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ADEME 1/111 Méthanisation dans la filière porcine Séparation de phases, séchage et normalisation d’un digestat Rapport final de projet Août 2010 Etude réalisée pour le compte de l’ADEME par l’IFIP - institut du porc Coordination technique : Julien THUAL – Service Prévention et Gestion des Déchets – Direction Consommation Durable et Déchets – ADEME (Angers)

Méthanisation dans la filière porcine - ademe.fr · déshydratation du digestat compte tenu d’une prime à l’efficacité énergétique qui devrait se porter à 40 vs 30 €/MWh

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Méthanisation dans la filière porcine

Séparation de phases, séchage et normalisation d’un digestat

Rapport final de projet

Août 2010

Etude réalisée pour le compte de l’ADEME par l’IFIP - institut du porc

Coordination technique : Julien THUAL – Service Prévention et Gestion des Déchets – Direction Consommation Durable et Déchets – ADEME (Angers)

Méthanisation dans la filière porcine Août 2010

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. L’ADEME EN BREF L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) est un établissement public sous la triple tutelle du ministère de l'Ecologie, du Développement durable, des Transports et du Logement, du ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche et du ministère de l’Economie, des Finances et de l'Industrie. Elle participe à la mise en œuvre des politiques publiques dans les domaines de l'environnement, de l'énergie et du développement durable. Afin de leur permettre de progresser dans leur démarche environnementale, l'agence met à disposition des entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics et du grand public, ses capacités d'expertise et de conseil. Elle aide en outre au financement de projets, de la recherche à la mise en œuvre et ce, dans les domaines suivants : la gestion des déchets, la préservation des sols, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables, la qualité de l'air et la lutte contre le bruit. www.ademe.fr About ADEME The French Environment and Energy Management Agency (ADEME) is a public agency under the joint authority of the Ministry for Ecology, Sustainable Development, Transport and Housing, the Ministry for Industry, Energy and Digital Economy, and the Ministry for Higher Education and Research. The agency is active in the implementation of public policy in the areas of the environment, energy and sustainable development. ADEME provides expertise and advisory services to businesses, local authorities and communities, government bodies and the public at large, to enable them to establish and consolidate their environmental action. As part of this work the agency helps finance projects, from research to implementation, in the areas of waste management, soil conservation, energy efficiency and renewable energy, air quality and noise abatement. www.ademe.fr Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (art. L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (art. 122-5) les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé de copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par la caractère critique, pédagogique ou d’information de l’œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L 122-10 à L 122-12 du même Code, relatives à la reproduction par reprographie.

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Table des matières

1 PRESENTATION GENERALE DU PROJET.................... ............................................................. 5

1.1 CONTEXTE ................................................................................................................................... 5 1.2 OBJECTIFS DU PROJET .................................................................................................................. 6 1.3 CADRE DE LA METHANISATION AGRICOLE........................................................................................ 6 1.4 TYPE ET DISPONIBILITE D’ENERGIE ISSUE DE LA CO-GENERATION..................................................... 7

2 LES DIFFERENTS PROCEDES DE DESHYDRATATION .......... ................................................. 7

2.1 INTRODUCTION ............................................................................................................................. 7 2.2 INTERETS DE LA PRE-CONCENTRATION DU PRODUIT A SECHER ........................................................ 8 2.3 LES PROCEDES DE PRE-CONCENTRATION....................................................................................... 9

2.3.1 La décantation ................................................................................................................. 10 2.3.2 Séparateurs mécaniques et physico-chimique................................................................ 10 2.3.3 Le pré-concentrateur Techno-one ................................................................................... 10 2.3.4 Conclusion sur la pré-concentration ................................................................................ 11

2.4 LE SECHAGE THERMIQUE : TECHNOLOGIE ET MISE EN ŒUVRE ........................................................ 11 2.4.1 Les sécheurs directs........................................................................................................ 12 2.4.2 Les sécheurs indirects ..................................................................................................... 14 2.4.3 Les sécheurs mixtes ........................................................................................................ 16 2.4.4 Les autres types de sécheurs.......................................................................................... 17 2.4.5 Les expériences de séchage en place en exploitation agricole ...................................... 19 2.4.6 Etude comparative des coûts des différents types de sécheurs ..................................... 23

2.5 BILAN SUR LES TECHNOLOGIES DE SECHAGE THERMIQUE ............................................................. 25

3 EXEMPLES DES FICHES PROCEDES ET CONSTRUCTEURS SUR LES DIFFERENTS PROCEDES DE DESHYDRATATION......................... ......................................................................... 26

3.1 PRESENTATION DE LA METHODE D’ELABORATION DES FICHES DE PROCEDE.................................... 26 3.2 PRESENTATION DE LA METHODE D’ELABORATION DES FICHES CONSTRUCTEURS............................. 28 3.3 BILAN SUR L’ENSEMBLE DES FICHES PROCEDE ET CONSTRUCTEURS .............................................. 31 3.4 PROCEDES DE SECHAGE ADAPTES A LA METHANISATION ............................................................... 32

4 COMPOSITION DES DIGESTATS BRUTS, SECS ET DES ISSUES DE SEPARATION DE PHASES................................................................................................................................................ 35

4.1 OBJECTIFS ................................................................................................................................. 35 4.2 COMPOSITION DES DIGESTATS ET DE LEURS CO-PRODUITS SELON LE TYPE D’INTRANTS ET DE POST-TRAITEMENTS ...................................................................................................................................... 35

4.2.1 Recueil d’analyses chimiques.......................................................................................... 35 4.2.2 Taux de capture des séparateurs de phases .................................................................. 36

4.3 SIMULATION DE COMPOSITION DE DIGESTAT ET DE SES ISSUES...................................................... 37 4.4 NORMES ENVISAGEABLES POUR LES ISSUS DE DIGESTATS SECS ET PERSPECTIVES ........................ 39 4.5 SYNTHESE ET PERSPECTIVES SUR LES NORMES APPLICABLES AU DIGESTAT................................... 42

5 SIMULATIONS TECHNICO-ECONOMIQUE.................... ........................................................... 42

5.1 METHODOLOGIE.......................................................................................................................... 42 5.2 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET FINANCIERES DES UNITES DE METHANISATION ....................... 43

5.2.1 Les co-substrats............................................................................................................... 43 5.2.2 L’unité de production et de valorisation du biogaz .......................................................... 43 5.2.3 Stockage du digestat brut et des co-produits issus de la déshydratation ....................... 43 5.2.4 Financements, subventions et durée de vie des équipements ....................................... 44 5.2.5 Les dépenses et recettes annuelles d’exploitation .......................................................... 45

5.3 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET FINANCIERES DES UNITES DE TRAITEMENT DU DIGESTAT ........ 45 5.4 INDICATEURS ECONOMIQUES ET FINANCIERS ................................................................................ 46 5.5 RESULTATS ET DISCUSSIONS ....................................................................................................... 46

5.5.1 Analyse du Temps de Retour Brut sur investissement (TRB)......................................... 47 5.5.2 Analyse du Taux de Rentabilité Interne (TRI) ................................................................. 48 5.5.3 Le coût du traitement ....................................................................................................... 49 5.5.4 Analyse de la Valeur Actualisée Nette (VAN).................................................................. 50

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5.5.5 Conclusion sur les simulations technico-économique..................................................... 51

6 EXPERIMENTATION SUR UN PROTOTYPE DE SECHOIR...................................................... 52

6.1 CHOIX DU PROTOTYPE A METTRE EN PLACE.................................................................................. 52 6.2 PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DU PROTOTYPE ......................................................................... 53 6.3 DIMENSIONNEMENT DU PROTOTYPE ............................................................................................. 53 6.4 COTES ET SCHEMA DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL ........................................................................ 54

6.4.1 L’unité de séchage sur tapis perforé ............................................................................... 54 6.4.2 Le pré-concentrateur ....................................................................................................... 55

6.5 DIFFICULTES RENCONTREES........................................................................................................ 55 6.6 RESULTATS DES ANALYSES DU DIGESTAT ..................................................................................... 55

6.6.1 Description des essais réalisés ....................................................................................... 55 6.6.2 Caractéristique de l’air ..................................................................................................... 56 6.6.3 Evolution de la composition du digestat lors du séchage................................................ 60

6.7 CONCLUSIONS SUR LES ESSAIS EN STATION EXPERIMENTALE ........................................................ 67

7 CONCLUSION GENERALE................................ ......................................................................... 68

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................................... 70

LISTE DE TABLEAUX.................................. ........................................................................................ 71

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................ ........................................................................ 72

ANNEXES ............................................................................................................................................. 73

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1 Présentation générale du projet

1.1 Contexte 1 Sur fond de changement climatique et d’épuisement des ressources en énergie fossile, la méthanisation agricole présente un intérêt croissant. La réduction des gaz à effet de serre et la production d’une énergie renouvelable sont, en effet, des atouts déjà bien connus de ce procédé. La possibilité de bénéficier d’une source d’énergie thermique renouvelable peut, en outre, contribuer notablement à la résorption des excédents de lisier. Avec la spécialisation des bassins de production animale, la filière porcine s’est concentrée dans le grand ouest, Bretagne et Pays de la Loire notamment, représentant ainsi 66 % de la production nationale. Cette concentration d’élevages a entraîné des obligations de traitement (plus de 400 installations en Bretagne en 2008) afin de réduire les excédents d’éléments fertilisants provenant du lisier. Plus des ¾ de ces installations correspondent à du traitement biologique avec séparation de phases. Ce procédé présente l’inconvénient de détruire l’azote (élément fertilisant de plus en plus coûteux à produire) et ne permet pas la résorption des éléments solubles (K, Na). En outre, les techniques de recirculation des boues en tête de traitement, utilisées de manière croissante compte tenu de contraintes plus sévères sur le phosphore, aboutissent à une fraction solide qui ne répond pas totalement aux critères réglementaires de mise en marché. Les refus solides, plus humides et moins poreux, sont bien moins compostables ce qui engendre des conditions d’hygiénisation peu favorables. Compte tenu de la composition des tarifs d’achat de l’électricité, la méthanisation agricole s’oriente, en France, essentiellement vers de la co-génération. A ce titre, l’utilisation de la chaleur, à des fins de déshydratation du digestat, et dans une moindre mesure d’un refus de séparation de phases, pourrait constituer une solution de traitement durable des excédents. Cette voie devrait pallier aux inconvénients cités précédemment : conservation de l’azote, gestion de l’intégralité des éléments fertilisants, respect des normes réglementaires d’exportation de la fraction solide (innocuité et stabilisation du produit organique). Quelques interrogations demeurent toutefois concernant la composition chimique de cette fraction solide. La diversité des co-substrats organiques pouvant être méthanisés va entraîner une forte variabilité de cette composition et impacter sur les conditions d’accessibilité aux rubriques NFU soit 42 001, soit 44 051. Ainsi, la fraction solide issue de la séparation de phases d’un digestat devrait fournir plutôt des amendements organiques lorsque les intrants initiaux contiennent une forte proportion d’éléments fibreux (fraction cellulosique difficilement dégradable, lignine,…). Leur teneur modérée en N, P2O5 et K2O leur permettra de respecter les critères de la norme NFU 44-051 avec moins de 3 % de la matière brute pour chacun d’entre eux et moins de 7 % pour la somme des trois. Dans le cas de la déshydratation d’un digestat, les éléments minéraux de la phase liquide, notamment l’azote, le phosphore et le potassium vont se retrouver concentrés dans l’unique fraction solide. Ces teneurs seront, de plus, accentuées par l’utilisation possible d’intrants riches en azote (ex : produits carnés issus d’abattoirs) et/ou riches en phosphore. Afin d’éviter toutes confusions auprès des utilisateurs et ainsi pérenniser les filières d’exportation et de valorisation de ces co-produits, il est indispensable de dresser une typologie des intrants pouvant impacter leur appartenance à telle ou telle rubrique. En résumé, il existe, pour les filières animales, une véritable synergie entre méthanisation agricole et résorption des excédents. Le traitement, qui ne générait jusqu’à présent que des coûts, pourrait se financer partiellement ou totalement par la vente d’électricité et une meilleure valorisation du co-produit. Une initiative s’appuyant sur cette idée a dernièrement vu le jour dans un élevage de 700 truies naisseur-engraisseur à Herzeele (59). Cette filière de traitement : méthanisation associée à de la déshydratation et exportation de la fraction solide, présente tous les atouts d’une gestion durable des éléments fertilisants en zone d’élevage intensive. Elle devrait se développer, non seulement dans le grand ouest mais aussi dans les zones où les plans d’épandage sont fragilisés pour des raisons d’acceptabilité sociale. En terme de marché et compte tenu du projet de nouvelle tarification qui se profile (mars 2011), toutes les tailles d’installations (en terme de puissance électrique installée) devraient être concernées par la

1 Ce rapport est basé sur la tarification de 2006 concernant la méthanisation agricole. Lors de la rédaction de ce

rapport, une révision des tarifs est en cours.

