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Calculateur – Bio, géo et hydrogène

Calculateur de biogaz : des intrants au méthane, aux kW électriques, à la chaleur et au digestat

Indiquez ce qui entre chaque jour dans le digesteur (lisier, fumier, ensilage, betterave ou biodéchets) et obtenez les volumes de biogaz et de méthane, la production électrique et thermique de la cogénération (ou le biométhane), la taille du digesteur, la charge organique et la rentabilité.

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Résultats

3 150 m³ de biogaz par jour (53 % de méthane) alimentent un moteur de cogénération d’environ 299 kWe pendant 8 000 h/an, qui produit 2,39 GWh d’électricité et 2,57 GWh de chaleur. La charge organique de 2,4 kg MV/m³·j se situe dans la fourchette habituelle de 1,5 à 4. Retour en ≈ 13,2 ans, mais le TRI (2,7 %) reste inférieur à votre taux d’actualisation de 6 % : il faut de meilleurs tarifs, des ventes de chaleur ou des intrants moins chers.
Puissance électrique de la cogénération
299kWe
2 201 456 kWh/an injectés
Production thermique
322kWth
1 929 MWh/an d’excédent après chauffage du digesteur
Production de biogaz
3 150m³/jour
1 150 milliers de m³/an
Teneur en méthane
52,7%
1 661 m³ de CH₄/jour
Énergie primaire (méthane)
5,98GWh/an
683 kW en continu
Volume du digesteur
2 520m³
60 jours de séjour · charge 2,45 kg MV/m³·j
Digestat
13 821t/yr
37,9 t/jour, dont 10 % de la masse convertie en gaz
Recettes annuelles
361 087 €
coût des cultures 175 200 €/an
Retour sur investissement
13 an 3 mois
capex 1 345 999 €
TRI
2,7%
Biogaz par intrant
Où va l’énergie du méthane

Ration d’intrants

Intrantst/jourPart de la masseDM %Biogaz m³/tCH₄ %Biogaz m³/jourPart du gaz
Lisier de bovins3071%10255575024%
Ensilage de maïs1229%33200522 40076%

Valeurs habituelles des intrants (par tonne de matière brute)

IntrantsMatière sèche %Matières volatiles % de la MSBiogaz m³/tMéthane %Biogaz m³/t MV
Lisier de bovins10802555313
Lisier de porcs6802265458
Fumier de bovins (solide)25806055300
Fientes / litière de volailles40758060267
Ensilage de maïs339520052638
Ensilage d’herbe359018054571
Betterave sucrière239013052628
Biodéchets (triés à la source)259014060622
  • Les rendements sont des valeurs moyennes de la littérature (FNR/KTBL). Les rendements réels varient de ±20 à 30 % selon la qualité de l’ensilage, la dilution du lisier, les pertes au stockage et le temps de séjour. Des essais BMP en laboratoire sur vos propres intrants valent la peine avant d’investir.
  • L’énergie du méthane utilise un PCI de 9,97 kWh/Nm³. Digestat ≈ masse entrante moins la masse de gaz dégagée ; il conserve pratiquement tout l’azote, le phosphore et le potassium des intrants.
  • De nombreux pays plafonnent les cultures énergétiques (limites de part de maïs, par exemple) ou ne rémunèrent que les déchets et effluents d’élevage : vérifiez la réglementation locale.

Comment fonctionne ce calculateur de biogaz

La digestion anaérobie transforme la matière organique en un mélange de méthane et de dioxyde de carbone, dans une cuve chauffée et étanche. La quantité de gaz obtenue dépend presque entièrement de ce que vous y mettez : un lisier aqueux contient peu de matière organique par tonne, alors que l’ensilage et les déchets alimentaires concentrent beaucoup d’énergie. Ce calculateur vous permet de composer une ration d’intrants à partir de huit matières courantes, puis suit l’énergie à travers l’installation :

  1. Biogaz et méthane de chaque intrant, d’après les rendements moyens de la littérature par tonne de matière brute et les teneurs en méthane types (FNR/KTBL) ;
  2. Énergie primaire contenue dans le méthane, après une petite perte par fuite ;
  3. soit un moteur de cogénération (électricité, chaleur, consommation électrique propre et chauffage du digesteur), soit une épuration en biométhane pour l’injection dans le réseau ;
  4. Dimensionnement du digesteur à partir du temps de séjour hydraulique, et charge organique qui en résulte ;
  5. Production de digestat et économie de l’installation, y compris l’achat de cultures énergétiques et les redevances perçues pour les déchets alimentaires.

