Lorsque la matière organique se décompose en l’absence d’oxygène, elle produit du biogaz, un mélange de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2) avec des petites quantités d’azote, d’hydrogène, de monoxyde de carbone et d’autres composés. Le biogaz peut être utilisé comme combustible pour la cuisson, le chauffage, la production de lumière ou même une génératrice. Un biodigesteur à méthane est un appareil utilisé pour produire et capturer ce biogaz. Il existe de nombreux modèles de biodigesteur à méthane, lesquels peuvent être complexes ou simples, grands ou petits. Le présent document décrit les deux principaux types de digesteurs : à alimentation discontinue et continue; et les deux principaux types de collecteurs du gaz : à tube et flottant.
Le Méthane et le Biogaz*
Tel qu’indiqué ci-dessus, le biogaz est un mélange de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2) et de petites quantités d’hydrogène, d’azote, de monoxyde et d’autres composés. Ce mélange de gaz est combustible si sa teneur en méthane est supérieure à 50 %. Dans la digestion anaérobique de la matière organique, les matières or- ganiques complexes sont d’abord décomposées en acides organiques simples, alcools et CO2; ensuite, les acides organiques simples et le CO2 sont soit oxydés ou réduits en méthane.
Il existe plusieurs conditions à respecter pour que ce processus soit optimal, notamment:
Oxygène : comme ce processus est anaérobique, il ne doit pas y avoir d’oxygène/d’air.
- Température: la température optimale est de 15 à 35ºC (de 65 à 95ºF). Lorsque la température est adéquate, les micro-organismes sont plus actifs et une plus grande quantité de biogaz est produite.
- Humidité: l’eau doit représenter environ 90 % du poids du lisier. S’il y a trop d’eau, le taux de production de biogaz par unité de volume diminue; s’il n’y a pas assez d’eau, des acides acétiques vont s’accumuler et inhiber la fermen- tation et la production de biogaz.
- Acidité: les microorganismes ont besoin d’un milieu neutre ou légèrement alcalin avec un pH optimal de 7,0 à 8,5.
- Rapport C:N : le carbone et l’azote sont les principaux nutriments dont les micro-organismes ont besoin. Le rapport C:N idéal est de 25:1 à 30:1. S’il y a trop de carbone, l’azote est digérée rapidement et le processus ralentit; s’il y a trop peu de carbone, celui-ci est consommé rapidement, le processus s’arrête et l’azote en trop s’échappe sous forme d’ammoniac
Propriétés du méthane:
- Le méthane est inodore, incolore et fade.
- La densité du méthane est d’environ la moitié de celle de l’air (et c’est pourquoi le méthane a tendance à mont- er).
- Le méthane a une très faible solubilité dans l’eau (ce qui permet de le nettoyer à l’aide d’un épurateur d’eau simple).
- La combustion du méthane produit une flamme bleue et une grande quantité de chaleur.
Un mètre cube de biogaz:
- produit 60 watts d’énergie pendant de 6 à 7 heures,
- permet de cuire 3 repas,
- génère 1,25 kW d’électricité, et
- peut faire tourner un moteur de 1 hp pendant 2 heures.
Biodigesteurs à Alimentation Continue et Discontinue
Il existe deux types principaux de biodigesteur : à alimentation continue et à alimentation discontinue. Le biodigesteur à alimentation discontinue est rempli de lisier, scellé et utilisé jusqu’à ce qu’il ne produise plus de biogaz et qu’il faille le re- charger. Le biodigesteur à alimentation continue est d’abord rempli et ensuite alimenté régulièrement pour qu’il conserve sa charge. Dans le cas des modèles à alimentation discontinue, il faut disposer d’une grande quantité de lisier et de main- d’œuvre pour les partir et par la suite, il faut les vider et recharger régulièrement (une fois aux 2 ou 3 mois). Le démarrage des biodigesteurs à alimentation continue nécessite également beaucoup de lisier et de travail et une fois que la production de méthane commence, il faut y ajouter une ration quotidienne de lisier. Les deux types produisent du biogaz et un engrais liquide que l’on peut appliquer directement.
