DOSSIERS BIOMETHANISATION, FORMULATION DE LA RATION

1. Introduction

L'objectif de l'exploitation d'une unité de biométhanisation est la production d'électricité et de chaleur utile de la façon la plus économiquement rentable, et ce, à long terme.

- Ceci implique la production continue de la quantité exacte de méthane (ni plus, ni moins) nécessaire au fonctionnement optimal des moteurs de cogénération.

- Ceci implique également qu'il est primordial de maintenir la biologie du digesteur en bonne santé.

- Ceci implique enfin, qu'il est nécessaire de tenir compte de la disponibilité des matières premières.

La formulation de la ration d'alimentation doit tenir compte de tous ces aspects. Les nutritionnistes de notre association ont développé une méthode de formulation qui tient compte de ceux-ci.

2. Lors du rationnement, il est primordial de procéder dans l'ordre.

En général, nous avons constaté que lors de la composition de l'alimentation d'un digesteur, on procède à l'envers de la logique. C'est-à-dire que l'on démarre le processus avec les matières premières dont on dispose et que l'on en distribue des quantités plus ou moins grandes sur base du taux de puissance des moteurs. Le résultat de cette façon de procéder est que on alterne entre:

• une production suboptimale d'électricité (trop peu de biogaz)
• l'allumage de la torchère quelques jours après l'augmentation des quantités alimentées

Donc, une succession de saccades dans la productivité de l'installation entrelacée régulièrement par un bloquage de la biologie (diminution forte de la production de biogaz, acidification, alcalinisation, production explosive d'H2S, formation de mousse, diminution de la qualité du biogaz en-dessous de 47% de méthane etc...)

Pourquoi?

Lorsqu'on travaille avec une ration unique, celle-ci doit impérativement contenir suffisamment de composants cellulosique à digestion lente sous peine d'acidifier le digesteur. C'est à dire que la réponse en terme de flux de biogaz lors de l'augmentation de l'alimentation ne se fera sentir qu'après quelque jours. Les moteurs restent donc à une puissance sub-optimale (d'où perte de productivité) le temps nécessaire pour atteindre le pic de flux procuré par les quantités supplémentaires d'aliment introduites. Bien souvent, au moment du pic de flux, le digesteur produit trop de biogaz et la torchère s'enclenche (d'où gaspillage d'aliment).

Il est nutritionnellement impossible de composer une ration unique à réponse rapide car celle-ci mènerait indubitablement à l'acidification du digesteur. En effet, si la faune bactérienne hydrolysante est capable de se multiplier ou de régresser rapidement pour s'adapter à l'alimentation, il n'en va pas de même pour le faune bactérienne méthanogène composée exclusivement de bactéries à multiplication lente. Il en découle une accumulation d'acides gras volatils non consommés qui non seulement vont acidifier le digesteur mais qui vont désactiver cette faune méthanogène.

Solution

La seule solution capable de résoudre ce problème est de séparer virtuellement la ration en deux parties:

Une ration de base qui à pour rôle d'assurer la stabilité biologique du digesteur ainsi que de produire 80% du flux de biogaz. Cette ration est une ration à réponse lente (pic de flux de biogaz tardif). La lenteur de la réponse de cette ration n'est pas handicapante puisque les quantités distribuées de cette ration restent constantes dans le temps.

Une ration de régulation à réponse rapide (pic de flux précoce et court) composée exclusivement de produits à dégradation rapide (sacharides simples, disaccharides, polysacharides en alpha-1,4, alcools etc...). Cette ration de régulation peut ne pas être nutritionnellement équilibrée puisquelle ne sera distribuées en quantités restreintes afin de réguler le flux de biogaz nécessaire à l'unité de cogénération de manière fine et rapide.

Cette façon de procéder permet simultanément de maintenir la santé du digesteur et d'éviter les gaspillages énergétiques (manque à gagner du fonctionnement suboptimal des moteurs et perte directe par allumage de la torchère).

Dans les paragraphes suivants, nous allons voir comment procéder pour réaliser ces deux rations dans la pratique.

3. Comment procéder dans la pratique.

Il est nécessaire de procéder dans l'ordre aux tâches suivantes:

1. déterminer le besoin du flux horaire de méthane nécessaire à la cogénération

2. déterminer la disponibilité de matières premières (maximum, minimum, prix, contenu nutritionnel, potentiels biogaz et cinétiques de dégradation)

3. calculer la composition de la ration de base couvrant 80% des besoins de flux horaire de méthane. On tient compte du potentiel biogas total (la cinétique de dégradation n'a pas d'importance à ce niveau). La ration est calculée en tenant compte des besoins en nutriments du digesteur.

4. calculer composition de la ration de régulation qui couvrira les 20% de flux horaire de méthane + ou - les variations instantannées du flux produit par la ration de base. Ici, la cinétique de dégradation est d'importance capitale. Par contre, les taux de nutriments ne revêtent qu'une importance secondaire.

3.1 Détermination du besoin de flux horaire de méthane

Ceci est une tâche simple. Elle est déterminée par les caractéristiques techniques des moteurs.

3.2 Détermination de la disponibilité des matières premières

Cette tâche est hardue car elle consiste à réunir une grande quantité d'informations nécessaires au calcul final des deux rations. Sans ces informations, le calcul des rations sera irréaliste tant du point de vue nutritionnel que du point de vue économique.

3.2.1 Disponibilité des ingrédients suceptible de rentrer dans les rations

On aura ici l'impression de réaliser un travail inutile car il est primordial de réunir des informations sur des ingrédients qui ne rentreront pas dans les rations finales. Cependant, plus on fait intervenir un grand nombre d'ingrédients, plus on arrivera à un résultat optimal du point de vue économique et du point de vue de la santé biologique du digesteur.

