Walid Ghie, ing. jr, Ph.D, Professeur, UQAT
Représentant industriel : Pierre Rivard, Ingénieur agricole, Propriétaire de la Ferme
du Centaure
2 Avril 2009
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

Remerciements

Dans le cadre de la réalisation de ce projet, nous tenons à remercier avec sincérité toutes
les personnes qui nous ont soutenues durant toutes les étapes du projet, et à souligner
l'aide précieuse qu’ils nous ont fournie.
Nous remercions en particulier notre encadrant M. Walid Ghié, professeur à l’UQAT
pour l’effort considérable qu’il a contribué pour l’avancement du projet, aussi pour ses
interventions et ses conseils importantes qui nous ont aidés à orienter le travail.
Nous remercions infiniment M. Pierre Rivard « propriétaire de la ferme Centaure » pour
son soutien moral et technique tout au long du projet, et pour ses informations qui nous
aidé à accomplir le mandat demandé.
Nous remercions aussi M. François Godard et M. Tikou Belém pour leur implication et
leur disponibilité grâce à qui nous avons pu réaliser quelques parties du projet.
Nous remercions également l’UQAT pour l’opportunité d’un tel projet si important et si
enrichissant en connaissances pour notre carrière d’ingénieur. Plus particulièrement nous
tenons à témoigner notre gratitude envers le personnel cadre de l’université pour son
assistance et soutien moral indéniable.
Enfin, merci à toute personne qui a pu, de près ou de loin, contribuer à l'accomplissement
de ce travail.

Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  i
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

Résumé

La ferme du Centaure constitue une petite entreprise familiale qui offre des activités
d'équitation, et son écurie a une capacité d’hébergement de treize chevaux. Ces chevaux
produisent une quantité de matières organiques appelées « fumier ». Cette matière est stockée à
l’extérieur de l’écurie dans une fosse de béton pour une durée d’un an. Par la suite, cette
matière sera épandue dans les champs pour fertiliser les terres agricoles. Ce fumier produit des
odeurs désagréables ainsi que des gaz toxiques composés principalement du méthane, ce
dernier fait parti des principaux gaz à effet de serre. Afin de réduire ces émissions de gaz, une
technique de traitement de substrats naturels appelée « Méthanisation » fut développée afin de
traiter plusieurs types de déchets et cela, dans des conditions anaérobiques « sans oxygène ».
Cette technique de méthanisation se déroule dans des cuves isolées appelées digesteurs. Cela
permet la transformation de la matière organique en biogaz qui est composé principalement du
méthane. Ce dernier est valorisé pour produire de l’électricité et de la chaleur à l’intérieur de la
ferme.
Le projet consiste à développer l’étude de conception d’un système de production du méthane
pour le fumier produit par les chevaux de la ferme. Ce méthane produit est considéré comme un
gaz naturel et permet de chauffer l’écurie et le digesteur à partir d’un système de chauffage à
gaz.
Des recherches ont permis d’étudier les paramètres principaux qui influencent la digestion
anaérobie dont la température qui a été définie à 30°C et un temps de rétention de 45 jours. En
outre, l’une des premières constatations fut que le fumier de cheval à une faible capacité de
production de méthane comparativement aux autres animaux d’élevage.
Plusieurs solutions ont été traitées avec la collaboration du client, par la suite, une solution
finale a été retenue d’un digesteur anaérobie avec évacuateur souterrain ainsi que le système de
chauffage à air pulsé. Ce digesteur a été conçu pour contenir la quantité de lisier pendant les 45
jours de rétention.
Un bilan d’énergie a été calculé ensuite afin d’établir la quantité de méthane produite par les
chevaux de la ferme, ainsi que la charge nécessaire pour chauffer l’écurie et le digesteur.
Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  ii
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

En conclusion, d’après les calculs de la charge nécessaire pour chauffer l’écurie et le digesteur,
l’énergie produite par les chevaux de la ferme est très basse par rapport à l’énergie totale
nécessaire.
Finalement, pour réaliser ce projet, il est recommandé de se procurer du gaz naturel en dehors
de l’écurie.

Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  iii
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

Abstract

The Centaure Farm is a small family business that offers the riding activities and the stable has
a capacity for accommodation of thirteen horses. These horses produce a quantity of organic
matter called (manure). This material is stored outside the barn in a pit of concrete for one year.
Thereafter, the material will be applied in the field to fertilize farmland. The manure produced
odors and toxic gases, composed mainly of methane, which is part of the main greenhouse gas.
To reduce these greenhouse gases, a processing technique called natural substrates
(Methanisation) was developed to treat various types of waste and this, in anaerobic conditions
without oxygen. This technique of methanisation proceeds in called isolated tanks digesters this
allows the transformation of organic matter into biogas which consists primarily of methane.
The latter is recovered to produce electricity and heat within the farm.
The project was to study the design of a system of production of methane in the manure
produced by horses from the farm. The methane produced is regarded as a natural gas and can
heat the digester and the team from a heating gas.
Research to study the main parameters that influence the anaerobic digestion in which the
temperature was set at 30°c and the retention time for 45 days. In addition, one of the first
findings was that the horse manure to a low production capacity of methane compared to other
livestock
Several solutions have been discussed with the client and the final solution was chosen for the
anaerobic digester with underground spillway and the system of forced air heating.
The anaerobic digester was designed to contain the amount of manure during 45 days of
retention.
An energy balance was then calculated to know the amount of methane produced by the horses
on the farm, and the load required to heat the digester and the team. According to the
calculations of the load required to heat the digester and stable, the energy produced by the
horses of the farm is very low compared to the total energy required.
So for this project, it is mandatory to obtain natural gas outside the stable.

Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  iv
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

Table des matières
Liste des figures…………………………………………………………………………vii
Liste des tableaux……………………………………………………………………...viii
CHAPITRE 1 :  L’ENTREPRISE ET LA PROBLÉMATIQUE ..................................... 1 
1.1  Description de l’entreprise ................................................................................... 1 
1.2  Problématique....................................................................................................... 1 
1.2.1  Description du procédé ................................................................................. 1 
1.2.2  Effet du fumier sur l’environnement ............................................................. 3 
1.2.3  La biométhanisation au Canada et au Québec .............................................. 4 
1.3  Description du mandat ......................................................................................... 4 
CHAPITRE 2 :  CADRE THÉORIQUE .......................................................................... 6 
2.1  La digestion anaérobie et les différentes techniques de méthanisation ................ 6 
2.2  La biochimie de la méthanisation ......................................................................... 8 
2.3  Paramètres influençant la digestion anaérobie ................................................... 10 
2.4  Caractéristiques du fumier de cheval ................................................................. 12 
2.5  Atouts et contraintes du traitement anaérobique dans la ferme ......................... 13 
CHAPITRE 3 :  LA RECHERCHE DE SOLUTION .................................................... 14 
3.1  Composantes de base ......................................................................................... 14 
3.2  Solutions préliminaires du digesteur anaérobie ................................................. 15 
3.2.1  Digesteur à deux phases .............................................................................. 15 
3.2.2  Digesteur sous-terrain ................................................................................. 16 
3.2.3  Digesteur avec évacuateur souterrain ......................................................... 17 
3.2.4  Analyse des solutions des digesteurs anaérobies proposés ......................... 18 
3.3  Propositions pour le système de chauffage ........................................................ 19 
3.3.1  Système de chauffage à air pulsé ................................................................ 19 
3.3.2  Système de chauffage hydronique « à eau chaude » ................................... 20 
3.3.3  Les cogénérateurs........................................................................................ 22 
3.3.4  Comparaison des propositions du système de chauffage ............................ 23 
3.4  Matrice de décision ............................................................................................ 24 
3.4.1  Critères d’évaluation des solutions du digesteur ........................................ 26 
3.4.2  Critères d’évaluation des propositions du système de chauffage ............... 27 
3.5  Choix de la solution finale ................................................................................. 27 
3.6  Choix des composantes de l’installation ............................................................ 28 
Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  v
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