Les formules

Biogaz (m³/jour) = Σ tonnes_i × rendement_i (m³/t de matière brute) Méthane = Σ biogaz_i × part de CH₄_i Énergie primaire (kWh) = CH₄ (m³) × 9.97 × (1 − fuite) Cogénération : électricité = primaire × η_el chaleur = primaire × η_th Taille du moteur (kWe) = électricité annuelle / heures à pleine charge Volume du digesteur (m³) = masse brute quotidienne (≈ t) × HRT (jours) OLR (kg MV/m³·j) = Σ tonnes_i × MS_i × MV_i × 1,000 / volume Digestat = masse entrante − masse de CH₄ et de CO₂ libérés

Exemple chiffré : lisier laitier et ensilage de maïs

L’unité par défaut digère 30 t/jour de lisier bovin (issu d’environ 500 à 600 vaches laitières) et 12 t/jour d’ensilage de maïs :

  • le lisier donne 750 m³ de biogaz par jour et le maïs 2 400 m³ : l’ensilage représente 29 % de la masse mais 76 % du gaz ;
  • au total, 3 150 m³/jour à environ 53 % de méthane, soit 1 660 m³ de méthane représentant 6,0 GWh par an (683 kW en continu) ;
  • un moteur de cogénération à 40 % de rendement électrique et 43 % de rendement thermique, tournant 8 000 h/an, est dimensionné à environ 300 kWe et produit 2,4 GWh d’électricité (2,2 GWh injectés après 8 % de consommation propre) et 2,6 GWh de chaleur ;
  • avec un temps de séjour de 60 jours, le digesteur doit faire environ 2 500 m³, pour une charge organique de 2,45 kg MV/m³·j, bien dans la plage stable ;
  • l’unité restitue environ 13 800 t de digestat par an aux champs.

Vendre l’électricité à 0,15 €/kWh et 40 % de la chaleur excédentaire à 0,04 €/kWh rapporte environ 360 000 € par an, mais acheter 4 380 t de maïs à 40 €/t coûte 175 000 €. À 4 500 €/kWe, l’unité est rentabilisée en 13 ans environ, avec un TRI inférieur à 3 %. C’est pourquoi la méthanisation agricole dépend des tarifs d’achat, des débouchés pour la chaleur ou d’intrants issus de déchets bon marché.

Comment lire les résultats

  • La puissance de cogénération / la production de biométhane donne la taille de l’installation.
  • Une teneur en méthane inférieure à 50 % suggère une ration pauvre en graisses et en protéines, ou des problèmes de procédé.
  • Charge organique : au-delà d’environ 4 à 4,5 kg MV/m³·j, le risque d’acidification et de moussage augmente ; en dessous de 1, le digesteur est plus grand que nécessaire.
  • Le diagramme des flux d’énergie montre quelle part de l’énergie du méthane devient de l’électricité et de la chaleur vendables ; la chaleur inutilisée est le principal levier économique.
  • Le tableau des intrants compare la part de chaque matière dans la masse et dans le gaz.

Valeurs habituelles

Intrant Matière sèche Biogaz (m³/t brute) Méthane
Lisier bovin 8–11 % 20–30 55–60 %
Lisier porcin 4–7 % 20–35 60–65 %
Fumier bovin (solide) 20–25 % 40–80 55 %
Fiente de volaille 30–50 % 70–90 60 %
Ensilage de maïs 30–35 % 170–230 52 %
Ensilage d’herbe 25–40 % 170–200 54 %
Betterave sucrière 20–25 % 120–140 52 %
Déchets alimentaires 15–30 % 100–200 58–62 %

Conseils pour améliorer la production et la rentabilité

  • Valorisez la chaleur. Vendre ou utiliser la chaleur excédentaire (séchage, serres, réseau de chaleur) peut ajouter 20 à 30 % aux recettes.
  • Codigérez des déchets. Les déchets alimentaires ou les résidus de culture augmentent la production de gaz et peuvent rapporter une redevance au lieu de coûter de l’argent.
  • Évitez la dilution. L’eau de pluie et les eaux de lavage dans les fosses à lisier réduisent le rendement par tonne et occupent du volume de digesteur.
  • Couvrez le stockage du digestat. Une couverture étanche au gaz récupère le gaz résiduel (souvent 5 à 10 % en plus) et réduit les émissions de méthane.
  • Une alimentation régulière en petites portions fréquentes garde les micro-organismes en bonne santé et la teneur en méthane élevée.

Limites

Les rendements sont des valeurs moyennes de la littérature ; les valeurs réelles varient de ±20 à 30 % selon la qualité de l’ensilage, les pertes au stockage, la dilution du lisier et le temps de séjour : des essais de potentiel méthanogène (BMP) en laboratoire sont recommandés avant d’investir. Le modèle suppose un digesteur mésophile infiniment mélangé, une alimentation constante toute l’année et une masse volumique de la matière brute d’environ 1 t/m³. Les besoins de chaleur saisonniers du digesteur, le traitement du sulfure d’hydrogène, le traitement du digestat et les autorisations ne sont pas modélisés. Les dispositifs de soutien et les plafonds sur les cultures énergétiques diffèrent d’un pays à l’autre.