Pour chaque ingrédient potentiel individuel, les informations à réunir sont les suivantes:

• Quantité journalière disponible, variation saisonnière des quantités disponibles
• Prix rendu par tonne
• Possibilité de stockage et de réception (solides, liquides, odeur, possibilité de stockage à moyen et long terme etc...)
• Possibilité et coût de préparation (broyage, concassage, mélange solide, mélange humide etc...) ou possibilité d'incorporation directe dans le digesteur.

3.2.2 Analyses des nutriments (valeur nutritionnelle des ingrédients)

Analyse des nutriments pour chaque ingrédient individuel. Ces analyses étant onéreuses, nous avons l'habitude d'utiliser notre base de donnée (plus de 8000 ingrédients analysés) afin d'éviter les frais d'analyses. Par exemple, un blé humide avarié ne devra pas être analysé puisque nous possédons déjà ces données dans notre base de donnée. Il en va de même pour la majorité des sous-produits de l'industrie alimentaire belge. Bien souvent, nous nous bornerons aux analyses de matière sèche et cendres brutes pour ajuster les valeurs des autres nutriments.

Les données chiffrées nécessaires sont:

3.2.3 Potentiel et cinétique de dégradation

Potentiel et cinétique de dégradation. Remarquons qu'ici, il ne suffit pas de connaître le potentiel biogaz de la matière première mais également la cinétique exacte de dégradation. Par cinétique exacte, on entend essentiellement les données suivantes:

• moment exact du pic de flux de biogaz (à une heure près et non à un jour près comme déterminé par la plupart des laboratoires biogaz)
• flux horaire de biogaz exact au moment du pic de production (non pas le flux moyen sur 1 jour mais bien le flux au moment du pic)
• Taux de réduction du flux horraire de biogaz après le pic
• Paramètres cinétiques généraux (T25, T50, T75, T90)

Qu'entend-t-on par "données cinétiques exactes", pourquoi les analyses d'autres laboratoires biogaz ne sont pas utilisables?

Les appareils d'analyses de potentiel et de cinétique de dégradation conçu dans notre laboratoire fonctionnent selon le standard VDI4630. Cependant, Les laboratoires qui suivent ce protocole récupèrent le biogaz des digesteurs batch dans des sacs à gaz et déterminent manuellement la quantité de gaz produite chaque jour (seulement 1x par jour car ce travail est fastidieux). Nos appareils sont automatisés et suivent le flux de gaz produit de façon continue. Pour les ingrédients de la ration de régulation (pic de flux précoce et court), il est nécessaire de déterminer le flux et le moment du pic de flux à l'heure près et non au jour près. Si l'on utilisait une analyse conventionnelle, on risqueraite non seulement de se tromper sur le moment du pic (on saurait que le pic de production a lieu le premier jour mais on ne sait pas quand) mais également, et ceci est très important, sur le flux à ce moment précis. Voir l'exemple sur une glycérine non raffinée.

3.2 Calul de la ration de base

Au risque de se répéter, la ration de base doit remplir les fonctions suivantes:

- Produire un flux horraire de biogaz permettant de couvrir les besoins en méthane des moteurs de cogénération pour 80% de leur puissance maximale.

- Fournir tous les nutriments nécessaires au maintien de la santé de la faune bactérienne du digesteur

- N'être à l'origine d'aucun phénomène de toxicité (minérale ou autre).

Cette ration est en fait calculée de la même façon qu'une ration unique équilibrée. Elle peut contenir tant des ingrédients à digestion lente que des ingrédients à digestion rapide (pour autant que ces derniers n'aient pas d'effet acidifiant dans l'ensemble de cette ration de base.

Dans le cas idéal, la composition de cette ration de base ne varie pas au cours du temps. Il en va de même pour le quantités journalières distribuées. Lorsqu'on a besoin de plus ou de moins de biogaz, on modifiera les quantités distribuées de la ration de régulation mais jamais celles de la ration de base.

Il va de soi que ceci représente le cas idéal. Hormis les matières premières produites à la ferme (ensilage de maïs) ou les matières premières nobles (blé, escourgeon etc...) onéreuses, la disponibilité de sous-produits de l'industrie agro-alimentaire subissent bien souvent des variations saisonières. Dans ce cas, la ration de base sera modifiée graduellement (jamais brusquement) au cours de l'année et on se servira de la ration de régulation pour maintenir le flux de biogaz constant.

Notre service de nutrition est peu onéreux et peut être mis à profit pour vous guider et vous suivre afin de maintenir votre digesteur en état de fonctionnement optimal.

3.3 Calcul de la ration de régulation

Une fois la ration de base déterminée, le calcul de la ration de régulation se bornera à:

- Déterminer quels ingrédient peuvent y être incorporés (uniquement les produits à pic de flux précoce et court).

- determiner le flux de biogaz produit par tonne de cette ration de régulation afin de pouvoir déterminer à chaque moment les quantités à distribuer en fonction du flux réel momentané de biogaz.

- Déterminer la quantité maximale pouvant être mise en oeuvre sans déséquilibrer la ration globale.

De cette façon, pour faire fonctionner votre installation, vous distribuez toujours la même quantité journalière de ration de base + une quantité de la ration de régulation nécessaire à obtenir 95-100% de la puissance moteur. Si la quantité maximale de ration de régulation (cfr ci dessus) est dépassée, il sera nécessaire de déterminer les causes (analyse des ingrédients, digestats, diagnostic, éventuellement révision de la ration de base).

Afin de pouvoir automatiser l'alimentation en ration de régulation, il est préférable (mais pas obligatoire) de n'utiliser que des produits pompables pour cette partie de la ration. L'alimentation peut être soit régulée en fonction du débit de biogaz instantané, soit mieux, en fonction de la pression sur la bâche du digesteur.