La Collection du Biogaz
Le collecteur de gaz est également une des principales composantes des biodigesteurs à méthane. Il doit permettre de capturer et de stocker le biogaz tout en fournissant la pression requise pour l’acheminer jusqu’à un poêle. Les collecteurs peuvent être faits de divers matériaux comme une grande chambre à air, un baril flottant, une vessie spéciale, des feuilles de plastique tubulaire, etc.
La grande chambre à air dotée d’une valve à air et d’une tige de valve amovible est un des collecteurs de biogaz les plus simples. On peut la brancher à la sortie de gaz du bio- digesteur à l’aide de sa valve à air. La chambre à air fonc- tionne bien pour stocker le biogaz et le pressuriser afin de l’acheminer vers le poêle. On peut augmenter la capacité de stockage du système en rattachant plusieurs chambres à air au biodigesteur. [Plusieurs photos et dessins du présent document montrent des chambres à air collecteurs de gaz.]
Dans la plupart des biodigesteurs à méthane, le collecteur de gaz est un élément distinct du biodigesteur. Mais dans certains modèles, comme par exemple le biodigesteur/col- lecteur tubulaire à alimentation continue de la photo ci-des- sus, la production et le stockage du biogaz sont réalisés à l’intérieur du même élément. La feuille de plastique de ce biodigesteur tubulaire est généralement double et peut avoir n’importe quelle longueur. Chaque bout de la feuille est placé dans un morceau de tuyau PVC à grand diamètre ou une série de seaux en plastique (dont les fonds ont été découpés) pour créer l’entrée et la sortie du lisier. Le tube est partielle- ment enterré et l’entrée et la sortie du lisier sont disposées de sorte que ces ouvertures soient toujours à un niveau plus bas que le niveau du lisier. Un orifice de sortie du biogaz est découpé dans le haut de la feuille et raccordé à la conduite de gaz. [On peut aussi utiliser le plastique tubulaire pour fabriquer séparément le collecteur ou le biodigesteur.]
Biodigesteurs à Alimentation Discontinue**
Les biodigesteurs à alimentation discontinue peuvent avoir n’importe quelle taille. On les fait généralement avec un baril en métal de 200 litres (55 gallons) dont le haut comprend deux orifices filetés, un gros et un petit. Il faut que le baril soit her- métique et en bon état. Le gros orifice peut être utilisé pour remplir le baril de lisier pour ensuite être scellé. Le petit orifice sert de sortie du biogaz.
Pour préparer le baril, nettoyez-le bien avec de l’eau savonneuse (surtout s’il a auparavant contenu un produit pétrolier); rincez-le bien et laissez sécher. Ensuite, raccordez une valve d’arrêt et une conduite de gaz au petit orifice fileté. L’autre bout de la conduite de gaz sera raccordé à un collecteur de gaz et à un poêle. Après avoir préparé le baril, les conduites de gaz, le collecteur de gaz et la cuisinière, remplissez le baril presque jusqu’en haut avec du lisier et fermez-le hermétique- ment. Lorsque le système commence à produire du biogaz, il faut libérer ce gaz pendant la première semaine environ avant d’essayer de l’allumer pour s’assurer que le système ne contienne plus d’air. Ce point est très important car si de l’oxygène est mélangé avec le méthane, sa mise à feu pourrait causer une explosion.
Une fois scellé, un système à alimentation discontinue peut produire du biogaz pendant plusieurs mois. La majeure partie de l’activité microbienne se déroule près de la surface du lisier; ainsi l’agitation régulière du lisier en inclinant le baril augmente l’efficacité du biodigesteur. Lorsque le biodigesteur cesse de produire du gaz, on peut le vider et le remplir à nouveau avec du lisier frais. On peut utiliser le vieux lisier comme engrais et aussi en ajouter une petite quantité au lisier frais pour accélérer la biodigestion. Après le remplissage, n’oubliez pas de purger le système jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de risque de présence d’oxygène dans le mélange de biogaz.