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déshydratation du digestat compte tenu d’une prime à l’efficacité énergétique qui devrait se porter à 40 vs 30 €/MWh él. La suppression du chauffage du digesteur de l’assiette d’éligibilité à l’efficacité énergétique va, en outre, inciter davantage les porteurs de projet à optimiser l’utilisation de chaleur vers de telles voies de valorisation énergétique (celles existantes aujourd’hui sont généralement insuffisantes par rapport à l’énergie thermique produite), et quand cela se justifie.

1.2 Objectifs du projet Le contexte décrit précédemment montre que la déshydratation du digestat se base sur des techniques émergentes. Les indicateurs économiques des différents scénarios mis en jeu sont fragilisés par une réelle méconnaissance des références techniques et économiques. Les premiers projets résultent généralement d’une juxtaposition de technologies empruntées à d’autres filières et vont occasionner des coûts de mise au point non négligeables. Ainsi, les objectifs poursuivis par ce projet seront principalement de fournir des références techniques et économiques fiables sur les systèmes de déshydratation de digestat et de la fraction solide issue de séparation de phases. Elles nous permettront, dans un second temps, de simuler l’impact sur la profitabilité (ou le coût) d’un couplage méthanisation et résorption des excédents. Enfin la mise en place d’un prototype à la station expérimentale de l’IFIP à Romillé permettra d’acquérir des références sur le système de séchage qui semble le plus adapté au contexte de la méthanisation agricole. Ainsi, cette synthèse se décompose principalement en 3 volets :

- une étude bibliographique et prospective sur les technologies, les rendements et les coûts des systèmes de séchage qui pourraient présenter un intérêt pour les digestats ou les refus de séparation de phases qui en sont issus ;

- une synthèse sur des simulations technico-économiques des principaux systèmes de séchage disponibles sur le marché. (Analyse de l’intérêt économique de plusieurs scénarios incluant la faisabilité technique et caractérisant la composition du/des substrats séchés) ;

- une synthèse sur les résultats des essais réalisés sur un prototype de séchoir installé à la station expérimentale de l’IFIP à Romillé.

1.3 Cadre de la méthanisation agricole L’énergie thermique produite par l’unité de méthanisation permet d’envisager la déshydratation, soit du digestat directement, soit d’une fraction solide après une première séparation de phases mécanique. Cette seconde option est bien moins énergivore que la première mais s’adresse à de petits excédents car elle ne permet d’exporter que peu d’azote. En effet les techniques de filtration et de décantation centrifuge sont inopérantes sur les éléments solubles or la méthanisation accentue la minéralisation de l’azote (et autres éléments) déjà majoritairement soluble dans les déjections animales liquides. Il existe déjà quelques exemples de déshydratation d’effluents porcins (Cf. Partie 2.4.5) :

- soit directement sur du lisier d’engraissement avec le procédé « Techno-one » (environ 8 à 10 installations dans le grand ouest en 2009). Ces installations sont coûteuses au regard de leur capacité de séchage car elles utilisent l’air extrait des porcheries.

- soit sur du digestat, comme le fait la SCEA les 3 chênes à Herzeele (59). Dans ce cas, la chaleur dégagée par l’unité de méthanisation (250 kW) permettrait de déshydrater la totalité du digestat (14-16 000 m3 / an).

Dans les 2 cas, il est utilisé un pré-concentrateur permettant d’augmenter de 5 à 15 % environ la teneur en matière sèche de l’effluent liquide. Ce concentrat est ensuite envoyé sur des tapis de séchage (dont le process est issu de la filière avicole) en mélange avec une fraction solide déjà séchée. Il en résulte un produit titrant plus de 70 % de matière sèche. Outre ces procédés à l’état pratiquement de pilote, il existe dans le milieu industriel différents systèmes de déshydratation pour des effluents liquides, semi-liquides et solides, et pour lesquels, une synthèse est proposée dans ce rapport.

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1.4 Type et disponibilité d’énergie issue de la co- génération La co-génération se caractérise par la production simultanée d’énergie électrique et d’énergie thermique. Cette technique permet d’obtenir des rendements de l’ordre de 85 %. Ainsi, pour 100 kWh d’énergie servant à faire fonctionner le co-générateur, seulement 15 kWh seront perdus lors du process (autoconsommation). La Figure 1 résume le fonctionnement d’un co-générateur et les quantités d’énergie qu’il fournit (exprimé en pourcentage de l’énergie primaire).

Figure 1 : Disponibilité énergétique lors d'un processus de co-génération Il y a donc 40 % de l’énergie primaire qui est disponible sous forme de chaleur et 10 % de l’énergie primaire qui est perdue dans les gaz d’échappements. Cependant, une partie de l’énergie thermique doit nécessairement servir à entretenir le processus de digestion anaérobie mésophile en chauffant le digesteur à 38°C. Les besoins énergétiques du diges teur sont variables en fonction du climat, du type, de la taille et de l’isolation du digesteur et enfin des intrants. Il reste tout de même une source importante d’énergie thermique disponible pour sécher le digestat. Dans les unités de méthanisation existantes, tant en Allemagne qu’en France, cette énergie thermique se présente sous la forme d’eau chaude à 80 °C. Tou tefois, certain constructeurs proposent de produire de l’énergie thermique sous forme de vapeur en surpression en perdant une partie du rendement thermique. En effet, pour faire passer 1 kg d’eau de l’état liquide à l’état de vapeur il faut compter 2257 kJ supplémentaire pour le changement d’état (eau � gaz). Les gaz d’échappements, sur lesquels une partie de la chaleur est récupérée sortent tout de même à plus de 300°C après récupération de la chaleur (com . personnelle MéthaFrance). Cependant, il faut veiller au surcoût engendré soit par la récupération de plus d’énergie au niveau des gaz d’échappements soit pour la production de vapeur en surpression. D’une manière générale, quelque soit la forme de l’énergie thermique utilisée (eau, gaz d’échappements, etc.), la quantité disponible au départ ne varie pas.

2 Les différents procédés de déshydratation

2.1 Introduction Le développement des procédés de déshydratation du digestat est fragilisé par une réelle méconnaissance des références techniques et économiques sur ces technologies. Les installations de séchage déjà présentes dans des exploitations françaises résultent généralement d’une juxtaposition de technologies empruntées à d’autres filières. Ainsi, les tapis de séchage, par exemple, proviennent à l’origine de la filière avicole où ils sont utilisés pour la déshydratation des fientes. Cette partie du rapport a donc pour objectif de fournir des références techniques et économiques fiables sur les systèmes de déshydratation de digestat et de la fraction solide issue de la séparation de phases. Ces références existent sous forme de fiches constructeurs, destinées avant tout aux

Energie primaire sous forme de biogaz

Co-générateur 35 % d’électricité produite

50 % d’énergie thermique utile

15 % d’énergie perdue 30 % d’énergie thermique sous forme d’eau chaude à

80 °C récupérée lors du refroidissement du moteur 20 % de l’énergie

évacuée dans les gaz d’échappements

10 % d’énergie récupérée sous forme d’eau chaude à 80°C

dans les gaz d’échappements

10 % d’énergie perdue dans les gaz

d’échappements

Energie disponible pour être valorisée

Energie disponible pour être valorisée

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éleveurs de porc mais aussi aux différentes instances administratives, financières et décisionnelles sur les possibilités de déshydrater le digestat à des fins de résorption des excédents. En outre, ce recueil d’informations constitue une base nécessaire pour la réalisation des scénarios technico-économiques sur le couplage méthanisation/résorption (Cf. Partie 5). Cette synthèse reprend en partie les éléments de la synthèse bibliographique rédigée dans le cadre de ce projet par l’IFIP en Août 2009 et exploite les résultats des 6 mois de recherche effectués dans le cadre du mémoire de fin d’étude d’Alexandre RUGANI.

2.2 Intérêts de la pré-concentration du produit à s écher Le séchage du digestat a pour but d’éliminer par évaporation ou vaporisation l’eau qui en est le constituant majoritaire (85-90 %). Il est alors nécessaire de distinguer 2 types d’eau :

- l’eau libre : c’est l’eau qui est faiblement absorbée par le digestat. Elle s’élimine principalement par déshydratation mécanique.

- l’eau liée : ce type d’eau est chimiquement attachée par des liaisons aux éléments (particules, bactéries, etc.) présents dans le digestat. Il faut un apport massif d’énergie pour rompre ces liaisons et cet apport s’effectue à travers un procédé de séchage.

Pour évaporer l’eau d’un digestat l’énergie nécessaire est importante. Cette quantité d’énergie peut être optimisée par l’intermédiaire d’un procédé de séparation solide/liquide ou par déshydratation dite mécanique en tête de l’unité de déshydratation. Ainsi, à l’issue d’un prétraitement, le digestat peut atteindre une teneur en matière sèche d’environ 15 à 20 %. Dans le cadre de la méthanisation agricole, bien que l’énergie fournie puisse être conséquente, elle ne peut jamais être suffisante pour déshydrater la totalité du digestat produit de 10 à 70 % de MS (cette valeur permettant d’assurer une certaine stabilité biochimique du produit organique obtenu) et ce, malgré la présence d’un procédé de pré-concentration. Prenons, par exemple, 1 m3 de lisier à 5 % de MS : Le pouvoir méthanogène du lisier est de 20 m3 de biogaz par m3 de lisier brut à 60 % de méthane (Solagro, 2006) soit 12 m3 de méthane. Avec un PCI2 de 9,94 kWh / m3 de méthane (Site Internet, Méthanisation.info), 1 m3 de lisier peut donc produire 9,94 x 12 = 119,28 kWh. Or, en supposant des conditions de séchage parfaites, c’est à dire que l’intégralité de l’énergie fournie sous forme de chaleur est utilisée pour le séchage (sans aucune perte), 119,28 kWh permettraient d’évaporer 164,5 kg d’eau. Ainsi, l’énergie disponible en méthanisant 1 m3 de lisier permettrait de passer de 5% à seulement 6% de MS. Sur la base de ce raisonnement et dans le cadre d’une co-digestion bien plus fermentescible, produisant par exemple 150 m3 de biogaz à 60 % de méthane, l’énergie disponible permettrait de passer un m3 de digestat de 10 à 28,5 % de MS3. Il semble alors nécessaire de distinguer deux étapes dans la déshydratation d’un digestat pour limiter les besoins énergétiques et être en mesure de déshydrater une quantité significative de digestat :

- une pré-concentration mécanique et/ou thermique ; - une phase de séchage thermique.

Les pré-concentrateurs mécaniques permettent de limiter la quantité d’énergie thermique nécessaire à la déshydratation en évacuant une fraction de la partie liquide, le gain énergétique est alors évident. Cependant, les pré-concentrateurs thermiques permettent également de réduire les besoins énergétiques. En effet, le pré-concentrateur techno-one4 par exemple, permet d’optimiser le bilan énergétique de l’installation. Avec cette technique, l’air ayant servi à sécher le lisier est alors utilisé pour pré-concentrer le produit à sécher. Ainsi, le procédé optimise chaque m3 d’air afin qu’il vaporise un maximum d’eau (Cf. 2.4.5).

2 PCI = Pouvoir calorifique inférieur = quantité d’énergie libérée lors de la combustion du produit.

3 L’ajout d’intrants très fermentescibles implique une augmentation de la MS de départ du digestat. 3 Société filiale de Glon-Sanders proposant un système de déshydration du lisier avec un pré-concentrateur (technologie détaillée dans la suite du rapport).

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La Figure 2 présente les différentes étapes successives nécessaires à la déshydration du digestat en valorisant l’énergie thermique issue de la méthanisation agricole. Figure 2 : Schéma de fonctionnement d'une unité de déshydratation sur une installation de méthanisation Remarque : A la suite de l’étape de pré-concentration, la teneur en MS ne dépasse pas les 15 % afin que le produit demeure pompable.

2.3 Les procédés de pré-concentration A la sortie du méthaniseur le digestat a un taux MS inférieur à celui des intrants introduits (Chambres d’agriculture des Pays de la Loire, Avril 2009). En effet, suite à la digestion, la quasi totalité de la fraction facilement dégradable de la matière organique a été minéralisée ce qui induit une perte d’environ 50 % du carbone (sous forme de CH4 et CO2) alors que les éléments fertilisants tels que N, P et K demeurent. Cependant, il est difficile d’obtenir une teneur en MS moyenne du digestat puisqu’elle varie en fonction du type d’intrants et de leur dégradabilité D’après S. Dûtremée de la société MéthaFrance, à la sortie du digesteur le digestat est à environ 10 % de MS (pour une ration entrante à 20 % de MS), or, l’énergie thermique disponible à l’issue du processus de méthanisation, bien qu’importante, est insuffisante pour le déshydrater en totalité. Ainsi, comme le montre l’exemple précédent, même avec 1 m3 de substrat qui produirait 150 m3 de biogaz, l’énergie disponible permettrait de passer de 10 à 28% de MS seulement. C’est pourquoi, afin de limiter les quantités d’énergie nécessaires à la déshydratation du digestat une première étape de pré-concentration ou d’épaississement est nécessaire. Outre l’importance énergétique, cette étape permet de réduire le volume de digestat à déshydrater et donc de la taille de l’installation. La pré-concentration facilite également la mise en œuvre du process de séchage. Il faut toutefois veiller à ne pas dépasser une valeur de siccité rendant impossible le pompage du digestat (15%) pour permettre le bon déroulement des process de déshydratation. Il existe alors trois principaux types de séparation solide/liquide : mécaniques, physico-chimiques. L'efficacité des séparateurs varie selon les propriétés chimiques mais surtout physiques du digestat. En général, plus le digestat à une forte granulométrie et plus la séparation devient aisée. En effet, plus les particules solides sont fines, plus elles sont en suspension ou dissoutes et plus elles sont difficiles à séparer.

