Biodigesteur domestique

Low-tech Lab

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Biodigesteur_domestique

Dernière modification le 25/05/2018

Difficulté

Medium Moyen

Durée

2 day(s) jour(s)

Coût

500 EUR (€)

Description

Produire du gaz naturel combustible et du fertilisant à partir de nos déchets organiques

Sommaire

biogaz, gaz naturel, digestat, organique, méthaniseur, biodigesteur, pouvoir méthanogène, autonomie fr none 0

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Introduction

Un biodigesteur est une solution technique de valorisation des déchets organiques utilisée pour produire un gaz combustible (le biogaz) et un fertilisant (le digestat). La particularité du biodigesteur est que la dégradation est réalisé par des bactéries dans un milieu privé d’oxygène, on parle de fermentation anaérobique.

Le biogaz est un mélange de gaz contenant principalement du méthane, il peut être utilisé pour alimenter un bruleur de gazinière ou de chaudière ou bien comme combustible pour des moteurs.

La fermentation méthanogène qui se produit dans le biodigesteur existe dans la nature. C’est par exemple ce qui se produit dans les marais lorsque de la matière organique se décompose sous l’eau. Les feu-follets sont de petites torchères de biogaz.

La domestication du biogaz remonte au début du XIXe siècle et le nombre et la variété de biodigesteurs n’ont cessé de croitre depuis. Ils sont particulièrement présents dans les pays en développement de la ceinture tropicale où la petite paysannerie s’autonomise en énergie grâce à leur production de gaz avec leurs déchets organiques. La chaleur étant un catalyseur important de la fermentation, sous ces latitudes, de petites unités sont économiquement intéressantes.

En France et dans les pays développés, le coût de l’énergie étant très faible par rapport à celui de la main d’œuvre, peu de petits digesteurs existent. Cependant de nombreuses installations industrielles équipent les stations d’épurations et les grands élevages agricoles.

Il existe plusieurs types de biodigesteurs, continus ou discontinus, et avec des plages de production selon la température (psychrophile : 15-25°C, mésophile : 25-45°C ou thermophile : 45 – 65°C). Nous allons étudier les biodigesteurs continus mésophiles à 38°C, solutions les plus utilisées en zone tempérée.

 La caractéristique principale de ce système est sa ressemblance avec un système digestif. Tout comme lui, il cultive des bactéries, a besoin d’une certaine température pour être efficace et reçoit une alimentation régulièrement.

Dans un compost, en milieu aérobie, la décomposition des matières organiques conduit à la formation de gaz (H2S, H2, NH3) et à une production de chaleur importante. Seule la décomposition à l’abri de l’air conduit à la formation du méthane. C’est une des raisons pour laquelle la fermentation a lieu dans une cuve étanche.

Dans ce tutoriel nous allons étudier les différents éléments constituants un biodigesteur (circuit matière et circuit gaz) et comment l’utiliser.

Cette documentation réalisée avec l’association Picojoule retrace la fabrication d’un de leurs prototypes de micro-méthanisation, il ne permet pas l'autonomie en gaz de cuisson mais est une bonne introduction à la biodigestion. Le digesteur semi-enterré d'Hélie Marchand à Madagascar est de plus grande capacité : Biodigesteur

Les explications sont largement inspirées du travail de Bernard LAGRANGE dans ses ouvrages Biométhane 1 et 2, que nous vous recommandons vivement !

Ce travail est libre et ouvert, n’hésitez pas à le clarifier et le compléter de vos connaissances et expériences.

Matériaux

Circuit matière

• 1 Bidon 60 L
• 1 Bouchon 160 mm
• 1 Réducteur 160-100 mm
• 1 Réducteur 100-50 mm
• 1 mètre de tube PVC 50 mm
• 4 Coudes 45° 50 mm PVC MF
• 2 Raccords démontables 50 mm
• 2 Passes-parois 50 mm
• 2 Manchons MM 50 mm
• 1 Bouchon 50 mm PVC
• Colle PVC
• Décapant
• Pâte à joint plomberie

Circuit gaz

• 2 Ecrous plan 1/2’ pour passe-paroi gaz
• 1 lot de joints plan
• 1 Tube filté en 1/2’
• 1 Coude 1/2’ laiton MF
• 1 Raccord  FF 1/2’ écrou libre
• 1 Vanne Gaz 15x21 MM
• 1 lot de colliers de serrage
• 1 Tétine gaz 1/2’ F
• 5 mètres de tuyau de gaz
• 1 Filtre eau
• 1 Filtre soufre en bille d’argile
• 2 Vannes gaz
• 3 T tuyaux gaz
• 1 Raccord démontables air comprimé
• 1 Anémomètre
• 1 Réserve à eau souple 150L
• 1 Compresseur gaz
• 1 Gazinière
• 1 Tapis chauffant

Outils

• scie
• perceuse avec scie cloche
• coupe tube
• tournevis
• cutter
• compresseur

Étape 1 - Circuit matière - Digesteur

Dimensionnement

Pour une bonne digestion, à 38°C, la matière organique doit passer 30 jours dans le biodigesteur. Nous allons dimensionner le volume du digesteur en fonction des apports réguliers et de cette durée.

Prenons un exemple : l’apport périodique est de 2 litres par jour, la matière devant rester au moins 30 jours, il faut un digesteur de 60 litres minimum.

