Novembre 2011 possible - segrafo.com

1 M thanisation et s chage en grange : Un couplage est-il possible ? Proc d nettement r pandu en Allemagne, la m thanisation la ferme a actuellement le vent en poupe en France. Depuis quelques ann es, les agriculteurs fran ais s y int ressent pour diverses raisons : trouver une solution la gestion des effluents d levage (sur les Bassins Algues Vertes notamment), diversifier les revenus de l exploitation ou bien encore optimiser au maximum l utilisation de l nergie sur la ferme (consommation et production). Mais quelles que soient les raisons, tous seront confront s aux m mes probl matiques et notamment celle qui nous int resse ici : utiliser au maximum la chaleur produite par le processus de cog n ration. Au-del de la volont personnelle d optimiser au mieux sa production d nergie et d viter le gaspillage, c est aussi l aspect conomique qui pousse les m thaniseurs trouver une solution pour valoriser la chaleur tout au long de l ann e.

2 Une prime est en effet accord e en fonction de l efficacit nerg tique de l unit de m thanisation. C est donc, en partie, pour pouvoir b n ficier de cette prime que certains se tournent aujourd hui vers le s chage en grange. Cette technique utilise de la chaleur au printemps et en t , lorsque la demande dans les r seaux traditionnels (chauffage de b timents d levage, de maisons,..) est faible, voire inexistante. Cette solution, qui peut para tre vidente de prime abord, demande cependant de mener une r flexion approfondie afin d estimer au plus juste le besoin r el en nergie d un s choir en grange (puissance, dur e,..) ainsi que les cons quences d un tel syst me sur le fonctionnement global de l exploitation. Les besoins en nergie d un s choir en grange de fourrages Le principe de fonctionnement d un s choir en grange est d taill dans les plaquettes du SEGRAFO et ne le sera donc pas ici.

3 L nergie utilis e dans les syst mes de s chage en vrac des fourrages Aujourd hui, en France, il existe entre 3 000 et 4000 unit s de s chage en grange de fourrages. La majorit d entre elles n a pas de syst me de r chauffage de l air mais 20 30 % utilisent un toit solaire comme source d nergie. D autres ont recours l utilisation de chaudi res fioul, gaz ou bois ou bien encore des panneaux photovolta ques. Dans l Ouest, on recense environ 125 s choirs en vrac qui, dans 90 % des cas, utilisent l nergie solaire pour le r chauffage de l air. Il s agit en fait d un double toit dont la partie sup rieure, de couleur sombre (noire, bleue ardoise, rouge brun), capte l nergie solaire et permet de r chauffer l air lorsque celui-ci passe entre les deux parois (cf. sch ma). On observe g n ralement une augmentation de la temp rature de l air de 5 10 C par rapport l air ext rieur.

4 Comment donne-t-on du pouvoir vaporatoire l air ? Le principe est le suivant : en augmentant la temp rature de l air, on diminue son humidit relative et on augmente ainsi son pouvoir vaporatoire, c est dire sa capacit capter l humidit du foin. Dans les syst mes de s chage en vrac, on recherche une augmentation de temp rature de seulement 5 6 C. En effet, le plus important est de s cher le foin sans que celui ne chauffe ou ne d veloppe de moisissures. En proc dant une accumulation progressive de couches de foin de 50 cm 2 m, le syst me ne n cessite pas un s chage haute temp rature. La production d nergie d un toit solaire Exemple Surface de toiture = 1 000 m Au printemps, on estime en moyenne la production d nergie gale 5 kW/m sur une journ e de 15 h d ensoleillement soit 5 000 kW / 1000 m On applique ensuite le rendement d efficacit d un capteur solaire, estim en moyenne 30 %.

5 On obtient alors une production d nergie de 1500 kW / 15 heures Et donc une production finale de 100 kWh pour 1 000 m de toiture On applique en g n ral la r gle de m de toit solaire pour 1 m de cellule Novembre 2011 Quel est le besoin en d bit d air ? Quelque soit le produit agricole s cher, la vitesse de l air doit se situer autour de 10 cm/s. Ainsi, si l on consid re une cellule de 100 m , le d bit devra tre de 10 m3 /s. S il est inf rieur, les risques d chauffement augmentent. S il est sup rieur, la vitesse de passage de l air dans le produit sera trop rapide et le temps de contact entre l air et le produit s cher sera alors trop faible pour capter suffisamment l humidit du foin. Quelle est la dur e de s chage du foin en vrac? Dans l Ouest, les p riodes de fauche s talent g n ralement entre Avril et Octobre, ce qui peut repr senter 4 5 coupes de foin s cher dans les cellules.