Intrants : lisier et co-produit

20 % de MS

Bio-méthaniseur

Digestat 10 % de MS

Biogaz

Co-générateur

Chaleur sous forme d’eau chaude à 80 °C et de gaz d’échappements

à 800°C

Electricité

Procédé de pré-concentration

Digestat 15 % de MS

Procédé de déshydration

Digestat 70 % de MS

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2.3.1 La décantation C’est la méthode la plus connue et la moins onéreuse. Le principe est extrêmement simple : les particules solides étant plus denses, se retrouvent au fond de la fosse. En pompant le surnageant seulement et sans brassage, une fraction solide s'accumule au fond de la fosse. Il faut ensuite sortir le solide, qui demeure pompable. Cette technique a l’avantage du coût avec un investissement inférieur à 0,15 € / m3 de lisier. Par contre, la teneur en matière sèche des sédiments est à peine plus élevée que la valeur moyenne de l’effluent. D’autre part, le taux de capture des éléments fertilisants demeure médiocre.

2.3.2 Séparateurs mécaniques et physico-chimique Les séparateurs mécaniques regroupent les presses à vis, les décanteurs-centrifuges, les tamis vibrants, les tamis tangentiels, les pressoirs rotatifs, etc. Comme pour les autres séparateurs, ce procédé est conservatif des éléments fertilisants, par contre le taux de capture dans la fraction solide est très variable selon le dispositif. Pour un lisier de porc charcutier par exemple, le taux de capture de l’azote va de 8 à 20 % et celui du phosphore de 15 à 75 % pour respectivement une vis compacteuse et une décanteuse-centrifuge. Pour un digestat, ces taux d’abattement devraient être inférieurs compte tenu de la minéralisation des éléments. Ils devraient également dépendre de la nature des intrants. A ces séparateurs de phases peut s’ajouter l’emploi de floculants (type sels de fer ou d’alumunium) et coagulants (type polymères cationiques). Ils permettent d’agréger les colloïdes et particules fines en suspension qui habituellement ne sont pas retenus par les séparateurs mécaniques, améliorant ainsi leurs performances épuratoires. Ainsi, le taux de capture du phosphore d’un lisier de porc passe de 75 à plus de 90 voire 95 % avec l’ajout de tels additifs. Les inconvénients majeurs de ces techniques sont d’une part le coût notable de ces produits (plus d’1 € / m3 d’effluent traité), la qualité de la fraction solide qui demeure humide et pâteuse (difficilement compostable) et se pose la question du devenir de ces additifs dans les sols.

2.3.3 Le pré-concentrateur Techno-one Cette technique consiste à faire passer de l’air issu des bâtiments d’élevage et ayant préalablement servi à sécher le lisier sur les tapis de séchage à travers un rideau de lisier frais (Cf. Figure 3).

Figure 3 : Schéma de fonctionnement du pré-concentrateur techno-one Un moteur actionne en continu un mouvement de rotation d’un tapis perforé (1). Ce tapis remonte le lisier frais qui percole (2). Par dépression, l’air chaud passe à travers le tapis et par conséquent le lisier (3). L’air chargé d’humidité est alors évacué vers l’extérieur (4). Enfin, le lisier à 6 % de MS

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chargé par batch dans la cuve (5) y séjourne jusqu’au moment où le niveau est suffisamment bas, c’est à dire que le lisier a perdu en volume, il est donc pré-concentré jusqu’à 15 % de MS. Ensuite, le lisier pré-concentré est pompé pour être envoyé sur des tapis de séchage (Cf. Partie 2.4.5), un nouveau cycle peut alors débuter. Ce système à l’avantage de pré-concentrer sans avoir de fraction liquide à gérer par la suite puisque l’eau est directement évacuée via l’extraction d’air. Il permet de passer d’une fraction liquide de 6-7% de MS à 15 % (com. personnelle Hervé Videlot : Glon-Sanders). De plus, cette technique utilise l’air ayant préalablement servi à sécher le lisier au niveau des tapis de séchage. Or, cet air est rarement chargé à 100 % d’humidité et possède encore un pouvoir séchant. En utilisant cet air pour pré-concentrer le lisier il y a un gain énergétique puisque d’une part la surface d’échange est augmentée (tapis de séchage + pré-concentrateur) et d’autre part le temps de séchage se trouve rallongé.

2.3.4 Conclusion sur la pré-concentration En définitive, la pré-concentration du digestat semble nécessaire, tant d’un point de vue énergétique que économique puisqu’elle permet de réduire les volumes à traiter. De plus, les procédés de séchage direct existant nécessitent d’avoir un produit à déshydrater dont la teneur en matière sèche est généralement supérieure à 15 %. Dans le procédé précédemment exposé, il semblerait que la solution Techno-one soit la plus adaptée. Elle permet de pré-concentrer suffisamment le digestat mais également d’en évacuer l’eau contrairement aux autres techniques qui impliquent une gestion de la phase liquide qui sera tout de même à déshydrater ou à gérer sur site. L’inconvénient réside toutefois dans la volatilisation de l’ammoniac qui nécessite un lavage d’air en aval du procédé. L’agence de l’eau Loire-Bretagne a cependant autorisé l’utilisation de ce mode de déshydratation sans lavage d’air jusqu’à 15 000 kg N entrant annuellement.

2.4 Le séchage thermique : technologie et mise en œ uvre De manière générale, il n’existe aujourd’hui en France, qu’un seul procédé de séchage de digestat. Il utilise une technologie dérivée de la déshydratation des fientes de volaille sur tapis de séchage. Dans la même gamme de technologies appliquées à l’élevage, le procédé Techno-one utilise les tapis de séchage pour déshydrater du lisier brut (Cf. Partie 2.4.5). D’autres techniques de séchage sont cependant utilisées pour le traitement des boues d’épuration issues des industries pharmaceutiques et agro-alimentaires. Cette partie du rapport propose un aperçu des technologies de déshydratation existantes et pouvant être utilisées pour le séchage du digestat. A l’heure actuelle, les procédés existants reposent tous sur le principe d’un apport énergétique pour fournir l’énergie nécessaire à l’évaporation de l’eau. L’apport d’énergie s’effectue de trois manières différentes selon la technologie du sécheur retenue.

- Séchage par conduction : l’énergie thermique nécessaire au chauffage est apportée par contact avec une paroi chauffée ; les vapeurs dégagées par le produit durant le séchage sont aspirées ou entraînées par un gaz de balayage qui est souvent de l’air.

- Séchage par convection : le produit à sécher est mis en contact avec un gaz chaud. Ce mode de séchage est le plus utilisé car il permet un transfert simultané de chaleur et de masse, c’est à dire que l’eau est directement évacuée via le gaz chaud. Le fluide sécheur utilisé habituellement est l’air chaud.

- Séchage par rayonnement : pour le séchage thermique, les techniques d’énergies radiantes utilisées (UV, IR) permettent d’obtenir un séchage de très bonne qualité (concernant le taux de MS obtenu) lorsque le produit le permet, et de réduire considérablement les dépenses liées au poste énergie (l’électricité est, en France, l’énergie la moins chère du marché dans les processus de séchage puisque 1kWh electrique = 1kWh thermique).

Dans le cadre de la méthanisation agricole, la co-génération étant généralement l’orientation choisie compte tenu des tarifs d’achat de l’électricité, l’énergie disponible se présente sous la forme d’eau chaude à 80°C. Il est alors possible d’exclure l’en semble des techniques de séchage par rayonnement (radiantes) qui prennent leurs sources énergétiques dans l’électricité.

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Etant donné le peu de références disponibles sur les procédés de séchage du digestat et/ou du lisier brut, les recherches se sont orientées sur les technologies de déshydratation des boues de stations d’épuration qui présentent des similitudes par rapport aux digestats en termes de composition chimique et de teneur en MS. Le séchage thermique des boues de stations d’épuration a été développé pour le simple séchage ou en préalable à une incinération. Les technologies de séchage thermique se divisent en trois catégories (Rayan SLIM, 2007) :

- les sécheurs directs (ou séchage convectif) dans lesquels les boues entrent en contact direct avec une source de chaleur telle que l’air chaud ou la vapeur surchauffée ;

- les sécheurs indirects (ou séchage par conduction ou rayonnement) dans lesquels l'énergie nécessaire au séchage des boues est amenée par l'intermédiaire d'une paroi chauffée par un fluide caloporteur et sur laquelle reposent les boues ;

- les sécheurs mixtes utilisant à la fois les propriétés des sécheurs direct et indirect : la paroi est chauffée et l’air chaud permet d’évaporer la vapeur d’eau issue des boues.

2.4.1 Les sécheurs directs Dans ce type de sécheur les gaz chauds rentrent en contact direct avec les boues et le séchage s’effectue essentiellement par convection (Cf. Figure 4). Les différents sécheurs directs se distinguent par la manière dont l'agent séchant est mis en contact avec les boues. Cette technologie est la plus simple à mettre en œuvre, ce qui limite généralement les coûts à l’investissement. Elle nécessite généralement une recirculation d’une fraction de la partie séchée, entre 70-90 % (Ron Sieger, 2004).

Figure 4 : Principe du séchage direct (www.gls.fr, GLS)

2.4.1.1 Le sécheur à tambour (ou rotatif) Ce type de sécheur est constitué d’un long cylindre rotatif légèrement incliné pour faciliter le déplacement du solide (Cf. Figure 5). Ce cylindre est précédé d’une chambre de combustion permettant de préchauffer l’air de la boucle thermique. Le séchage s’effectue par une circulation d’air chaud dans le même sens ou en sens inverse des boues.

Figure 5 : Sécheur à tambour (ADEME, 2004)

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2.4.1.2 Le sécheur pneumatique dit sécheur flash Le matériau à sécher est transporté jusqu’à l’entrée du sécheur où il est dispersé dans le réacteur par un injecteur. Le courant d’air chaud transporte ensuite les particules avant que le produit sec soit séparé des buées. La forme la plus simple de ce type de sécheur est un tube vertical dans lequel les boues granulées sont séchées en étant maintenues en suspension dans l'air chaud (Cf. Figure 6).

Figure 6 : Sécheur pneumatique (ADEME, 2004)

Il existe dans le même principe les tours d’atomisations (Cf. Figure 7). Les boues sont injectées par le haut de la tour à l’aide d’une buse qui fragmente les boues. Ensuite un air chaud et sec parcours la tour et déshydrate de façon quasi-instantanée les boues. Cette technologie est bien connue dans l’industrie agro-alimentaire pour produire le lait en poudre. Cependant, la buse d’atomisation se colmate facilement avec certains produits. Or, dans un digestat utilisant du lisier, il est fréquent de retrouver les soies des porcs qui obstrueront de manière systématique ce type de buses. Cependant, une vis compacteuse en tête règlerait le problème. De plus, pour que le digestat soit déshydraté lors de sa chute (du haut vers le bas de la tour) il faut un air très sec. Il est donc généralement nécessaire de déshydrater l’air en amont du processus ce qui implique un surcoût économique.

Figure 7 : Tour d'atomisation (ADEME, 2004)

2.4.1.3 Le sécheur à bandes Cette technologie de sécheur est celle utilisée pour sécher le lisier (Cf. 2.4.5) et le digestat d’une seule et unique exploitation dans le nord de la France (Cf. 2.4.5). Ce procédé de séchage consiste à

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introduire sur un tapis roulant perforé (les bandes) le matériau à sécher. De l’air chaud est alors introduit et circule parallèlement ou perpendiculairement aux tapis (Cf. Figure 8).

Figure 8 : Sécheur à bandes (ADEME, 2004)

Cette méthode de séchage nécessite au préalable d’avoir un produit suffisamment sec (20-25 % de MS) pour ne pas percoler à travers les bandes (Ron STIEGER, Janvier 2004). Il faut également augmenter la surface d’échange en granulant le produit à sécher.

