Comment obtenir du biogaz à partir de fumier : aperçu des principes de base et de l'installation de production

Les exploitations agricoles sont chaque année confrontées au problème de l'élimination du fumier. Des sommes considérables sont dépensées en pure perte pour organiser son transport et son enfouissement. Mais il existe une méthode qui permet non seulement d'économiser de l'argent, mais aussi de mettre ce produit naturel à votre service.

Les propriétaires avisés appliquent depuis longtemps une écotechnologie permettant de produire du biogaz à partir de fumier et d'utiliser le résultat comme combustible.

C'est pourquoi notre article traite de la technologie de production du biogaz, et nous vous expliquerons également comment construire une installation bioénergétique.

Avantages de l'utilisation des biotechnologies

La technologie de production de biocarburants à partir de diverses sources naturelles n'est pas nouvelle. Les recherches dans ce domaine ont commencé dès la fin du 18e siècle et ont été développées avec succès au 19e siècle. En Union soviétique, la première installation bioénergétique a été créée dans les années quarante du siècle dernier.

Les biotechnologies sont utilisées depuis longtemps dans de nombreux pays, mais c'est aujourd'hui qu'elles prennent une importance particulière. En raison de la détérioration de la situation écologique de la planète et du coût élevé des sources d'énergie, nombreux sont ceux qui se tournent vers les sources alternatives d'énergie et de chaleur.

La technologie de transformation du fumier en biogaz permet de réduire la quantité d'émissions nocives de méthane dans l'atmosphère et de fournir une source supplémentaire d'énergie thermique.

Bien entendu, le fumier est un engrais très précieux, et si une exploitation possède deux vaches, son utilisation ne pose aucun problème. Il en va autrement lorsqu'il s'agit d'exploitations agricoles de taille moyenne ou grande, où des tonnes de matières biologiques malodorantes et putréfiées se forment chaque année.

Pour transformer le fumier en un engrais de qualité, des espaces avec un certain régime de température sont nécessaires, ce qui entraîne des dépenses supplémentaires. C'est pourquoi de nombreux agriculteurs le stockent n'importe où, puis l'épandent sur les champs.

En fonction du volume de matière première produite par jour, il convient de choisir les dimensions de l'installation et son degré d'automatisation.

En cas de non-respect des conditions de stockage, jusqu'à 40 % de l'azote et la majeure partie du phosphore se volatilisent du fumier, ce qui détériore considérablement ses indicateurs de qualité. De plus, du gaz méthane est libéré dans l'atmosphère, ce qui a un impact négatif sur la situation écologique de la planète.

Les biotechnologies modernes permettent non seulement de neutraliser l'impact nocif du méthane sur l'environnement, mais aussi de le faire servir au bénéfice de l'homme, en en tirant un avantage économique considérable. En conséquence, le traitement du fumier produit du biogaz, à partir duquel on peut ensuite obtenir des milliers de kW d'énergie, et les déchets de production constituent un engrais anaérobie très précieux.

Mécanisme de formation du gaz à partir de matières premières organiques

Le biogaz est une substance volatile incolore et inodore, qui contient jusqu'à 70% de méthane. Par ses caractéristiques qualitatives, il se rapproche du type de carburant traditionnel – le gaz naturel. Il se distingue par un bon pouvoir calorifique : 1 m³ de biogaz dégage autant de chaleur que la combustion d'un kilo et demi de charbon.

Nous devons la formation du biogaz aux bactéries anaérobies, qui travaillent activement à la décomposition de la matière première organique, utilisée comme le fumier d'animaux de ferme, les excréments d'oiseaux, les déchets de toutes plantes.

Dans la production indépendante de biogaz, on peut utiliser les excréments d'oiseaux et les déjections du petit et du gros bétail domestique. La matière première peut être utilisée pure ou sous forme de mélange incluant de l'herbe, des feuilles, du vieux papier.

Pour activer le processus, il est nécessaire de créer des conditions favorables à la vie des bactéries. Elles doivent être similaires à celles dans lesquelles les micro-organismes se développent dans un réservoir naturel – dans l'estomac des animaux, où il fait chaud et où il n'y a pas d'oxygène.

En fait, ce sont les deux conditions principales qui contribuent à la merveilleuse transformation de la masse de fumier en décomposition en un carburant écologique et en engrais précieux.

Pour obtenir du biogaz, un réacteur hermétique sans accès à l'air est nécessaire, où se déroulera le processus de fermentation du fumier et sa décomposition en ses composants :

• le méthane (jusqu'à 70%);
• le dioxyde de carbone (environ 30%);
• d'autres substances gazeuses (1-2%).