Méthode et hypothèses

Biogaz = Σ (tonnes/jour × production habituelle de biogaz par tonne de matière brute) ; méthane = Σ biogaz × teneur en CH₄. Énergie primaire = CH₄ × 9,97 kWh/Nm³ × (1 − fuites). Cogénération : électricité = énergie primaire × ηél, chaleur = énergie primaire × ηth ; taille du moteur = électricité annuelle ÷ heures de fonctionnement à pleine charge. L’autoconsommation et le chauffage du digesteur sont déduits. Biométhane : volume de CH₄ épuré, moins l’électricité d’épuration. Volume du digesteur = masse brute quotidienne (≈ 1 t/m³) × temps de séjour ; charge organique = kg de matières volatiles par m³ et par jour. Digestat = masse entrante − masse de CH₄ et de CO₂ dégagée.

Questions fréquentes

Combien de biogaz produit une tonne de fumier ?
Par tonne de matière brute, on compte en général environ 20 à 30 m³ de biogaz pour le lisier bovin, 20 à 35 m³ pour le lisier porcin, 40 à 80 m³ pour le fumier bovin et 70 à 90 m³ pour la fiente de volaille. Les cultures énergétiques donnent bien davantage : environ 200 m³ par tonne d’ensilage de maïs et 170 à 200 m³ pour l’ensilage d’herbe.
Combien d’électricité produit 1 m³ de biogaz ?
Un biogaz à 55 % de méthane contient environ 5,5 kWh d’énergie par m³ (le méthane en contient environ 10 kWh/m³). Un moteur de cogénération en convertit 38 à 42 % en électricité, soit environ 2,0 à 2,3 kWh d’électricité et 2,3 à 2,5 kWh de chaleur utile par m³.
Combien de vaches faut-il pour une unité de méthanisation ?
Une vache laitière produit environ 50 à 60 kg de lisier par jour, soit près de 1,3 à 1,5 m³ de biogaz, de quoi fournir environ 0,12 kW électrique en continu. Une unité alimentée uniquement au lisier a donc besoin de plusieurs centaines de vaches pour une cogénération de 50 à 100 kW ; la plupart des unités agricoles ajoutent des cultures énergétiques ou des déchets alimentaires pour augmenter la production.
Quelle est la teneur en méthane du biogaz ?
En général 50 à 65 %, le reste étant surtout du dioxyde de carbone avec des traces de sulfure d’hydrogène, de vapeur d’eau et d’ammoniac. Les intrants riches en graisses et en protéines donnent davantage de méthane ; les cultures riches en glucides comme le maïs en donnent environ 52 %.
Que sont le temps de séjour hydraulique et la charge organique ?
Le temps de séjour est la durée moyenne pendant laquelle les intrants restent dans le digesteur (volume du digesteur ÷ apport quotidien), en général 20 à 30 jours pour du lisier et 60 à 100 jours avec des cultures énergétiques. La charge organique est la quantité de matières volatiles, en kilogrammes, apportée par m³ de digesteur et par jour ; 1,5 à 4 kg MV/m³·j est la plage normale pour les digesteurs infiniment mélangés.
Qu’est-ce que le digestat et quelle quantité en produit-on ?
Le digestat est ce qui reste après la digestion : un engrais riche en nutriments qui contient pratiquement tout l’azote, le phosphore et le potassium des intrants. Sa masse correspond aux intrants moins le gaz libéré, en général 85 à 95 % des intrants pour les unités à base d’effluents d’élevage.
Vaut-il mieux produire de l’électricité ou du biométhane avec le biogaz ?
Un moteur de cogénération est plus simple et convient aux exploitations qui ont des utilisateurs de chaleur à proximité. L’épuration en biométhane (retrait du CO₂ pour atteindre environ 97 à 99 % de méthane) permet d’injecter le gaz dans le réseau et de l’utiliser là où il a le plus de valeur (chauffage, industrie ou transport), mais elle demande une unité plus grande pour couvrir les coûts d’épuration, en général au-delà d’environ 250 à 500 m³/h de biogaz brut.

Sources et références

  1. FNR (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe) : Guide to Biogas: From Production to Use, 5th ed., 2010
  2. IEA Bioenergy Task 37 : Energy from Biogas
  3. IEA (2020). Outlook for biogas and biomethane: Prospects for organic growth
  4. KTBL : Gasausbeute in landwirtschaftlichen Biogasanlagen (rendements en biogaz des intrants agricoles)

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