CHAPITRE 4 :  DÉVELOPPEMENT ET CONCEPTION DE LA SOLUTION
FINALE 32 
4.1  Description de la solution finale ......................................................................... 32 
4.2  Dimensionnement de l’installation ..................................................................... 34 
4.2.1  Dimensionnement du digesteur................................................................... 34 
4.2.2  Type de matériau du digesteur .................................................................... 37 
4.2.3  Étude de résistance mécanique du réservoir « digesteur » ........................ 37 
4.2.4  Dimensionnement des évacuateurs souterrains .......................................... 41 
4.2.5  Dimensionnement du système de chauffage du digesteur. ......................... 43 
4.2.6  Dimensionnement des conduites de gaz ..................................................... 45 
4.2.7  Dimensionnement des conduites de fumier ................................................ 45 
4.3  Bilan de production ............................................................................................ 45 
4.3.1  Quantité de solide volatil ............................................................................ 45 
4.3.2  Quantité de biogaz ...................................................................................... 46 
4.3.3  Production de méthane ................................................................................ 46 
4.4  Bilan énergétique ................................................................................................ 47 
4.4.1  Énergie totale disponible E .................................................................... 47 
Tot
4.4.2  Énergie valorisable E ............................................................................... 47 
V
4.4.3  Énergie nécessaire pour chauffer le digesteur Q ...................................... 48 
in
4.4.4  Calcul de la charge du réchauffement de l’écurie ....................................... 50 
4.5  Dimensionnement du système de chauffage ...................................................... 56 
4.5.1  Calcul de la charge du cogénérateur ........................................................... 56 
4.5.2  Dimensionnement du système de chauffage à air pulsé ............................. 56 
4.6  Critiques des résultats obtenus ........................................................................... 57 
Conclusion........................................................................................................................59
Recommandations............................................................................................................61
Lexique…………………………………………………………………………………..62
Référence………………………………………………………………………………..65
Annexe A………………………………………………………………………………...67
Annexe B………………………………………………………………………………...79
Annexe C………………………………………………………………………………...85
Annexe D………………………………………………………………………………...93
Annexe E………………………………………………………………………………...96
Annexe F……………………………………………………………………………….108
Annexe G……………………………………………………………………………….113
Annexe K……………………………………………………………………………….116
Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  vi
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

Liste des figures

Figure 1-1 : Schéma du procédé en générale [2] ................................................................ 2 
Figure 1-2 : Émission annuelles de gaz à effet de serre [5] ................................................ 3 
Figure 2-1 : Production régulière de biogaz ....................................................................... 7 
Figure 2-2 : Production du gaz irrégulière .......................................................................... 7 
Figure 2-3: Étapes de fermentation ..................................................................................... 8 
Figure 3-1 : Digesteur à deux phases ................................................................................ 15 
Figure 3-2 : Digesteur souterrain ...................................................................................... 16 
Figure 3-3 : Installation du digesteur avec l’évacuateur souterrain .................................. 17 
Figure 3-4 : Système de chauffage à air pulsé [17] .......................................................... 20 
Figure 3-5 : Système de chauffage hydronique [18] ......................................................... 21 
Figure 3-6 : Schéma simplifié d’un plan de cogénérateur [19] ........................................ 22 
Figure 3-7 : Évacuateur souterrain "Magnum" [13] ......................................................... 29 
Figure 3-8 : Évacuateur souterrain "FUTURO" [13] ........................................................ 30 
Figure 4-1 : Plan de l’installation ...................................................................................... 32 
Figure 4-2 : Géométrie du digesteur ................................................................................. 37 
Figure 4-3 : Étude des contraintes du digesteur ................................................................ 38 
Figure 4-4 : Simulation du FS sur ANSYS ....................................................................... 40 
Figure 4-5 : Écurie du Centaure ........................................................................................ 41 
Figure 4-6 : Ferme du centaure agrandie pour l'évacuateur souterrain ............................. 42 
Figure 4-7 : Digesteur anaérobie Magnum modélisé sur SolidWork ............................... 42 
Figure 4-8 : Digesteur anaérobie FUTURO modélisé sur SolidWork .............................. 43 
Figure 4-9 : Composition du tube RAUTHERMEX [24] ................................................. 44 
Figure 4-10 : Les données météorologiques ..................................................................... 53 
Figure 4-11 : Données sur l’espace à chauffer .................................................................. 53 
Figure 4-12 : Définition des éléments qui affectent l'écoulement de la chaleur ............... 54 
Figure 4-13: Information sur la construction .................................................................... 54 
Figure 4-14 : Les composants du système de ventilation ................................................. 55 
Figure 4-15 : Rapport final du Logiciel. ........................................................................... 55 

Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  vii
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

Liste des tableaux

Tableau 2.1: Composition moyenne du biogaz [9] ........................................................... 10 
Tableau 2.2 : Caractéristiques du fumier de cheval .......................................................... 12 
Tableau 2.3 : Caractéristiques chimiques du fumier de cheval ........................................ 13 
Tableau 3.1 Types des composants de l’installation ......................................................... 14 
Tableau 3.2 : Analyse comparative entre les solutions du digesteur ................................ 18 
Tableau 3.3 : Comparaison des trois propositions de système de chauffage .................... 23 
Tableau 3.4 : Critères d’évaluation des solutions du projet .............................................. 26 
Tableau 3.5 : Matrice de décision des trois solutions du digesteur .................................. 26 
Tableau 3.6 : Matrice de décision des trois solutions du systéme de chauffage ............... 27 
Tableau 4.1 : Volume effectif à différents TRH. .............................................................. 35 
Tableau 4.2 : Volume effectif total à différents TRH ....................................................... 35 
Tableau 4.3 : Production annuelle .................................................................................... 47 
Tableau 4.4 : Énergie annuelle disponible ........................................................................ 48 

Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  viii
PEI – Étude de conception d’un système de production du biogaz

CHAPITRE 1 : L’ENTREPRISE ET LA PROBLÉMATIQUE

1.1 Description de l’entreprise
La Ferme du Centaure est une petite entreprise familiale située à Laverlochère, Québec. Elle a
vu le jour en 1997 grâce au fondateur Pierre Rivard « Ingénieur agricole » qui étudie
présentement au doctorat en sciences de l’environnement à l’Université du Québec en Abitibi-
Témiscamingue. Sa thèse discute sur l’étude de la digestion anaérobie à température
psychrophile en deux phases comme méthode de traitement des résidus agricoles solides et
comme source d’énergie renouvelable. L’élevage des chevaux a débuté avec dix juments
canadiennes «pur-sang» à l’écurie pour ensuite former une école d’équitation offrant à ce jour
plusieurs activités et services, aux enfants comme aux adultes tels que des cours d'équitation,
camps équestres, formations sur l'éthologie, la pension pour chevaux, la vente de chevaux et
autres.
Mme Orphée Rivard dont le titre « Entraineur et instructeur FEQ », s’occupe de l’entretien de
l’écurie et des chevaux ainsi que toutes les activités proposées par l’école d’équitation. L’écurie
peut héberger au maximum treize chevaux par saison dont des chevaux canadiens purs, croisés
« Warmblood », « Thoroughbred » et arabes.
1.2 Problématique
1.2.1 Description du procédé
À travers ce projet, l’objectif est de traiter le fumier dégagé par les chevaux de la ferme à partir
d’un système de digestion anaérobie comme technique de traitement des fumiers. Cette
technique permettra de récupérer le méthane du digesteur pour l’utiliser comme source
d’énergie renouvelable.
Pour mieux illustrer le procédé du début à la fin, les étapes nécessaires pour parvenir à la
biométhanisation sont présentées dans la figure ci dessous:
Amine Berrada
Ahmed Benmaach Hiver 2009  1