Les gaz formés remontent vers le haut du réservoir, d'où ils sont ensuite pompés, tandis que le produit résiduel – un engrais organique de haute qualité – se dépose en bas, ayant conservé lors du traitement toutes les substances précieuses présentes dans le fumier – l'azote et le phosphore – et perdu une grande partie des micro-organismes pathogènes.

Le réacteur de production de biogaz doit avoir une structure totalement hermétique, sans oxygène, sinon le processus de décomposition du fumier se déroulera extrêmement lentement.

La deuxième condition importante pour une décomposition efficace du fumier et la formation de biogaz est le respect du régime de température. Les bactéries participant au processus sont activées à une température à partir de +30 degrés.

De plus, le fumier contient deux types de bactéries :

• mésophiles. Leur activité vitale se produit à une température de +30 à +40 degrés;
• thermophiles. Pour leur reproduction, il est nécessaire de respecter un régime de température de +50 (+60) degrés.

Le temps de traitement des matières premières dans les installations de premier type dépend de la composition du mélange et varie de 12 à 30 jours. Ainsi, 1 litre de surface utile du réacteur produit 2 litres de biocarburant. Lors de l'utilisation d'installations de second type, le temps de production du produit final est réduit à trois jours, et la quantité de biogaz atteint 4,5 litres.

L'efficacité des installations thermophiles est visible à l'œil nu, mais leur coût d'entretien est très élevé, donc avant de choisir une méthode de production de biogaz, il faut calculer très soigneusement tous les éléments.

Bien que l'efficacité des installations thermophiles soit des dizaines de fois supérieure, elles sont beaucoup moins utilisées, car le maintien de températures élevées dans le réacteur entraîne des coûts importants.

L'entretien et la maintenance des installations de type mésophile sont moins chers, c'est pourquoi la plupart des exploitations agricoles les utilisent pour produire du biogaz.

Le biogaz, en termes de potentiel énergétique, est légèrement inférieur au combustible gazeux traditionnel. Cependant, il contient des vapeurs sulfuriques dont il faut tenir compte lors du choix des matériaux pour la construction de l'installation.

Calculs de l'efficacité de l'utilisation du biogaz

Des calculs simples permettent d'évaluer tous les avantages de l'utilisation du biocarburant alternatif. Une vache de 500 kg produit environ 35 à 40 kg de fumier par jour. Cette quantité suffit pour obtenir environ 1,5 m³ de biogaz, à partir duquel on peut produire 3 kWh d'électricité.

En utilisant les données du tableau, il est facile de calculer combien de m³ de biogaz peuvent être obtenus en fonction du cheptel disponible dans l'exploitation agricole.

Pour produire du biocarburant, on peut utiliser soit un seul type de matière organique, soit des mélanges de plusieurs composants ayant une humidité de 85 à 90 %. Il est important qu'ils ne contiennent pas d'impuretés chimiques étrangères qui nuisent au processus de traitement.

La recette de mélange la plus simple a été inventée en 2000 par un homme russe de l'oblast de Lipetsk, qui a construit de ses propres mains une installation très simple pour produire du biogaz. Il mélangeait 1500 kg de fumier de vache avec 3500 kg de déchets végétaux divers, ajoutait de l'eau (environ 65 % du poids de tous les ingrédients) et chauffait le mélange à 35 degrés.

Au bout de deux semaines, le carburant gratuit est prêt. Cette petite installation produisait 40 m³ de gaz par jour, ce qui suffisait pour chauffer la maison et les dépendances pendant six mois.

Types d'installations pour la production de biocombustibles

Après avoir effectué les calculs, il est nécessaire de décider comment fabriquer l'installation pour obtenir du biogaz en fonction des besoins de votre exploitation. Si le cheptel est petit, une option simple, facile à fabriquer vous-même avec des moyens de fortune, conviendra.

Pour les grandes exploitations agricoles disposant d’une source constante de grandes quantités de matières premières, il est judicieux de construire un système de biogaz industriel automatisé. Dans ce cas, il sera difficile de se passer de l’intervention de spécialistes qui concevront le projet et installeront l’équipement à un niveau professionnel.

Le schéma montre clairement comment fonctionne un complexe industriel automatisé de production de biogaz. La construction d’une telle envergure peut être organisée par plusieurs exploitations agricoles voisines.