2.4.1.4 Conclusion sur les sécheurs directs Le séchage direct est de loin la méthode la plus simple. En effet, cette technique nécessite simplement de mettre le fluide caloporteur directement en contact avec le produit à sécher ce qui limite les coûts d’investissement contrairement aux techniques de séchage indirect que oblige la présence de doubles enveloppes étanches augmentant alors les coûts. De plus, le séchage direct permet de déshydrater un fluide avec une siccité initiale très variable (de 5 à 25 % de MS). Enfin, ce type de sécheur peut permettre de traiter des volumes importants (plus de 1200 tonnes de MS / an). Cependant, il faut des volumes importants de gaz (généralement de l’air) pour traiter le produit et attendre des siccités convenables. En effet, pour sécher 10 000 m3 de digestat de 10 à 70 % de MS, il faut prélever 8570 tonnes d’eau. Or, en chauffant de l’air à 70 % d’humidité de 15 °C à 60 °C, il faudrait un débit de130 000 m3 d’air par heure. De plus, l’air servant à sécher étant en contact direct avec le produit, se charge en ammoniac. Une station de traitement de l’air de taille importante est alors nécessaire, grevant ainsi le coût de l’installation. En reprenant l’exemple ci-dessus, il faudrait une station de traitement d’environ 30 m² avec un coût de 45 000 € environ (maçonnerie comprise).

2.4.2 Les sécheurs indirects Pour ce type de sécheurs, le séchage s’effectue principalement par conduction ou par rayonnement selon les positions relatives du matériau à sécher et des surfaces chaudes (Cf. Figure 9). La chaleur est transmise aux boues à travers une paroi chauffée par un fluide caloporteur. L’eau évaporée est évacuée par un courant d’air de balayage. Ce procédé implique un brassage mécanique des boues afin d’augmenter et de garantir le contact de celles-ci avec la surface d’échange, sur laquelle l’épaisseur de boues ne dépasse pas quelques millimètres. L’utilisation d’équipements mécaniques pour le brassage permet aussi l’évacuation des boues. Cette technique n’est pas à utiliser dans tous les cas et notamment dans le cas de boues abrasives ; elle produit en outre des poussières (d’où des risques d’inflammation).

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Figure 9 : Sécheur à bandes (www.gls.fr, GLS)

2.4.2.1 Les sécheurs à tambour rotatifs Ils sont constitués d’une double enveloppe cylindrique qui tourne lentement et qui est chauffée. La vapeur sous pression ou une huile chaude (Cf. Figure 10) circule dans cette double enveloppe.

Figure 10 : Sécheur rotatif (ADEME, 2004)

L’axe du cylindre est légèrement incliné par rapport à l’horizontal pour faciliter l’avancée des boues. L’aspiration d’air en continu assure l’évacuation de l’eau évaporée.

2.4.2.2 Le sécheur à palettes Les sécheurs à palettes disposent d’une double enveloppe extérieure immobile et d’un ou plusieurs rotors sur lesquels sont fixées les palettes. Le fluide caloporteur (huile thermique ou vapeur surchauffée) circule dans la double enveloppe, les rotors et les palettes (Cf. Figure 11).

Figure 11 : Sécheur à palettes (ADEME, 2004)

2.4.2.3 Le sécheur à disques Il existe également des sécheurs à disques, conçus de la même façon que les sécheurs à palettes, mais des disques assurent le malaxage des boues à la place des palettes (Cf. Figure 12). Le fluide

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caloporteur circule alors dans les disques. Le mouvement de rotation assure le renouvellement du produit à sécher sur la surface d’échange.

Figure 12 : Sécheur à palettes (ADEME, 2004)

2.4.2.4 Le sécheur à couches minces Les sécheurs à couches minces se présentent sous la forme d’un cylindre rotatif, sur lequel les boues sont étalées en fines couches et en continu (Cf. Figure 13).

Figure 13 : Sécheur à couches minces (ADEME, 2004)

C’est le cylindre rotatif qui est chauffé et qui permet de vaporiser l’eau des boues. A la fin du tour, les boues sèches sont raclées à l’aide d’un couteau et sont évacuées.

2.4.2.5 Conclusion sur les sécheurs indirects Le séchage indirect permet de limiter la quantité d’air à épurer. En effet, cette technologie utilise un balayage d’air pour évacuer l’eau du produit à sécher, or, contrairement aux sécheurs directs, les quantités d’air nécessaires sont beaucoup plus faibles. De même, pour les sécheurs indirects qui sont conçus en système clos, la chaleur transmise au produit permet à l’eau de se vaporiser, ainsi, la vapeur d’eau est récupérée et condensée. Il n’y a donc pas d’air à traiter. En revanche, le condensat sera fortement chargé en azote ammoniacal et devra donc être traité. Cependant, la technologie mise en œuvre est plus complexe, elle nécessite plus d’entretien. Il y a effectivement une usure mécanique bien plus importante puisque les éléments en rotation (disques ou palettes), sont en contact direct avec le produit à sécher et, par conséquent, s’usent rapidement. Dans le séchage des boues, cette technologie est utilisée principalement pour des raisons d’ordres économiques puisqu’elle possède une efficacité thermique plus importante.

2.4.3 Les sécheurs mixtes Les sécheurs mixtes utilisent à la fois la méthode de séchage direct et la méthode de séchage indirect. Dans ces procédés, les parois du sécheur sont chauffées et de l’air chaud permet d’évacuer l’eau évaporées des boues. Très peu de sécheurs mixtes existent à l’heure actuelle. Leur principal avantage est d’utiliser moins d’énergie pour déshydrater. Cependant, ces types de sécheurs, comme pour les procédés de séchages directs, nécessitent une station de traitement de l’air de taille importante. De plus, ces

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sécheurs sont les moins énergivores par kg d’eau vaporisé. Ce type de technologie permettrait d’utiliser l’eau chaude du co-générateur pour chauffer l’air de balayage et en même temps d’utiliser les gaz d’échappements pour chauffer les doubles parois des éléments en contact direct avec le digestat. Cette méthode permettrait notamment d’utiliser des débits d’air moindres et donc d’obtenir un dimensionnement de laveur plus réduit que dans le cadre d’un sécheur direct classique.

2.4.4 Les autres types de sécheurs

2.4.4.1 Les Évaporateurs à Compression Mécanique de Vapeur (CMV) L’utilisation de cette technologie nécessite impérativement un traitement préalable du digestat par séparation de phases à l’aide d’une décanteuse centrifuge ou d’une vis compacteuse. Seule la fraction liquide serra alors traitée dans l’évaporateur puisque les particules solides provoquent l’obstruction des filtres au niveau de l’évaporateur. L’eau contenue dans la fraction liquide du digestat est alors évaporée et forme des buées. Ces buées sont recirculées et compressées mécaniquement afin d’augmenter leur température. L’énergie thermique disponible dans ces buées est alors réutilisée au niveau d’un échangeur de chaleur pour évaporer la fraction liquide entrante. Lors de cet échange thermique, les buées se condensent et forme de l’eau ammoniaquée (également appelée distillat) qui est alors exportée (Cf. Figure 14). L’évaporateur CMV est autonome, c’est à dire qu’il ne nécessite pas de besoins énergétiques supplémentaires dans son cycle d’évaporation, si ce n’est une consommation électrique importante au niveau du compresseur.

Figure 14 : Schéma de fonctionnement d'un évaporateur à compression mécanique de vapeur

Après un traitement par évaporateur à compression mécanique de vapeur, le taux de siccité de la fraction liquide de digestat traité se situe entre 20 et 30% de MS, soit une concentration par un facteur 10. En effet, après la séparation de phases d’un digestat, la fraction liquide devrait avoir une siccité de l’ordre de 2 à 3 % contre 6 à 8 % pour un digestat brut. Des références supplémentaires seraient toutefois nécessaires pour confirmer ces chiffres. Le distillat, composé d’eau ammoniaquée doit également être traité afin de récupérer l’ammoniac. Un stripping est alors nécessaire. Il en résulte une fraction d’eau distillée et une solution liquide de sulfate d’ammonium.

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2.4.4.2 Les évaporateurs à double effets Le principe est similaire à celui de l’évaporation à CMV. Une séparation de phases est nécessaire en tête du procédé. L’évaporateur double effets est constitué de deux unités (Cf. Figure 15) :

- dans la première, le digestat liquide issu de la séparation de phases est évaporé par échange thermique avec de l’eau chaude ou de la vapeur primaire. Cette évaporation forme des buées qui sont dirigées vers la seconde unité.

- Le digestat pré-concentré est ensuite injecté dans la seconde unité où les buées formées vont fournir l’énergie nécessaire à la poursuite de l’évaporation du digestat par échange thermique.

Figure 15 : Schéma de fonctionnement d'un évaporateur à double effet

Les buées condensées contiennent de l’ammoniac et doivent être traitées par stripping. Le taux de siccité en sortie est identique au taux obtenu par un évaporateur à CMV. L’intérêt de cette technique est de diviser par deux les apports primaires en énergie en réutilisant les buées formées lors du process.

2.4.4.3 La tour d’atomisation La tour d’atomisation se compose d’une cuve verticale. Le digestat est pulvérisé en continu par le haut de la tour d’atomisation. Un air chaud (plus de 100°C) et très sec est insufflé sur les micros gouttelettes de digestat formées lors de la pulvérisation. La déshydratation est quasiment instantanée. Le digestat sec produit est alors sous la forme d’une poudre. L’air chargé d’humidité et d’ammoniac est récupéré pour pouvoir être traité par un lavage d’air acide. Cette technologie nécessite de loin les besoins thermiques les plus importants de toutes les technologies citées. Une pré-concentration du digestat est nécessaire en entrée pour obtenir un digestat dont la siccité et de l’ordre de 30% de MS. Ce procédé est utilisé principalement dans l’industrie chimique et semble difficilement adapté au digestat. En effet, contrairement à l’industrie chimique, le digestat ou le lisier de porc peut contenir des particules (morceau de fèces, soies de porcs, etc.) qui sont responsables de problèmes de colmatage fréquent des buses de pulvérisation.

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2.4.5 Les expériences de séchage en place en exploi tation agricole Il existe, en France, peu d’exemple d’unités de séchage du digestat et/ou de lisier. Cependant, dans le cadre de cette étude, deux exploitations françaises équipées d’une station de déshydratation ont pu être étudié. Herzele Dans le cadre de ce projet, un exemple concret existe en France concernant le séchage du digestat à l’aide de la chaleur issue d’une co-génération. Un élevage de 700 truies naisseur-engraisseur dans le nord de la France, possède une unité de méthanisation avec un co-générateur d’une puissance de 250 kW électriques. C’est une unité de méthanisation fonctionnant en phase liquide, mésophile, infiniment mélangé. La ration utilisée pour produire le biogaz est un mélange de lisier (12 000 tonnes/an), avec de la crème glacée (2000 tonnes/an) et des boues de stations d’épuration (2000 tonnes/an). L’installation permet de produire 2 000 MWh électriques et 3 300 MWh thermiques qui sont valorisés dans leur quasi totalité par :

- le chauffage du digesteur ; - le chauffage de 3 maisons d’habitation ; - le chauffage de l’ensemble des maternités et des post-sevrages ; - la déshydratation de l’ensemble du digestat.

Figure 16: Schéma de fonctionnement de l’unité de traitement de Herzeele Comme le montre la Figure 16, le fonctionnement de l’installation de méthanisation valorise un maximum de chaleur (en vert sur la figure). Les investissements totaux sont de l’ordre de 900 k€ dont 300 k€ uniquement pour le sécheur sans inclure certains équipements périphériques tel que le laveur d’air. Concernant le système de déshydratation du digestat, l’innovation principale réside dans l’utilisation de l’énergie solaire récupérée en sous-toiture du bâtiment d’élevage. Grâce à cette apport supplémentaire d’énergie, l’unité de séchage permet la déshydratation et l’hygiénisation de la totalité des digestats produits par l’unité de méthanisation. Avec 16 000 t/an d’intrants, il est produit 500 à 700 t/an de refus titrant plus de 70 % de matière sèche. La Figure 17 présente le schéma de fonctionnement de l’unité de séchage. Tout le digestat subit une séparation de phases par vis compacteuse. La fraction solide est envoyée sur des tapis de séchage.