Réalisation

C’est dans le digesteur qu’a lieu la dégradation bactérienne. Pour avoir une production de méthane il faut des bactéries méthanogènes. Celle-ci se développent en absence d’oxygène, on parle d’un milieu anaérobique. Pour priver la matière organique d’oxygène il suffit de l’immerger dans l’eau.

• Faire deux trous en vis-à-vis dans le bidon digesteur. Ils doivent être au tiers de la hauteur,

• Insérer un passe-paroi matière préalablement graissé dans chacun des deux trous,

• Graisser l’intérieur des passe-parois matière,

• Positionner une plaque à l’intérieur du digesteur faisant la séparation entre l’entrée et la sortie. En laissant passer la matière au-dessous et au-dessus elle augmente le parcours de la matière et donc le temps de digestion minimum,

• Faire un trou dans l’opercule du couvercle pour installer un passe paroi gaz,

• Installer un passer un passe-paroi gaz au centre de l’opercule d’étanchéité du couvercle. Du téflon sur les filets et un joint plat de chaque côté permettent d’étanchéifier le montage,

• Enduire de graisse la collerette de l’opercule et refermer le couvercle, la graisse fait l’étanchéité, le couvercle maintient la pression,

• Installer une vanne après le passe-paroi gaz.

Étape 2 - Circuit matière - Entrée

C’est par l’entrée du système, sa bouche, que le biodigesteur est nourri. Le montage sera entièrement réalisé à blanc pour s’assurer de ses bonnes dimensions puis démonté et collé.

• Faire pénétrer un tuyau PVC dans l’une des ouvertures du digesteur, il est inutile qu’il rentre de trop, cela limite la circulation de la matière,

• Faire un angle à 90° en utilisant deux raccords 45°. Sur des petits diamètres de tube il est préférable d’avoir des angles doux. Un raccord à 90° est vite obstrué et bloque le transit,

• Réaliser la bouche à partir de tuyaux de grands diamètres, plus la bouche est large plus il est simple de nourrir proprement le digesteur. Une première fermentation a lieu dans la bouche, un couvercle dévissable ferme le tout,

• Relier la bouche au digesteur de manière à ce que celle-ci-soit plus haute et que la matière circule par gravité.

Étape 3 - Circuit matière - Trop-plein

Par analogie, le trop-plein représente le terminus du système digestif. A chaque fois que le système est nourri, un même volume de digestat quitte le biodigesteur. Pour faciliter l’entretien une sortie basse est réalisée. Elle permet de vidanger le digesteur.

• Faire pénétrer un tuyau PVC dans la seconde ouverture du digesteur, il est inutile qu’il rentre de trop, cela limite la circulation de la matière,

• Mettre un raccord Y,

• La partie horizontale est prolongée par un tube puis muni d’un bouchon, c’est la vidange,

• Faire remonter la deuxième branche jusqu’au haut du biodigesteur à l’aide de 3 manchons à 45°, toujours pour éviter d’obstruer le système,

• Un tube PVC part vers l’extérieur, c’est par là que se déverse le digestat,

• Le trop-plein est plus bas que le couvercle du digesteur, il permet de maintenir un « ciel gazeux » et de ne pas avoir de matière organique dans le circuit de gaz.

Étape 4 - Circuit matière - Collage et étanchéité

Si le système monté à blanc est satisfaisant il faut coller les éléments de PVC entre eux :

• Marquer chacun des raccords en faisant une croix sur la jonction, cela permet de remonter le système en respectant les alignements,
• Nettoyer les zones à coller,

• Coller à la colle PVC,

• Laisser sécher,

Il faut à la suite tester l’étanchéité :

• Boucher provisoirement la sortie du trop-plein (ex : chambre à air + collier de serrage), visser le couvercle d’entrée matière, visser le bouchon de vidange,

• Mettre le système sous pression à l’aide d’un compresseur en soufflant par la vanne gaz,

• Asperger les jonctions à l’aide d’un spray d’eau savonneuse, si des bulles se forment le collage n’est pas étanche, il faut le revoir.

Étape 5 - Chaleur et Isolation

Étape 6 - Circuit gaz

Étape 7 - Circuit gaz - Digesteur

Étape 8 - Le méthane

Le méthane, CH₄, est un carbure d’hydrogène de la famille C_nH_2n+2 tout comme le propane (C₃H₈) ou le butane (C₄H₁₀). Il est très léger (d=0,55), il ne s’accumule donc pas au sol, au contraire du butane et du propane et diminue les dangers d’explosions. Le gaz naturel est composé principalement de méthane.

Pour être liquéfié, en vue d’un transport plus commode, il doit être refroidi à -165°C ou comprimé à 400 bars. Cela n’est possible qu’avec des moyens industriels, on le conserve donc dans notre cas à l’état gazeux.

Par rapport à la masse, c’est le meilleur carburant sur le plan calorifique (12 000 Kcal/kg), mais c’est le plus volumineux.

Dans cette application, c’est le méthane qui nous intéresse, nous allons voir comment épurer le biométhane des autres composés.

Étape 9 - Le dioxyde de carbone

Étape 10 - La vapeur d’eau

Étape 11 - L’hydrogène sulfuré

Étape 12 - Circuit gaz - Stockage

Étape 13 - Circuit gaz - Retour de flamme

Étape 14 - Circuit gaz - Combustion

Étape 15 - Circuit gaz - étanchéité

Étape 16 - Utilisation du digesteur - Alimentation

Étape 17 - Ensemencement

Étape 18 - Digestat

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