6 La dur e de s chage du fourrage varie en fonction de plusieurs param tres : le taux d humidit initial du fourrage rentr , les conditions climatiques pendant la p riode de s chage, la quantit de fourrage rentr e, les esp ces composant le fourrage,.. En revanche, on observe, quasi syst matiquement, deux p riodes de s chage : une premi re p riode de s chage en continu (jour et nuit) puis une p riode de s chage en ventilation fractionn e (par exemple : fonctionnement jour et arr t nuit ou quelques heures par jour aux moments les plus favorables,..). Les besoins en chaleur d un s choir en grange ne sont donc pas continus au cours de la saison. Par ailleurs, il faut prendre en compte le fait que l humidit relative de l air tant plus important la nuit, le pouvoir vaporatoire de celui-ci est beaucoup plus faible la nuit que le jour et que donc l efficacit du s chage est moindre la le calcul pr c dent, nous souhaitons montrer que, dans l hypoth se ou la chaleur produite par le m thaniseur la nuit (peu efficace en terme de s chage)pourrait tre stock e pour tre utilis e sur une dur e de 15 heures et non de 24 heures, la surface s chable pourrait tre augment e de 60 % (rapport 937 / 1500 = ).

7 Sur une p riode de s chage de 15h, on pourra donc s cher 160 m (au lieu de 100 m sur 24h). M thanisation et production d nergie Le principe de la m thanisation repose sur la digestion ana robie (absence d oxyg ne) de mati res organiques par des micro-organismes. La mati re organique utilis e se compose g n ralement de d jections animales, de r sidus de culture ou bien encore de d chets de collectivit s ou d industries agro alimentaires. Cette digestion conduit la formation d un biogaz d une part et d un digestat d autre part. Le biogaz produit est valoris , dans la majorit des cas, lors d un processus de cog n ration qui conduit la production d lectricit et de chaleur. Le rendement lectrique est dans ce cas de 35 %, celui de la chaleur peut atteindre 50% de l nergie primaire.

8 A noter qu environ 1/3 de cette chaleur produite est utilis e pour maintenir la temp rature du digesteur (de l ordre de 38 C dans la majorit des cas). Aujourd hui, en France, la taille des unit s de m thanisation la ferme pour des levages bovins se situe autour de 100 kW. M mento Pour lever d 1 C la temp rature d 1 m3 d air, il faut kcal. 1 kcal = kW Ou 1 kW = 860 kcal Si l on augmente de 1 C la temp rature de l air, on abaisse de 3 5% son humidit relative. Exemple de calcul pour une cellule de 100 m Pour r chauffer de 5 C , 10 m3/s d air : 10 m3/s 36 000 m3/h 36000 m3/h * 5 C * kcal = 54 000 kcal 54 000 / 860 kcal = 63 kW disponible au ventilateur Il faut ensuite prendre en compte le rendement du syst me de r chauffage de l air . Prendre en compte le temps de s chage discontinu Ex : Pour une cellule de 100 m et un gain de T de 5 C, on a calcul pr c demment que 63 kW sont disponibles au ventilateur.

9 Soit sur une p riode de s chage de 24 h : 63*24= 1 500 kWh Soit sur une p riode de s chage de 15 h : 937 kWh La composition du biogaz M thane 50-75 % Dioxyde de Carbonne 25-45 % Vapeur d eau 2-7 % Azote 0-2 % Hydrog ne 0-1 % Oxyg ne 0-2 % Hydrog ne sulfur 0-2 % L lectricit produite est ensuite inject e dans le r seau (cf. tableau tarifs de rachat). La chaleur, quant elle, peut tre utilis e de diff rentes mani res : chauffage de b timents d levage, des maisons voisines, eau chaude sanitaire,..Le probl me, comme nous l avons d j voqu en introduction, est que ces besoins en chaleur sont saisonniers : principalement en hiver. Ainsi, se pose la question de l utilisation de cette chaleur au printemps et en t . Cette valorisation repr sente en effet un enjeu important puisque l lectricit produite sera d autant mieux pay e que la chaleur d gag e par l unit sera utilis e au maximum.

10 Quel couplage possible entre une unit de m thanisation et une unit de s chage en grange ? Au vu de ce qui a t pr sent pr c demment, une premi re observation semble essentielle : la production de chaleur par un m thaniseur est continue alors que la demande en chaleur d une unit de s chage en grange est discontinue au cours de la saison. Cette source d nergie permet cependant un r chauffage de l air constant durant toute la journ e, quelles que soient les conditions d ensoleillement. La question du couplage devient alors int ressante du point de vue nerg tique. Nous l avons voqu , pour optimiser ce couplage, il serait int ressant de pouvoir stocker la chaleur produite la nuit. Le calcul nous a montr que nous pourrions alors augmenter la surface de s chage avec la m me unit de m thanisation.