Lisier Co-substrats

Digesteur Biogaz Co-générateur

Eau-chaude Gaz d’échappements

Electricité Vente à EDF

Digestat

Séparateur centrifuge Phase solide

Phase liquide

Tapis de séchage

Digestat déshydraté

Air vicié

Laveur d’air

Porcherie Air vicié

Boues

Chauffage habitation

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Un courant d’air chaud circule parallèlement aux tapis avec un débit de 60 000 m3/h. La totalité du produit déshydraté est hygiénisée d’un point de vu réglementaire. Pendant ce temps, la fraction liquide ( moins de 5% de MS) est envoyée dans une lagune au dessus de laquelle circulent de très fortes turbulences d’air afin de l’assécher (650 000 m3/h maximum). L’ensemble des flux d’air issus de cette « piscine » passe ensuite à travers un laveur d’air (eau + acide sulfurique). L’eau de lavage, saturée en ammoniac et poussières, est réincorporée dans la « piscine », en même temps que la fraction liquide issue de la vis compacteuse (elle-même initialement à 2-4 % de MS). La déshydratation de ces deux effluents n’est pas totale, il en ressort une boue liquide qui sera réincorporée dans le sécheur. Les flux d’air chaud destinés aux tapis de séchage sont issus de la récupération d’une partie de l’énergie thermique issue du co-générateur. Ceux destinés à la lagune proviennent pour partie de l’air extrait des porcheries et pour partie des gaz d’échappement du co-générateur. Il est à noter que les apports thermiques sont légèrement déficitaires en décembre-février mais très excédentaires en été (notamment avec l’air qui subit une élévation supplémentaire de température (jusqu’à 60°C) lors de son passage dans les combles . Afin de s’assurer l’optimisation de la valorisation de la chaleur, l’air vicié est chauffé à travers un échangeur air-eau. L’eau provient alors du co-générateur une fois le chauffage des habitations et du digesteur déduit. Ainsi, dans ce procédé de séchage pratiquement 100 % de l’énergie thermique est valorisée. L’apport de chaleur par la sous-toiture et par les animaux contribue fortement au bon fonctionnement du sécheur. Il est à noter que les volumes d’air, avec un maximum de 650 000 m3 / heures, nécessitent un laveur d’air de taille conséquente (plus de 180 m²) et représente un surcoût qui n’est pas négligeable. En effet, un laveur d’air pour un volume maximum de 100 000 m3/h coûte en moyenne 40 000€ (frais de maisonneries inclus). C’est donc près de 260 000 € qui serait nécessaires pour le lavage de la totalité de l’air vicié. Cepdendant, certaines interrogations sont restées sans réponse de la part de l’installateur puisque très peu de mesures ont été réalisées et/ou publiées sur l’installation.

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Figure 17 : Schéma de fonctionnement de l'unité de déshydratation de l’exploitation de Herzele

+

Co-Générateur

Electricité »

Eau chaude

Echangeur eau/air

Air extérieur

Tapis de séchage

Digestat Brut

Vis-compacteuse

Phase liquide

Phase solide intégrée au tapis de séchage après

mélange avec la recirculation du digestat sec

Fumée de combustion du biogaz

Air vicié provenant des porcheries

Piscine de traitement de la

phase liquide

Récupération d’une phase liquide « épaissie » et réincorporation dans le sécheur en mélange avec du digestat

sec

Recirculation d’une partie du

digestat sec

Passage du digestat séché dans un hygiénisateur chauffé par de l’eau à 80°C

Sortie du digestat 70 % MS

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Techno-one La coopérative Glon-Sanders commercialise depuis maintenant 6 ans un procédé de séchage du lisier brut. Après contact avec Hervé Videlot qui est responsable environnement chez Glon-Sanders et qui assure le suivi technique des sécheurs, une visite d’une station de traitement à Questembert a été organisée. L’élevage concerné est un naisseur-engraisseur de 380 truies. L’unité de séchage utilise le principe des sécheurs à bandes perforées. Il s’agit d’un tapis de 24 m de long et de 1,5 m de large sur deux niveaux. Le débit d’air utilisé pour déshydrater atteint un maximum de 110 000 m3/h. Le pourcentage de vide sur le premier tapis est de 34 %, pour le deuxième il est seulement de 15 %. Aucun système de chauffage de l’air n’est installé. Cependant, le système recycle l’air vicié issu de la porcherie qui est à une température moyenne de 23°C en période hivern ale et qui peut monter jusqu’à 28°C en été. La vitesse d’air au niveau du tapis est un des paramètres le plus important. En effet, pour assurer un bon séchage, il faut une vitesse d’air optimale. Dans cette unité, l’air circule à une vitesse maximum de 2,5 m/s dans le premier tapis et de 5,7 m/s dans le deuxième. L’unité est normalement conçue pour traiter 7800 kg d’azote, soit l’équivalent de 1400 m3 de lisier frais. Dans la réalité le procédé traite 1100 m3 / an. Comme le montre la Figure 18, le lisier frais est pré-concentré (Cf. Partie 2.3.3). Il passe alors de 6% de MS à environ 14% de MS. Il est possible de pré-concentrer davantage le lisier mais cela pose des problèmes de pompage et de répartition lors de son incorporation au tapis. Le réglage est empirique et évolue d’une station à l’autre. La régulation est basée sur la réduction de volume. En effet, le pré-concentrateur fonctionne par batch. Une fraction de lisier est chargée dans le pré-concentrateur, le temps de rétention est variable puisque le lisier frais séjourne dans le pré-concentrateur tant que le volume n’a pas été divisé par 3. Ce mélange pré-concentré est alors envoyé dans une enrobeuse, qui injecte le lisier à 14 % de MS en fonction de l’avancement du tapis de séchage. L’enrobeuse nécessite de faire re-circuler environ 90 % de lisier sec. Le principe de l’enrobage permet d’optimiser la surface d’échange en créant des boulettes de lisier sur lesquelles vient se fixer le lisier épaissi à 14 %. Selon l’installateur, la chaleur apportée par une unité de méthanisation permettrait de multiplier par 8 à 12 fois la quantité de lisier traité, soit l’équivalent de 11 à 13 000 m3. Ces propos méritent toutefois d’être confirmés

Figure 18 : Schéma de fonctionnement d'une unité de séchage techno-one

Lisier frais à 6% de MS

Pré-concentrateur

Lisier concentré à 14% de MS

110 000 m3/h issue de la porcherie

Tapis de séchage

Air ayant servi à sécher le lisier sur les tapis

Air ayant servi à pré-concentrer

le lisier

Extérieur

Lisier sec à 70 % de MS

10% du lisier sec évacué

90 % du lisier sec re-circulé

Circulation de l’air

Circulation lisier

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La vitesse d’avancement du tapis de séchage est fonction de l’humidité du lisier en bout du premier niveau de séchage. Pour cela, une sonde hygrométrique intrusive constituée de deux électrodes est disposée en bout de tapis et mesure l’humidité régulièrement. Sous un certain seuil d’humidité, le tapis avance d’1 mètre, tant que ce seuil n’est pas atteint le tapis reste immobile.

2.4.6 Etude comparative des coûts des différents ty pes de sécheurs Herzeele Cette unité de séchage est donc de type indirect. Elle correspond à un sécheur à bandes perforées. Le coût semble raisonnable si le laveur et la piscine ne sont pas inclus. La capacité de séchage est de 14 000 m3 par an de digestat et produit 500-700 tonnes à 70 % MS. Dans l’hypothèse basse pour 300 k€ d’investissements amortit sur 10 ans5, un bilan de 97,0 € / tonne de MS produite et de 174,7 € / tonnes de MS si un laveur d’air est forfaitairement inclut. En ramenant ces coûts au m3 de lisier traité nous obtenons respectivement 2,9 et 5,2 € / m3 de lisier traité. Techno-one D’un point de vu économique, l’unité de séchage a coûté 200 k€, avec 30 k€ pour les éléments périphériques (informatique, hangar de stockage, etc.), 40 k€ pour le pré-concentrateur et 130 k€ pour les tapis de séchage. L’installation permet de déshydrater 1100 tonnes de lisier (6% de MS) à 94 tonnes de lisier sec (70 % de MS). Il y a donc une dépense de 413,0 € / tonnes de MS produite en amortissant l’investissement sur 10 ans. En comparaison des coûts moyen d’une unité de traitement du lisier classique, il faut compter 24,7 € / m3 de lisier à traiter avec le procédé techno-one contre 6 à 8 € / m3 pour une station de traitement biologique. Il y a donc un rapport de 3 entre les deux procédés. Cependant, le procédé Techno-one n’utilise pas de chaleur issue de la méthanisation. Si tel était le cas il pourrait sécher en moyenne 8 fois plus de lisier et obtenir un coût de 3,1 € / m3 de lisier traité. Sécheurs indirects (Gaz de France, 1998) Pour les sécheurs indirects existant, il faut compter en moyenne 1,36 kg de vapeur d’eau pour évaporer 1 kg d’eau du produit à sécher. Or, pour produire 1 kg de vapeur d’eau à environ 180 °C il faut :

- 98 Wh pour chauffer 1kg d’eau de 15 à 100°C - 626 Wh pour transformer 1 kg d’eau liquide à 100°C en 1kg de vapeur d’eau à 100°C - 31 Wh pour chauffer 1kg de vapeur d’eau de 100°C à 180 °C.

La production d’1 kg de vapeur à 180°C nécessite 75 5 Wh. Les sécheurs indirects nécessitent donc 1,027 kWh pour évaporer 1 kg d’eau. En effet, la moyenne de température du fluide caloporteur utilisé dans les sécheurs indirect est de 180 °C. Cependant, selon le type de sécheur indirect la consommation d’énergie est variable, de 0,898 kWh / kg d’eau évaporé pour des sécheurs à disques jusqu’à 1,238 kWh pour les sécheurs à lit fluidisé. D’un point de vue économique, les éléments disponibles datent de juillet 1998 et sont résumés dans le Tableau 1.

5 Amortissement sur 10 ans avec un taux à 6 %

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Sécheur Investissement

(k€)

* Production

(tMS/an)

Prod eau

évap. (t/an)

Ratio

Invest./* (k€ /

tMS)

A 3033,7 253,8 691,3 12,0

B 2972,7 234,0 924,4 12,7

C 2591,6 195,3 761,0 13,3

D 2027,5 243,3 969,9 8,3

E 2515,4 231,7 683,0 10,9

F 2058,0 195,4 756,1 10,5

G 2561,1 303,5 848,8 8,4

H 1524,5 194,9 759,0 7,8

Valeur Moy. 2410,6 231,5 799,2 10,5

Tableau 1: Coût en kiloeuro d'une unité de séchage indirect (GDF, 1998)

Le coût moyen par tonne de matière sèche produite (avec un taux de 6% / an amorti sur 10 ans) est alors de 211,5 € d’investissement par tonne de MS produite. Le procédé H est le moins cher avec 133,7 € / tonne de MS produite et le procédé C est le plus cher avec 227,4 € / tonne de MS produite. Sécheur direct Pour les sécheurs directs, la consommation d’énergie thermique est moins élevée que dans le cas des sécheurs indirects. Il faut compter en moyenne 9,74 kg d’air chaud pour évaporer 1 kg d’eau du produit à sécher, soit 0,981 kWh / kg d’eau évaporé. Cependant, selon le type de sécheur la consommation d’énergie est variable, de 0,830 kWh / kg d’eau évaporé pour des sécheurs utilisant préalablement une séparation solide/liquide mécanique jusqu’à 1,138 kWh pour les sécheurs utilisant de l’air chaud. La consommation des sécheurs directs à air-chaud est plus élevée que pour les autres types de sécheur. En effet, pour obtenir de l’air chaud, un échangeur gaz de combustion – air induit une perte de chaleur à travers le rendement de ce dernier. D’un point de vue économique, les éléments disponibles datent également de juillet 1998 et sont résumés dans le Tableau 2.

Le coût du procédé J par tonne de matière sèche produite est alors de 90,9 € et de 157,8 € pour le procédé I. Il se situe donc nettement en dessous du coût des sécheurs indirects. Cependant, les siccités finales sont par contre de l’ordre de 85 % contre 90-95 % pour les sécheurs indirects. Il faut noter que le procédé J qui est un tapis perforé (comme ceux utilisés pour Techno-one et Herzele) a un coût de l’ordre de 90,9 € par tonne de matière sèche produite. Il est alors comparable aux 97 € / tonne de MS produite du procédé d’Herzeele. Ce type de sécheur semble donc être parmi les moins onéreux.

Sécheur Investissement

(k€)

* Production

(tMS/an)

Prod eau

évap. (t/an)

Ratio

Invest./* (k€ /

tMS)

I 1798,9 195,1 763,4 9,2

J 1036,6 195,1 758,6 5,3

Valeur

Moyenne 1417,7 195,1 761,0 7,3

Tableau 2: Coût en kiloeuro d'une unité de séchage direct (GDF, 2008)

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Séchage mixte Pour le séchage mixte, la consommation d’énergie s’élève à 0,77 kWh / kg d’eau évaporé, c’est donc le procédé le moins énergivore. Aucune donnée n’est disponible concernant l’évaluation économique de ce type de sécheur. Cependant, étant donné qu’il combine la complexité des sécheurs indirects et directs, il semblerait logique que le coût soit un peu plus élevé expliquant ainsi son faible développement. Autres types de séchage Il existe d’autres types de séchage. Ainsi, le séchage sous tunnel est couramment utilisé pour les boues de stations d’épuration. Cependant, contrairement aux boues, le digestat contient de l’azote qui se volatilise lors du processus de séchage, nécessitant alors la mise en place d’un laveur d’air. Or, avec un séchage sous tunnel, la ventilation est généralement naturelle induisant un manque de contrôle des débits et rendant impossible la mise en place d’un laveur d’air. La question se pose différemment avec les boues de station d’épuration puisqu’elles sont préalablement traitées et donc il y a peu ou pas d’émissions d’ammoniac. Dans le cadre de la méthanisation agricole, l’objectif étant de substituer le traitement du digestat par la déshydratation il semble inapproprié d’intégrer le séchage sous tunnel comme une solution.