Biodigesteurs à Alimentation Discontinue avec Collecteur Flottant
Pour construire un biodigesteur à alimentation discontinue doté d’un collecteur flottant, il faut :
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2 barils de 190 litres (50 gallons), dont un avec un couvercle qui ferme bien,
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1 baril plus petit qui entre parfaitement dans un baril plus grand,
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1 tuyau PVC de 120 cm (4 pieds) de long et 12,7 cm (5 pouces) de diamètre,
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2 tuyaux de 20,3 cm (8 pouces) de long et 2,5 cm (1 po) de diamètre, et
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1 valve qui sera fixée à un des petits tuyaux pour régler la circulation du biogaz.
Pour construire ce biodigesteur, découpez un trou dans le couvercle de l’un des gros barils, près du bord externe. Le diamètre de ce trou doit cor- respondre à celui du tuyau PVC. Découpez ensuite une section de 60 cm (2 pieds) du tuyau PVC en la fendant sur la longueur tel qu’indiqué dans l’illustration ci-dessous. Faites glisser le tuyau dans le trou jusqu’à ce qu’il touche le fond du baril. Scellez l’espace entre le tuyau et le couvercle avec un scellant de résine époxy imperméable ou en appliquant une autre mé- thode de scellement hermétique.
Perforez maintenant un trou plus petit (égal au diamètre des petits tuyaux) près du bord opposé du même couvercle et un autre trou (de la même taille) dans le fond du petit baril, près du bord. Raccordez un des morceaux de tuyau en plastique au grand baril avec de la colle époxy imperméable et insérez l’autre bout de ce tuyau dans le fond du petit baril; faites-le glisser dans le petit baril pour qu’il atteigne l’autre bout de ce baril. Assurez-vous de bien sceller tous les raccords avec de l’époxy ou un autre produit scellant de qualité.
Perforez un deuxième trou dans le fond du petit baril de la taille de la valve du tuyau. Raccordez la valve à ce trou. Enlevez le haut du deuxième grand baril et remplissez-le d’eau. Saisissez le petit baril à l’envers, ouvrez-en la valve et poussez-le dans le gros baril rempli d’eau en forçant l’air à s’évacuer à travers le tuyau. Fermez ensuite la valve. Vous pouvez mainte- nant remplir le biodigesteur de lisier de fumier (le niveau du lisier doit toujours être plus haut que celui de la section coupée du tuyau de PVC). À mesure que le biogaz sera produit, il montera en bouillonnant à travers l’eau et remplira la cavité du petit baril et le fera flotter. Vous pouvez placer des pierres ou des bandes de caoutchouc sur le dessus du baril flottant pour pressuriser le gaz et le forcer dans le collecteur en direction du poêle. Ce collecteur de type baril flottant peut être adapté pour fonctionner avec d’autres modèles de biodigesteur.
Biodigesteurs à Alimentation Continue
Les biodigesteurs à alimentation continue peuvent avoir n’importe quelle taille. Par exemple, la taille d’un biodigesteur fait de trois barils de 200 litres (55 gallons) soudés bout à bout est excellente. Il faut que les barils soient propres et en bon état. Utilisez comme baril du haut un baril doté de 2 orifices filetés dans son couvercle. Enlevez le fond du baril du haut, le haut et le fond du baril du centre et le haut du baril du bas. Soudez ensuite les trois barils bout à bout.
Il est recommandé de placer le biodigesteur sur un support conçu pour le maintenir légèrement incliné (comme l’activité des micro- organismes se concentre principalement près de la surface du lisi- er, il est recommandé que l’angle d’inclinaison soit très faible). In- stallez un tuyau d’entrée du lisier de 5 cm (2 po) de diamètre dans le couvercle du baril du haut; cette entrée doit être recourbée vers le haut et son extrémité doit être plus haute que le haut des barils du biodigesteur. Installez également un raccord pour la sortie du gaz dans la partie la plus élevée du couvercle du baril du haut. Au point le plus bas du baril du bas, installez une valve de sortie de lisier de 5 cm (2 po) de diamètre. Ce n’est qu’après avoir installé et raccordé le tout à un collecteur de biogaz et un poêle que vous pourrez remplir le biodigesteur de lisier.