Il existe aujourd’hui des dizaines d’entreprises qui peuvent proposer de nombreuses options : des solutions prêtes à l’emploi jusqu’au développement d’un projet personnalisé. Pour réduire le coût de la construction, il est possible de coopérer avec les exploitations voisines (si elles existent à proximité) et de construire une installation commune pour la production de biogaz.

Il faut noter que même pour la construction d’une petite installation, il est nécessaire de préparer les documents appropriés, d’établir un schéma technologique, un plan d’implantation des équipements et de ventilation (si l’équipement est installé à l’intérieur), et de passer par les procédures d’approbation auprès des services sanitaires, des pompiers et de l’inspection du gaz.

Une mini-usine de production de gaz pour couvrir les besoins d’une petite exploitation privée peut être fabriquée vous-même, en s’inspirant de la conception et des spécificités des installations produites à l’échelle industrielle.

Les conceptions des installations de transformation du fumier et de la matière organique végétale en biogaz ne sont pas complexes. L’original fabriqué par l’industrie peut très bien servir de modèle pour la construction de votre propre mini-usine.

Les bricoleurs qui décident de construire leur propre installation doivent se procurer un réservoir d’eau, des tuyaux en plastique pour l’eau ou les égouts, des coudes, des joints et une bouteille pour stocker le gaz produit.

Particularités du système de biogaz

Une installation de biogaz complète représente un système complexe composé de :

1. Un bioréacteur où se déroule le processus de décomposition du fumier ;
2. Un système automatisé d'alimentation en déchets organiques ;
3. Un dispositif de mélange de la biomasse ;
4. Un équipement de maintien de la température optimale ;
5. Un gazomètre – réservoir de stockage du gaz ;
6. Un récepteur de déchets solides traités.

Tous les éléments ci-dessus sont installés dans des installations industrielles fonctionnant en mode automatique. Les réacteurs domestiques ont généralement une conception plus simplifiée.

Le schéma présente les principaux composants d'un système de biogaz automatisé. Le volume du réacteur dépend de l'apport quotidien de matière organique. Pour un fonctionnement optimal de l'installation, le réacteur doit être rempli aux deux tiers de son volume.

Principe de fonctionnement de l'installation

L'élément principal du système est le bioréacteur. Il existe plusieurs variantes de réalisation, l'essentiel étant d'assurer l'étanchéité de la structure et d'éviter toute entrée d'oxygène. Il peut être réalisé sous la forme d'une cuve métallique de forme variable (le plus souvent cylindrique), placée en surface. Il arrive souvent que l'on utilise à cette fin des réservoirs de carburant vides de 50 mètres cubes.

Il est possible d'acheter des cuves prêtes à l'emploi de conception démontable. Leur avantage est la possibilité de démontage rapide et, si nécessaire, de transport vers un autre endroit. Les installations de surface industrielles sont recommandées pour les grandes exploitations disposant d'un apport constant de grandes quantités de matière organique.

Pour les petites exploitations, l'option de placement souterrain du réservoir est plus adaptée. Le bunker souterrain est construit en brique ou en béton. On peut enterrer des cuves prêtes à l'emploi, par exemple des fûts en métal, en acier inoxydable ou en PVC. Il est également possible de les placer en surface à l'extérieur ou dans une pièce spécialement dédiée avec une bonne ventilation.

Pour fabriquer une installation de production de biogaz, vous pouvez acheter des cuves prêtes à l'emploi en PVC et les installer dans une pièce équipée d'un système de ventilation.

Indépendamment de l'endroit et de la manière dont le réacteur est placé, il est équipé d'une trémie pour le chargement du fumier. Avant de charger la matière première, elle doit subir une préparation préalable : elle est broyée en fractions ne dépassant pas 0,7 mm et diluée avec de l'eau. Idéalement, l'humidité du substrat doit être d'environ 90 %.

Les installations automatisées de type industriel sont équipées d'un système d'alimentation en matières premières comprenant un récepteur dans lequel le mélange est amené à l'humidité nécessaire, une canalisation pour l'alimentation en eau et une pompe pour le transfert de la masse vers le bioréacteur.

Dans les installations domestiques, des cuves séparées sont utilisées pour la préparation du substrat, où les déchets sont broyés et mélangés avec de l'eau. Ensuite, la masse est chargée dans le compartiment de réception. Dans les réacteurs situés sous terre, la trémie de réception du substrat est amenée à l'extérieur, et le mélange préparé s'écoule par gravité dans le tuyau vers la chambre de fermentation.