2.5 Bilan sur les technologies de séchage thermiqu e Hormis les sécheurs mixtes, les technologies existantes ont des consommations énergétiques similaires de l’ordre de 1 kWh / kg d’eau évaporée. Cependant, l’un des sécheurs se démarque par un coût nettement plus faible que les autres : le sécheur à bandes perforées ou tapis de séchage. La consommation d’énergie pour ce type de sécheur fait, en revanche, partie des plus élevées avec 1,14 kWh / kg d’eau évaporée. Les sécheurs indirects semblent les moins adaptés dans le contexte d’une exploitation agricole. En effet, cette technologie est la plus onéreuse et la plus complexe. De plus, elle nécessite des températures de fluides caloporteurs supérieures à 180 °C et une solution pour traiter le condensat riche en azote ammoniacal. Pour l’exploitation équipée d’un système de séchage du digestat de Herzeele, le coût se situe entre 0,097 et 0,175 € / kg de MS produite si le laveur d’air est inclus. Pour le procédé Techno-one il est de 0,413 € / kg de MS. Autrement dit, le procédé techno-one est 2,36 fois plus cher que l’ensemble des procédés présentés. Ce coût prohibitif est principalement dû à l’absence de source de chaleur pour améliorer le rendement mais également à la taille réduite de l’unité qui ne permet aucune économie d’échelle. Aucune comparaison n’est réellement possible avec la procédé techno-one puisqu’il n’utilise pas de source de chaleur. Cependant, pour atteindre des coûts comparables aux autres systèmes, il suffirait que le rendement du procédé techno-one permette de produire 2,36 fois plus de matière sèche. Or, comme l’indique l’installateur, il semblerait qu’avec la chaleur disponible fournie par une unité de méthanisation, il serait possible de multiplier le rendement au moins par 8 et donc obtenir un coût de l’ordre de 0,052 € / kg de MS produite (il faudrait inclure le coût d’un échangeur air/eau). Ce procédé deviendrait alors le moins cher du marché. Ainsi, pour les sécheurs en place en élevage, que ce soit pour déshydrater le lisier brut ou pour sécher du digestat, le choix s’est logiquement tourné vers la technologie la moins chère et/ou la plus facile à reproduire dans des conditions d’élevage où de la chaleur est déjà fourni par des animaux. D’autant plus que, dans le cadre de la méthanisation agricole, l’énergie thermique disponible est abondante et dans de nombreux projets les débouchés sont peu nombreux pour la valoriser. Ainsi, pour les exploitations en excédent structurel, le séchage direct, plus énergivore mais moins onéreux semble donc mieux adapté.

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3 Exemples des fiches procédés et constructeurs sur les différents procédés de déshydratation

3.1 Présentation de la méthode d’élaboration des fi ches de procédé

Pour des raisons de lisibilité de ce rapport, l’ensemble des fiches procédé réalisées ont été mises en annexe 1 de ce rapport. Cependant et à titre d’exemple, l’une d’entre elles est présentée dans le corps de ce rapport. La fiche choisie concerne le tapis de séchage.

LES TAPIS DE SÉCHAGE

La déshydratation sur tapis de séchage est un procédé particulièrement adapté au digestat issu de la méthanisation. Il permet le traitement de volumes d’excédents très variables, de 2000 à plus de 100 000 m3 / an. L’énergie thermique disponible en sortie de cogénérateur, sous forme d’eau chaude, y est aisément valorisable. En situation optimisée (intrants très fermentescibles, échangeurs thermiques performants, utilisation des gaz d’échappement,…), l’énergie thermique disponible ne permettra de déshydrater qu’au maximum 40 % du digestat. En cas de manque d’énergie thermique issu de la cogénération, il sera nécessaire d’utiliser des techniques d’appoint permettant de gagner des calories (utilisation de l’air des combles des bâtiments d’élevage, chaudière,…), voire d’augmenter les débits de ventilation.

PRINCIPE GÉNÉRAL DE FONCTIONNEMENT La déshydratation sur tapis de séchage consiste à disposer, sur des bandes transporteuses organisées par étage, une couche homogène et fine de digestat pré-concentré (15 % de MS). Au cours du mouvement de ces bandes, le digestat est déshydraté par l’intermédiaire d’un flux d’air chaud. Le taux de matière sèche du produit sortant est généralement supérieur à 70 % mais peut être ajusté, dans une certaine mesure, à la quantité d’énergie thermique disponible et de digestat à traiter. La surface de séchage va dépendre des quantités de digestat à traiter et de la température de l’air de séchage. Certains constructeurs vont privilégier une adaptation du nombre d’étages plutôt qu’une modification des largeurs et longueurs pour lesquelles il semble exister des dimensions optimales. La température de l’air de séchage est un paramètre essentiel à l’efficacité et au coût global du procédé. Il serait possible de travailler dès 45°C, néanmoins, les faibles rendements thermiques obtenus impliqueraient de grande surface de séchage, génératrice de surcoût à l’investissement. Une augmentation des débits d’air serait également envisageable mais serait elle-même génératrice de surcoût concernant le laveur d’air dont les coûts sont proportionnels à la quantité d’air à traiter. Ainsi, le choix de la température, des débits d’air et des surfaces de séchage résulte d’un compromis propre à chacun des constructeurs. En pratique, les températures d’air de séchage retenues vont de 65°C à 150°C, 65-70°C étant retenu en cas de valorisation de l’énergie thermique issue de la cogénération.

Nom du procédé

Introduction générale de présentation du procédé Caractéristiques générales

de fonctionnement de la technique que l’on retrouve

chez la majorité des fournisseurs

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Les fournisseurs préconisent généralement une pré-concentration du digestat avant leur séchage sur tapis, chacun ayant, là encore, leurs propres solutions qui seront présentées ultérieurement. Avec un digestat brut ayant une teneur en MS initialement de 5-10 %, il est généralement proposé de l’élever à 15 voire 20 % de MS. Au-delà, l’effluent devient plus difficilement pompable et sera responsable de difficultés pour la répartition du digestat sur les tapis. Dans certain cas, une séparation de phases en tête pourrait s’envisager. L’intérêt technique est alors de pouvoir déshydrater davantage au niveau du pré-concentrateur tout en maintenant la « pompabilité » de l’effluent et de réduire la surface des tapis de séchage. Par la suite, le digestat pré-concentré est mélangé avec une fraction du digestat sec recirculé, dans le cas contraire, une partie du liquide passerait à travers les perforations des tapis. La programmation de la vitesse de circulation des tapis est ajustée automatiquement par des sondes d’humidité intrusives. Après une circulation sur l’ensemble des étages, ce mélange initialement humide atteint plus de 70 % de MS. Une fraction, majoritaire, est de nouveau réintégrée dans le circuit en mélange avec du digestat pré-concentré tandis que l’autre fraction est évacuée vers une plate-forme de stockage.

CARACTÉRISTIQUES ET GESTION DES PRODUITS SORTANTS Ce traitement permet de réduire notablement les coûts de transport puisque le digestat liquide va donner lieu à un résidu sec ne représentant plus que 5 à 10 % du tonnage initial (selon le taux de dégradation des intrants). Ce résidu contient l’intégralité des éléments fertilisants (P, K, Mg, Ca,…) présent initialement dans le digestat, hormis l’azote, compte tenu de la volatilité de l’ammoniac. Le digestat peut en effet contenir jusqu’à 4-5 g/l d’azote ammoniacal (au-delà il constitue une substance inhibitrice du processus biologique de méthanisation). L’air de séchage, qui se retrouve chargé en ammoniac, doit alors subir un lavage avant d’être évacué dans l’atmosphère (voir chapitre correspondant). L’eau du laveur est généralement additionnée d’acide sulfurique afin d’augmenter la concentration et le piégeage de l’ammoniac, ce qui permet une réduction de la taille du laveur et de son coût. Il en résulte une solution boueuse de sulfate d’ammonium qui pourra être exporté et épandu en l’état, voire réintégré sur les tapis de séchage. En outre, selon des simulations effectuées (IFIP, 2009), un digestat sec, sans réincorporation de l’effluent issu du laveur d’air, devrait avoir une teneur moyenne d’environ 3 à 4 % du produit brut pour chaque élément N, P et K. Ces teneurs demeurent cependant très variables et dépendantes de la composition initiale des intrants constituant la ration méthanisable. Par ailleurs, il est envisageable et peu coûteux d’hygiéniser le digestat sec (1 h à 70°C comme le préconise la règlementation européenne n°1774/2002) . II suffit alors de faire circuler une partie de l’eau chaude issue du cogénérateur, à environ 80°C, autour d’une vis convoyeuse programmée pour un déplacement de ce résidu sur 1 heure de temps. Si le porteur de projet est sur un scénario plutôt déficitaire en énergie thermique, il semble préférable de privilégier cette hygiénisation sur un produit sec, prêt à être exporté, plutôt que sur une fraction liquide, plus énergivore.

CONSTRUCTEURS CONSULTÉS Sur les quatre constructeurs consultés, trois d’entre eux ont fourni des informations techniques et économiques. Il s’agit de SPIESSENS, ANDRITZ et DORSET. SCOLARI a uniquement proposé des références techniques, ce constructeur n’a donc pas fait l’objet d’une fiche. Plusieurs autres fournisseurs (non contactés) proposent également ce type de technologie : SEVAR et FARMER AUTOMATIC.

Types de co-produits obtenus en sortie et gestion générale

de ceux-ci

Présentation des fournisseurs consultés et précisions sur les

informations obtenues

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3.2 Présentation de la méthode d’élaboration des fi ches constructeurs

Pour les mêmes raisons que précédemment, l’ensemble des fiches constructeurs est présenté dans l’annexe 2. Dans cette partie du rapport seule une fiche est détaillée afin de servir d’exemple. Il s’agit du tapis de séchage proposé par l’entreprise SPIESSENS.

TAPIS DE SÉCHAGE « SPIESSENS »

Étape 1 : Pré-concentrateur ROTO-DRYER

L’évaporation se déroule en 3 étapes : pré-concentration du digestat,

séchage sur tapis puis lavage d’air. Le digestat sort à l’état solide avec

une teneur en matière sèche supérieur à 70 %. L’une des spécificités de

la technologie SPIESSENS est notamment son nouveau pré-

concentrateur ROTO-DRYER de conception particulièrement robuste, il

serait bien adapté aux ambiances poussiéreuses et oxydatives.

Ce procédé rend également possible l’utilisation de l’eau chaude issue de

la co-génération à travers un échangeur air-eau pour chauffer l’air de

séchage.

Le pré-concentrateur ROTO-DRYER est un tambour constitué de lamelles. Lors de sa rotation,

elles viennent prélever du digestat dans une cuve de 3000 litres située à sa base. La fine couche

de digestat est alors séchée par un flux d’air chaud provenant des tapis de séchage. A la fin d’une

rotation, la lamelle libère sa fine pellicule de digestat partiellement déshydratée en replongeant

dans la cuve et reprend du digestat liquide. La pré-concentration s’arrête lorsque le niveau de la

cuve, détecté par ultrason, a diminué des 2/3 de son niveau initial ce qui correspond à environ 15

% de MS.

Bien que le flux d’air provienne des tapis de séchage et qu’il s’est déjà partiellement chargé en

eau, il possède encore un pouvoir de déshydratation nécessaire et suffisant pour ce type

d’appareil.

Présentation du procédé

Illustration du procédé

Explications techniques sur le fonctionnenement du procédé

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Étape 2 : Tapis de séchage

Étape 3 : Étude technico-économique

Scénario 1 Scénario 2 Observations Débit de digestat

(m3/an) 3000 10 000 /

Besoin thermique (MWh/an)

légèrement inférieur à 3000

légèrement inférieur à 10 000 1 kW/L d’eau évaporée

Nombre de pré concentrateurs

ROTO-DRYER 1 2 Cuve de 3000 L

Débit d’air sur les tapis (m3/h)

22 000 72 000 Air à 80°C

Coût des concentrateurs

(k€) 50 100

Tout inclus (concentrateur+pompes+tuyauterie)

Coût du tapis de séchage (k€)

200 300 /

Coût total d’investissement

(k€) 250 400 /

Le digestat pré-concentré, est inséré sur le premier tapis (1) et mélangé avec du digestat sec. C’est près de 65 à 75

% du digestat sec qui est recirculé, l’autre fraction étant évacuée. Les enrobages successifs aboutissent à la

formation de petites boulettes pouvant dépasser le centimètre de diamètre. Si besoin, un broyeur peut être installé

afin de réduire leur taille. Ce broyeur, ou concasseur, est toutefois générateur de poussières. Selon Spiessens, la

longueur optimale des tapis de séchage est de 23 m. L’adaptation de la surface de séchage à la quantité à traiter, va

donc s’effectuer, dans une certaine mesure, par le nombre d’étages. C’est un air chaud à 80°C qui circ ule à travers

ces tapis de séchage. Au fur et à mesure de la déshydratation, les tapis entraînent progressivement le digestat sec

vers les étages inférieurs. La vitesse d’avancement est régulée automatiquement en fonction de l’humidité du

digestat. L’air, issu de ces tapis de séchage n’est pas chargé à 100 % d’humidité, il peut donc encore sécher. Il est

alors transféré au niveau des pré-concentrateurs avant son acheminement final vers les laveurs d’air.