Lorsque le biodigesteur commence à produire du biogaz, il faut libérer ce gaz durant environ une semaine avant d’essayer d’allumer le poêle car le système pourrait encore contenir de l’oxygène. Une fois le système purgé d’oxygène et prêt à être utilisé, vous pouvez régulièrement ajouter du nouveau lisier et enlever le lisier épuisé. Pour maintenir la production de biogaz, il faut alimenter le biodigesteur avec 20 litres (5 gallons) de lisier par semaine. Pour maximiser la production, il faut ajouter environ 20 litres (5 gallons) de lisier par jour. On peut varier cette quantité selon les conditions climatiques locales, le lisier, l’utilisation du biogaz, etc.. Il faut éviter de retirer une trop grande quantité de lisier car cela aurait pour effet de lais- ser entrer de l’air dans le biodigesteur (dans ce cas, il faudra purger une nouvelle fois le système). On peut parfois rajouter une partie du lisier épuisé dans le biodigesteur pour augmenter la concentration de micro-organismes et ainsi accélérer la biodigestion.
Une fois établi, ce modèle de biodigesteur fournit du biogaz et de l’engrais sous forme de lisier sur une base continuelle. On a estimé que ce modèle peut produire environ 0,76 m3 (27 pieds cubes) de biogaz par jour et qu’il peut traiter tout le fumier de 2 vaches ou 10 porcs.
Mélanges de Lisier
Les biodigesteurs peuvent décomposer toutes sortes de matière organique, notamment le fumier animal. Les fumiers de poule, de vache et de porc sont couramment utilisés pour la production de biogaz parce qu’ils ont d’emblée un bon rapport C:N. Recueillez le fumier dans un récipient et écrasez-le pour en éliminer les gros morceaux (surtout lorsque vous utilisez du fumier sec). Ajoutez de l’eau et mélangez jusqu’à obtenir un lisier coulant dont la consistance permet de le verser dans le biodigesteur (environ 50 % d’eau et 50 % fumier). Selon la température ambiante et les mélanges de lisier, vous devrez attendre de sept à 10 jours pour que commence la production de biogaz.
Conseils et Astuces
La cuisson constitue l’utilisation la plus efficace du biogaz. L’efficacité de la cuisson est d’environ 33 % comparativement à environ 3 % pour l’éclairage. L’effluent du biodigesteur est un compost produit en anaérobie que l’on peut utiliser comme en- grais après l’avoir mélangé avec de l’eau dans un rapport compost:eau de 2:1 ou 3:1. Ce compost est aussi facile à sécher de sorte qu’il peut être pulvérisé et entreposé pour son utilisation ultérieure sous forme d’engrais sec.
Dans le cas des biodigesteurs à alimentation discontinue, il est recommandé de partir un deuxième biodigesteur environ 4 semaines après le premier de manière à obtenir un approvisionnement constant de biogaz. Peu importe le type de biodi- gesteur, il faut toujours maintenir le niveau du lisier dans le biodigesteur plus élevé que celui de l’orifice d’entrée et s’assurer que le biodigesteur soit toujours scellé afin d’éviter toute entrée d’air.
Références et Ressources
*A Chinese Biogas Manual,sous la direction d’Ariane van Buren, 1976.
**Livrets de la série Better Farming de la FAO #31 & #32
Practical Action (ITDG)
Journey to Forever
Dave Paxton’s Biogas Notes
Bio-Gas Plant, Ram Bux Singh, publié par Mother’s Print Shop, 1975.
Methane: Planning a Digester, Petter-John Meynell, publié par Shocken Books, 1978.
Improved Biogas Unit for Developing Countries by Sasse, Kellner, and Kimaro, by GATE.
Citez cet article comme:
Doerr, B. and N. Lemkuhl 2001. Methane Digester. ECHO Technical Note no. 44.