Si le réacteur est placé sur le sol ou dans une pièce, le tuyau d'entrée avec le dispositif de réception peut être situé dans la partie latérale inférieure de la cuve. Il est également possible de faire sortir le tuyau dans la partie supérieure et de placer un entonnoir sur son col. Dans ce cas, la biomasse devra être alimentée à l'aide d'une pompe.

Dans le bioréacteur, il faut également prévoir une ouverture de sortie qui est réalisée presque au fond de la cuve du côté opposé à la trémie d'entrée. En cas de placement souterrain, le tuyau de sortie est installé en oblique vers le haut et mène à un récepteur de déchets qui ressemble à une boîte rectangulaire. Son bord supérieur doit être situé en dessous du niveau de l'ouverture d'entrée.

Les tuyaux d'entrée et de sortie sont disposés en oblique vers le haut sur les différents côtés de la cuve, tandis que la cuve de compensation dans laquelle les déchets arrivent doit être située en dessous de la trémie de réception.

Le processus se déroule comme suit : la trémie d'entrée reçoit un nouveau lot de substrat qui s'écoule dans le réacteur ; en même temps, la même quantité de masse usée remonte par le tuyau vers le récepteur de déchets, d'où elle est ensuite extraite et utilisée comme biofertilisant de haute qualité.

Le stockage du biogaz s'effectue dans un gazomètre. Le plus souvent, il se trouve directement sur le toit du réacteur et a une forme de dôme ou de cône. Il est fabriqué en tôle de couverture, puis, pour prévenir les processus de corrosion, il est peint avec plusieurs couches de peinture à l'huile.

Dans les installations industrielles conçues pour produire de grandes quantités de gaz, le gazomètre est souvent réalisé sous la forme d'un réservoir autonome relié au réacteur par une canalisation.

Le gaz obtenu par fermentation ne convient pas à l'utilisation car il contient une grande quantité de vapeur d'eau et, sous cette forme, il ne brûlera pas. Pour le purifier des fractions d'eau, le gaz passe à travers un système de garde d'eau. Pour cela, un tuyau sort du gazomètre, par lequel le biogaz entre dans un réservoir d'eau, et de là, il est acheminé vers les consommateurs par un tuyau en plastique ou en métal.

Schéma d'une installation enterrée. Les orifices d'entrée et de sortie doivent être situés sur les côtés opposés du réservoir. Au-dessus du réacteur se trouve un système de garde d'eau à travers lequel le gaz produit est passé pour le sécher.

Dans certains cas, des sacs-gazomètres spéciaux en polychlorure de vinyle sont utilisés pour stocker le gaz. Les sacs sont placés à côté de l'installation et se remplissent progressivement de gaz. Au fur et à mesure du remplissage, le matériau élastique se gonfle et le volume des sacs augmente, permettant de stocker temporairement une plus grande quantité de produit final si nécessaire.

Conditions d'un fonctionnement efficace du bioréacteur

Pour un fonctionnement efficace de l'installation et une production intense de biogaz, une fermentation uniforme du substrat organique est nécessaire. Le mélange doit être en mouvement constant. Sinon, une croûte se forme à sa surface, le processus de décomposition ralentit, et finalement, moins de gaz est produit que prévu initialement.

Pour assurer un mélange actif de la biomasse, des agitateurs de type immergé ou incliné, équipés d'un entraînement électrique, sont installés dans la partie supérieure ou latérale du réacteur standard. Dans les installations artisanales, le mélange est effectué mécaniquement à l'aide d'un dispositif ressemblant à un mixeur domestique. On peut le commander manuellement ou le doter d'un entraînement électrique.

Lorsque le réacteur est disposé verticalement, la poignée de l'agitateur est placée dans la partie supérieure de l'installation. Si la cuve est installée horizontalement, la vis du mélangeur est également disposée dans un plan horizontal et la poignée se trouve sur le côté du bioréacteur.

L'une des conditions les plus importantes pour obtenir du biogaz est de maintenir la température nécessaire dans le réacteur. Le chauffage peut se faire de plusieurs façons. Dans les installations fixes, des systèmes de chauffage automatisés sont utilisés ; ils se mettent en marche lorsque la température descend en dessous du niveau défini et s'arrêtent lorsque la température requise est atteinte.

Pour le chauffage, vous pouvez utiliser des chaudières à gaz, effectuer un chauffage direct avec des appareils de chauffage électriques ou intégrer un élément chauffant dans la base du réservoir.

Pour réduire les pertes de chaleur, il est recommandé de construire un petit cadre avec une couche de laine de verre autour du réacteur ou de recouvrir l'installation d'une isolation thermique. Le polystyrène expansé et ses autres variétés possèdent de bonnes propriétés d'isolation thermique.