Illustration du procédé

Explications techniques sur le fonctionnement du procédé

Evaluation économique du procédé complet selon 2 scénarios

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Coût de fonctionnement

(k€/an) 25 40

10% de l’investissement (tout compris)

AVANTAGES INCONVÉNIENTS

- Permet d’utiliser la chaleur issue du cogénérateur, l’eau de refroidissement mais également les gaz d’échappement.

- Matériel globalement simple et résistant, notamment le pré-concentrateur.

- Adaptable à des volumes très contrastés, de moins de 3 000 à plus de 50 000 m3/an de digestat à déshydrater. Il existe cependant de fortes économies d’échelle.

- Taux de MS du produit de sortie modulable

- Il n’y a pas de séparation de phases à prévoir

- La quantité de digestat pouvant être séchée dépend directement de l’énergie thermique disponible. La capacité évaporatoire étant généralement inférieure à 40 % du volume de digestat produit initialement.

- Laveur d’air qui peut être de taille (et donc de coût) conséquente.

- Emprise au sol également conséquente donc prévoir un surcoût pour la réalisation du bâtiment abritant la technologie.

Remarque : L’encadré « En bref », propose un avis sur la pertinence de cette technique. Cet avis est basé sur l’expertise construite au cours du projet. Il est uniquement donné à titre indicatif et selon les informations fournies au moment de l’étude. Il pourrait être amené à évoluer en fonction des modifications techniques et des variations du prix pratiqué.

En bref Spiessens dispose d’une bonne expérience sur la déshydratation des lisiers et des digestats. Les équipements proposés ont fait leurs preuves dans des atmosphères poussiéreuses et chargées en ammoniac. Le pré-concentrateur ROTO-DRYER constitue l’une des spécificités intéressante de ce constructeur. Cet épaississeur qui ne demande pratiquement aucun entretien, optimise l’efficacité des tapis en aval en divisant par deux le volume de digestat. Ce procédé semble bien adapté à la déshydratation des digestat issus des unités de méthanisation agricole, et ce, quelque soit les volumes traités annuellement. Ce système devrait être amené à se développer dans les années à venir.

Conclusion sur les avantages et les inconvénients liés à cette technologie Avis, à titre indicatif, sur la

pertinence technique du procédé

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Tableau 5 : Tableau récapitulatif des caractéristiques techniques des technologies de séchage

3.3 Bilan sur l’ensemble des fiches procédé et cons tructeurs Cette partie propose un récapitulatif sur l’ensemble des informations obtenues auprès des constructeurs et détaillées dans les fiches. Le Tableau 3 présente de manière synthétique les principaux procédés de séchage ainsi que leurs caractéristiques techniques.

Tableau 3 : Synthèse sur les principales techniques de séchage (source A. RUGANI, Mémoire de fin d'étude, 2010)

Les tapis de séchage ont l’avantage de valoriser aisément l’énergie thermique (sous forme d’eau chaude) issue de la cogénération, un simple échangeur thermique air-eau étant nécessaire. Cette technique permet de résorber efficacement les excédents, c'est-à-dire que seuls deux co-produits se retrouvent en fin de process. L’eau est le constituant majoritaire du digestat, celle-ci est évacuée dans le milieu extérieur après une étape de lavage d’air pour piéger l’ammoniac. Les tapis de séchage, combinés à un pré-concentrateur, sont également des technologies simples de fonctionnement et robustes. Cette technique est donc adaptée au secteur agricole puisqu’elle ne nécessite pas une spécialisation approfondie de l’exploitant pour assurer le suivi technique. Concernant, les évaporateurs, qu’ils soient à compression mécanique de vapeur ou à multiple effets, ils constituent une méthode efficace pour le traitement du digestat mais néanmoins plus complexe. Ces procédés présentent l’inconvénient d’être généralement coûteux et de ne pouvoir valoriser que peu d’énergie thermique, notamment pour l’évaporation par CMV. Le taux de siccité du digestat sortant est plus faible que pour les tapis de séchage et 3 co-produits sont à gérer :

- Le distillat : composé d’eau ammoniaquée qu’il faut traiter à l’aide d’un stripping avant son utilisation ;

- Le concentrat : qui résulte du séchage de la fraction liquide issue d’une séparation de phase en tête de traitement ;

- Le refus solide de séparation de phases à 30% MS. Pour les sécheurs à palettes, l’utilisation d’huile thermique est techniquement plus intéressante que la vapeur d’eau (informations fournisseurs). Néanmoins, l’eau chaude à 80°C issue de la co-génération n’est pas valorisable lorsque cette huile thermique est utilisée. En effet, cette dernière a une température en entrée et en sortie du sécheur de, respectivement, 210°C et 195°C. Pour cette technologie, il est nécessaire d’installer une chaudière pour produire l’huile thermique grevant alors la rentabilité financière du procédé (Cf. Partie 5). Le taux de matière sèche en sortie du sécheur à palettes est élevé mais l’eau évaporée doit être stockée, ce qui engendre également des coûts supplémentaires. Une pré-concentration du digestat en tête n’est pas indispensable mais conseillée afin de diminuer les consommations thermiques du sécheur à palettes en aval.

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Enfin, la tour d’atomisation constitue le procédé de séchage le plus complexe et le moins adapté au traitement du digestat. De nombreux coproduits résultent du traitement dont un digestat sec à l’état poudre qui est difficilement épandable (formation de poussières). De plus, pour limiter les consommations énergétiques, la pré-concentration par un évaporateur et nécessaire. Dès lors, il y a accumulation de technologies coûteuses rendant, par conséquent, le procédé peu adapté à l’échelle d’une exploitation agricole. Pour chacune de ces technologies de résorption, l’ammoniac subit une volatilisation importante. Il est alors nécessaire de le traiter et de le récupérer pour des raisons environnementales évidentes et pour obtenir un coproduit sous forme d’engrais utilisable sur les cultures. Le sulfate d’ammonium constitue un engrais exportable et commercialisable, limitant l’utilisation d’un engrais coûteux à produire (économiquement et environnementalement) et à transporter tel que l’ammonitrate. En cas d’acidification préalable du digestat, il est possible de ne pas faire de stripping ou de lavage d’air, l’ammoniac étant solubilisé sous forme de sulfate d’ammonium dans le digestat sec (le sulfate d’ammonium est un composé stable qui n’est pas volatile). Plusieurs autres techniques de séchage ont été étudiées auprès des fournisseurs (lits fluidisés, sécheur flash, ultrafiltration et osmose inverse…). Cependant, au vu des éléments recueillis, ces technologies ne semblaient pas adaptées à la déshydratation d’un digestat ou à une utilisation dans le secteur agricole. Par exemple, les lits fluidisés ne permettent de déshydrater qu’un produit dont le taux de matière sèche initial est supérieur à 50 %. Pour l’ultrafiltration et l’osmose inverse les technologies semblent trop complexes et relèvent plus du domaine industriel qu’agricole. Enfin, les sécheurs flash nécessitent des températures d’air de 300 à 600°C, ce qui, dans les conditions de la cogénération, parait difficilement envisageable.

3.4 Procédés de séchage adaptés à la méthanisation Sur l’ensemble des procédés cités (Cf. Partie 2), certains semblent, à priori, difficiles à mettre en place dans le cadre d’une co-génération compte tenu du type d’énergie nécessaire. Ainsi, les procédés de séchage indirect, qui nécessitent d’élever le produit à sécher à plus de 100 °C pour vaporiser l’eau contenu à l’intérieur sont inappropriés lorsque la source de chaleur est de l’eau chaude récupérée à 80°C. En revanche le type de séchage direct convient mieux aux conditions des exploitations agricoles. Le vecteur de la chaleur serait alors de l’air chauffé grâce à l’énergie thermique issue de la méthanisation augmentant ainsi sa capacité évaporatoire permettant de sécher le lisier. Cependant, même avec des intrants très fermentescibles, l’énergie thermique issue de la co-génération ne permet pas de sécher la totalité du digestat. Par exemple, pour une unité de méthanisation sur un élevage de 500 truies naisseur-engraisseur qui utilise la totalité du lisier (9250 m3), 7400 tonnes de déchets de légumes et 1850 tonnes de graisses alimentaires, la production de méthane permettrait d’avoir un co-générateur de 750 kW électriques. L’énergie thermique produite par ce co-générateur serait d’environ 6114 MWh. Il resterait 6108 MWh après le chauffage du digesteur (Levasseur et al, 2007). Or, avec 14 744 tonnes de digestat à déshydrater de 10 à 70 % de MS, il faudrait prélever 12 638 tonnes d’eau, nécessitant alors près de 12 638 MWh d’énergie thermique. Il manquerait donc 6530 MWh pour déshydrater la totalité du digestat, ou encore, l’énergie disponible ne permettrait de déshydrater que 48 % de la quantité de digestat produite. Le tableau suivant présente la fraction de digestat potentiellement déshydratable permise par la quantité d’énergie thermique disponible après chauffage du digesteur.

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Elevage 100 truies 100 truies 500 truies 500 truies Unité

Ration digestible :

Lisier (m3) 1850 1850 9250 9250 m3

Maïs ensilage 1850 0 9250 0 T

Déchets de légumes 0 1480 0 2467 T

Graisses alimentaires 0 370 0 617 T

Quantité totale de digestat 3700 3700 18500 12334 T

Energie thermique utile 982 1289 4524 2275 MWh

% de digestat déshydratable 31% 40% 29% 22%

Tableau 4 : Fraction de digestat déshydratable selon divers scénarios

Ainsi, comme le montre le Tableau 4, quelque soit la ration utilisée, l’énergie thermique disponible permet au mieux de sécher 40 % du digestat. Par conséquent, quelque soit le procédé de séchage choisi, il y aura un déficit de chaleur. L’éleveur devra alors choisir de limiter la quantité de digestat à déshydrater ou d’utiliser les propriétés évaporatoires de l’air pour finir le séchage. Avec l’exemple du co-générateur de 750 kW électrique, il est possible de calculer la quantité d’air nécessaire pour sécher le digestat sans apport de chaleur supplémentaire (procédé Techno-one). En effet, tant que l’air n’atteint pas sa température de rosée, c’est à dire, la température à laquelle l’eau contenue dans l’air se condense, il possède un pouvoir séchant. Ainsi, 1 m3 d’air à 23 °C et 70 % d’humidité relative peut prélever (dans des conditions parfaites) jusqu’à 3 g d’eau (calcul effectué à l’aide du diagramme de l’air humide (Cf. Figure 19).

Figure 19 : Diagramme de l'air humide

1 2

3

4

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Le diagramme psychrométrique ou diagramme de l’air humide est un abaque permettant de connaître les caractéristiques d’un air selon sa température et son humidité relative. Pour évaluer le pouvoir séchant d’un air réchauffé, c’est à dire la quantité d’eau qu’il peut prélever il y a 4 étapes :

- 1 : il faut chercher les caractéristiques de l’air à partir de son humidité relative et de sa température. A cette étape, il est déterminé la quantité d’eau contenu de l’air (l’humidité absolue), ici 8,92 grammes d’eau par m3 d’air.

- 2 : cet air est chauffé (ici jusqu’à 70°C), l’humi dité absolue reste constante. Cependant, l’humidité relative chute considérablement, de 70 % à 4 %.

- 3 : avec ces nouvelles caractéristiques, l’air augmente sa capacité à se charger en eau. Ainsi, le même air, lorsqu’il sèche un produit, prélève de l’eau, son humidité relative passe alors de 4 à 100 %. A cette teneur en humidité relative il pourrait contenir jusqu’à 28,37 grammes d’eau par m3 d’air.

- 4 : la dernière étape consiste à faire la différence entre l’humidité absolue de l’air réchauffé lorsqu’il est à 100 % d’humidité relative (28,37) et l’humidité absolue de l’air avant d’être chauffé (8,92). Il est alors obtenu la capacité évaporatoire de l’air : 19,5 g / m3.