Pour aménager le système de chauffage de la biomasse, vous pouvez faire passer une canalisation depuis le chauffage domestique qui est alimenté par le réacteur.

Détermination du volume nécessaire

Le volume du réacteur est déterminé en fonction de la quantité quotidienne de fumier produite dans l'exploitation. Il faut également prendre en compte le type de matière première, la température et la durée de fermentation. Pour que l'installation fonctionne correctement, le réservoir est rempli à 85-90 % de son volume ; au moins 10 % doivent rester libres pour la sortie du gaz.

Le processus de décomposition de la matière organique dans une installation mésophile à une température moyenne de 35 degrés dure au moins 12 jours, après quoi les résidus fermentés sont extraits et le réacteur est rempli d'une nouvelle portion de substrat. Comme les déchets sont dilués avec de l'eau jusqu'à 90 % avant d'être introduits dans le réacteur, la quantité de liquide doit également être prise en compte lors de la détermination de la charge quotidienne.

Sur la base des indications ci-dessus, le volume du réacteur sera égal à la quantité quotidienne de substrat préparé (fumier avec eau) multipliée par 12 (temps nécessaire à la décomposition de la biomasse) et augmentée de 10 % (volume libre du réservoir).

Construction d'une installation souterraine

Maintenant, parlons de l'installation la plus simple permettant d'obtenir du biogaz à la maison avec un minimum de dépenses. Examinons la construction d'un système souterrain. Pour le fabriquer, il faut creuser une fosse, et son fond et ses parois sont coulés en béton d'argile expansé armé.

De chaque côté opposé de la chambre, des ouvertures d'entrée et de sortie sont ménagées, dans lesquelles sont installés des tuyaux inclinés pour l'alimentation en substrat et le pompage de la matière usée.

Le tuyau de sortie d'environ 7 cm de diamètre doit se trouver presque au fond de la cuve ; son autre extrémité est montée dans un réservoir de compensation de forme rectangulaire dans lequel les déchets seront pompés. La canalisation d'alimentation en substrat est située à environ 50 cm du fond et a un diamètre de 25-35 cm. La partie supérieure du tuyau pénètre dans le compartiment de réception des matières premières.

Le réacteur doit être totalement étanche. Pour éviter toute entrée d'air, le réservoir doit être recouvert d'une couche d'étanchéité bitumineuse.

La partie supérieure de la trémie est un gazomètre de forme conique ou en dôme. Il est fabriqué à partir de tôles métalliques ou de fer de toiture. On peut également terminer la construction par une maçonnerie en briques, qui est ensuite recouverte d'un treillis métallique et enduite. Au-dessus du gazomètre, il faut réaliser une trappe étanche, faire passer un tuyau de gaz à travers un joint hydraulique et installer une vanne de décompression.

Pour mélanger le substrat, on peut équiper l'installation d'un système de drainage fonctionnant selon le principe du barbotage. Pour cela, fixez verticalement des tubes en plastique à l'intérieur de la structure, de sorte que leur bord supérieur soit au-dessus de la couche de substrat. Percez-y de nombreux trous. Le gaz sous pression descendra, et en remontant, les bulles de gaz mélangeront la biomasse contenue dans le réservoir.

Si vous ne souhaitez pas construire une trémie en béton, vous pouvez acheter un réservoir en PVC prêt à l'emploi. Pour conserver la chaleur, il faut l'entourer d'une couche d'isolant thermique – du polystyrène expansé. Le fond de la fosse est coulé avec du béton armé sur une épaisseur de 10 cm. Les réservoirs en polychlorure de vinyle peuvent être utilisés si le volume du réacteur ne dépasse pas 3 m³.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Comment fabriquer l'installation la plus simple à partir d'un simple tonneau, vous le découvrirez en regardant la vidéo :

Vous pouvez voir comment se déroule la construction d'un réacteur souterrain dans le reportage vidéo :

Le chargement du fumier dans l'installation souterraine est montré dans la vidéo suivante :

Une installation de production de biogaz à partir de fumier permettra de réaliser des économies substantielles sur les factures de chauffage et d'électricité, et d'utiliser à bon escient la matière organique abondante dans chaque exploitation agricole. Avant de commencer la construction, il faut tout calculer et préparer soigneusement.

Le réacteur le plus simple peut être fabriqué en quelques jours de vos propres mains, en utilisant des moyens disponibles. Si l'exploitation est grande, il est préférable d'acheter une installation prête à l'emploi ou de faire appel à des spécialistes.

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