Il faudrait donc un débit de 480 000 m3/h d’air en continu sur les 8760 heures de l’année pour déshydrater 14 744 tonnes de digestat de 10 à 70 % de MS dans les conditions citées précédemment. Maintenant, si la chaleur disponible est utilisée pour augmenter la température de l’air de 20°C. Il serait théoriquement possible de chauffer 105 645 m3 / h. Or, le pouvoir séchant d’un air augmentant lorsqu’on le chauffe, il pourrait prélever environ 8,5 g d’eau / m3 d’air. Ainsi, 53 % du digestat pourrait être déshydraté contre 19 % avec le même débit sans chauffer. Le Tableau 5 présente la quantité de digestat déshydratable en fonction de la température de l’air réchauffé. Comme ce tableau le montre, en utilisant la chaleur disponible pour chauffer de l’air de 5 °C il serai t possible de déshydrater 98 % du digestat. Cependant, il faudrait compter un surcoût lié au laveur d’air et à la taille de l’échangeur air/eau qui permet de chauffer l’air puisque le débit d’air devrait être de 422 000 m3/h. Il semble donc plus cohérent de chauffer moins d’air à une plus forte température. Ainsi, en chauffant l’air de 10°C, 73 % du digestat pourrait être déshy draté et les laveurs d’air et échangeurs serait moitiés moins grands. Au final, en utilisant uniquement la chaleur disponible utilisée avec un sécheur de type indirect permettrait de déshydrater 48 % du digestat, avec un système de sécheur direct sur tapis perforé il est possible de sécher 98 % du digestat en fonction du débit d’air appliqué. Il s’agit alors de trouver l’optimum coût de l’installation et quantité de digestat déshydraté.

Chauffage de l'air

Débit d'air réchauffable

avec la chaleur disponible

(m3 / h)

Capacité

évaporatoire (g/ m3

)

% de digestat

déshydratable

+20°C 105645 8,52 48%

+15°C 140860 7,65 64%

+10°C 211290 5,78 73%

+5°C 422581 3,91 98%

Tableau 5 : Quantité de digestat potentiellement déshydratable en fonction de la T° de l'air réchauffé

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4 Composition des digestats bruts, secs et des issu es de séparation de phases

4.1 Objectifs L’objectif sera ici d’étudier les possibilités d’exportation des digestats en dehors des plans d’épandage afin de contribuer à la résorption des excédents d’éléments fertilisants. Il est indispensable que les méthodes de déshydratation, vues précédemment, puissent donner lieu à des produits organiques normalisables. En effet, sans norme, le produit sec ne serait pas commercialisable et donc difficilement exportable. A défaut, le développement de la méthanisation agricole, dans les zones à forte densité d’élevage, pourrait être compromis ou, du moins, ralenti. Dans un premier temps, nous allons présenter des résultats d’analyse chimique collectés sur le terrain. Pour avoir une meilleure représentation de la diversité des compositions, nous effectuerons ensuite des simulations avec des intrants contrastés en termes de teneur en azote, phosphore et potassium mais également avec différents post-traitements. Enfin, nous ferons le point sur les normes envisageables au vu des caractéristiques obtenues.

4.2 Composition des digestats et de leurs co-produi ts selon le type d’intrants et de post-traitements

4.2.1 Recueil d’analyses chimiques Le recueil des analyses s’est essentiellement effectué dans le contexte français auprès de différents acteurs de terrain. Elles ont été numérotées afin de respecter la confidentialité de certaines d’entre elles. Nous avons distingué 4 catégories : digestat brut, fractions liquide et solide après séparation de phases et digestat sec. Nous n’avons pas pu recueillir des analyses de digestat après compostage avec des matières végétales. Bien que cette catégorie soit hors sujet par rapport à notre problématique de déshydratation, nous en discuterons tout de même compte tenu du fait qu’elle soit identifiée comme voie de normalisation (voir chapitre 4.4), donc comme solution d’exportation. Les valeurs obtenues sur digestat brut confirment qu’il existe une certaine variabilité des teneurs en macro-éléments pour cette catégorie d’effluent. Il demeure cependant difficile d’avoir une vision précise de cette variabilité, d’autant plus sur les post-traitements, car peu d’analyses ont été collectées. Après séparation de phases, la fraction liquide s’appauvrit en azote, phosphore et potassium, (analyse n°6) au profit de la fraction solide (analyse n°9). Les analyses 4 et 5 correspondent à des refus bien secs alors que le 9 est vraisemblablement frais car contenant moins de 20 % de MS. Nous n’avons pas de précision quant au procédé de séparation de phases employé. Avec cette technique, le taux de capture des éléments fertilisants n’est pas total puisqu’une partie des éléments solubilisés reste dans la fraction liquide. A contrario, la déshydratation d’un digestat brut implique une concentration de l’intégralité des éléments dans un unique co-produit solide. Comme semble le montrer notre seul résultat d’analyse, il en résulte une teneur accrue des éléments fertilisants sur produit brut. Cette concentration présenterait un intérêt indéniable lorsqu’il s’agit de les transporter vers des zones non excédentaires. Leur coût de transport s’en trouverait notablement réduit par rapport à des produits demeurant humides ou dilués par des ajouts de matières végétales. Comme nous n’avons qu’une seule valeur d’analyse pour un digestat sec, et bien que cette forte concentration demeure inévitable (mis à part l’azote, l’intégralité des autres éléments ne peuvent que s’y concentrer) nous effectuerons des simulations sur des intrants à composition contrastée en N, P et K pour confirmer ces hypothèses. La seule incertitude concernant cette concentration en éléments dans un digestat sec concerne effectivement les pertes d’azote pendant la phase de déshydratation. Cette perte, plus ou moins élevée de l’azote ammoniacal, peut avoir lieu en l’état (NH3) sous l’action d’un chauffage ou

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majoritairement sous forme de N2 sous l’action d’un processus de compostage. A notre connaissance, il existe trop peu de références en la matière pour donner des ordres de grandeur fiables. Nous n’avons pu collecter de données de digestats (ou d’issues de digestats) compostés avec des matières végétales. Les expériences de compostage du lisier de porc avec de la paille (méthode Guernevez ou Isater) ou avec des déchets verts (procédé Natural) montrent une dilution des éléments fertilisants plus ou moins élevée selon le taux d’introduction de matière végétale. Les rapports vont, en extrême, de 1 pour 15 (de lisier) à 1 pour 1. Ces méthodes d’ajout de matière végétale puis de compostage permettent de favoriser l’accession à des normes amendements (augmentation du taux de matière organique et de matière sèche tout en diluant les concentrations en macro-éléments). N° analyse

MS MO/MB NTK NH4 P2O5 K2O Observations – Type d’int rants

% g/kg produit brut Digestat brut

1 7,4 5,5 4,3 2,5 2,1 4,2 Donne les produits n°6 et 9 - Intrants non précisés.

2 3,4 - 5,1 3,6 1,3 2,0 3 8,8 - - 1,6 - - Ration uniquement à base de

maïs 7 5,9 - 3,2 1,9 1,3 3,2 Maïs + lisier/fumier de bovin,

digesteur principal 7 (bis) 7,3 5,4 4,5 2,6 1,9 4,5 Post digesteur 1 7 (bis) 5,1 3,5 4,3 2,3 1,6 4,5 Post digesteur 2

10 6,2 4,3 5,6 3,4 3,0 3,4 Lisier de porc (57 %) + graisse (21 %) + déchets céréales (21 %)

Fraction solide (déshydratée ou non) après séparati on de phases

4 74 69 13,4 1,5 10,8 12,6 Intrants non précisés 5 84 78 17,5 0,8 12,2 12,4 Intrants non précisés 9 19,3 15,4 7,0 0,3 6,6 4,1 Pas de précision sur le poste de

séparation de phases. Correspond aux produits n°1 et 6

11 - 19,3 17 16 2,4 Analyse (EA022) Orgaterre (2004)

Fraction liquide après séparation de phases

6 2,6 1,6 3,0 2,1 0,5 3,7 Correspond au n°1 et 9

Digestat sec 8 76,5 42 23,3 1,1 31,5 26,7 Intrants non précisés

Tableau 6 : Composition en matière sèche, azote, phosphore et potassium des digestats bruts, des fractions liquide et solide après séparation de phases et d’un digestat sec.

4.2.2 Taux de capture des séparateurs de phases Le Tableau 7 montre les taux de capture de la matière sèche, de l’azote, du phosphore et potassium envisageables avec une vis compacteuse et une décanteuse-centrifuge. Dans un premier temps, nous avons effectué une moyenne arithmétique des données disponibles dans la bibliographie (Cf. annexe 3). Toutefois, nous avons dû retravailler ces chiffres après quelques contrôles de cohérences sur la composition des produits obtenus. Répartition

liquide Répartition

solide Taux de capture dans la phase solide

% masse % masse MS NTK NH4 P2O5 K2O Vis compacteuse

95 5 18 6 4 14 4

Décanteuse centrifuge

88 12 45 20 10 70 10

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Tableau 7 : Taux de capture de la matière sèche, de l’azote, du phosphore et du potassium selon le type de séparateur de phases

NB : Estimation IFIP d’après petersen et al (2007, modifié d’après Moller et al, 2002), Teodorita (2004, cité par Ajena, 2007), Cooperl/Ademe (1987). Peu de chiffres semblent disponibles dans la bibliographie car outre l’obtention d’analyses comme dans le tableau précédent, la détermination d’un taux de capture nécessite de faire un bilan des masses de produits ce qui n’est pas toujours aisé pour des unités à l’échelle de l’exploitation. Les résultats montrent que la hiérarchie du taux de capture des éléments demeure la même entre un lisier de porc et un digestat puisque nous avons P>N>K, soit allant respectivement de l’élément le moins au plus solubilisé. Par contre, nous constatons de façon assez surprenante que, malgré l’effet minéralisant communément admis de la méthanisation, il ne semble pas y avoir de baisse notable des taux de capture des macro-éléments fertilisants comparativement aux performances connues sur du lisier de porc (Levasseur, 2004). Toutefois, ces taux de capture ne sont fournis qu’à titre indicatif, elles doivent être précisées sur un plus grand nombre de données, avec notamment une prise en compte du type d’intrants méthanisés.

4.3 Simulation de composition de digestat et de ses issues Afin de confirmer les observations précédentes, nous avons procédé à des tests de simulation de co-digestion entre du lisier de porc de composition moyenne et des intrants contrastés en terme de composition en N, P et K (Cf. Tableau 8). Le scénario commun retenu a donc consisté à faire de la co-digestion entre les 3700 t de lisier produit annuellement par un élevage de taille moyenne (200 truies naisseur-engraisseurs) avec 2 autres co-substrats, à hauteur de 1000 t/an chacun, soit en proportion, respectivement 65, 17,5 et 17,5 %. Pour effectuer ces simulations, nous avons utilisé le calculateur METHASIM qui est issu d’un travail collectif de 9 organismes : l’IFIP-institut du porc, AILE, SOLAGRO, TRAME, l’ITAVI, la Chambre Régionale d’Agriculture de Bretagne, l’Institut de l’Elevage, le CEMAGREF de Rennes et l’ADEME. METHASIM permet d’effectuer des bilans technico-économiques sur des projets de méthanisation à la ferme. Comme l’objectif sera d’exporter des produits organiques secs, il est nécessaire de baser notre raisonnement sur des teneurs en azote, phosphore et potassium par rapport à la matière sèche des produits. Le critère « somme des teneurs en N + P2O5 + K2O » semble le critère le plus approprié puisqu’il est l’une des composantes majeures distinctives entre les amendements et les engrais organiques (voir chapitre 4.4). Ce n’est pas le seul mais il a le mérite d’être relativement synthétique. Ce critère est basé sur le produit brut pour la classification « amendements/engrais ». Cela dit, pour disposer de produits contrastés, il faut que nous nous basions par rapport à la matière sèche puisque nous comparerons des produits à 70 % de matière sèche. La base de données de METHASIM comporte 250 types de déjections animales et 200 déchets ou produits organiques provenant des collectivités ou des industries et pour lesquels les pouvoirs méthanogènes sont connus. Cependant, nous disposons de valeurs d’analyse en azote, phosphore et potassium pour seulement 104 d’entre elles. La base de données de METHASIM montre ainsi que 25 % des intrants ont des teneurs en N+P2O5+K2O inférieures à 32 g/kg MS ; 25 % comprise entre 32 et 54 g/kg ; 25 % entre 54 et 84 g/kg et 25 % ont des teneurs cumulées supérieures à 84 g/kg MS.

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Composition en % du produit SEC Rations Intitulé intrants N P2O5 K2O N+P2O5+K2O

Pulpe de pommes 1,2 0,2 0,5 1,9 1 Graisses de flottation 1,8 0,7 0,1 2,6 Paille d’avoine 1,1 0,4 2 3,5 2 Ecart tri de Pommes de Terre 1,5 0,6 2,8 4,9 Déchets de céréales 1,8 1,0 2,9 5,7 3 Déchets verts et tontes 4,8 0,5 1,6 6,9 Tourteaux et farine extraction arachide

8,2 1,5 1,8 11,5 4

Blé (plante entière) 9,2 4,5 5,4 19,1 Tableau 8 : Composition des intrants (en % du produit sec) retenus dans la simulation

Composition en % du produit BRUT Rations Intitulé intrants

MS N P2O5 K2O N+P2O5+K2O Pulpe de pommes 20 0,3 0,03 0,09 0,4 1 Graisses de flottation 41 0,7 0,3 0,05 1,0 Paille d’avoine 86 0,9 0,4 1,7 3,0 2 Ecart tri de Pommes de Terre 22 0,3 0,1 0,6 1,0 Déchets de céréales 88 0,8 2,5 5 8,3 3 Déchets verts et tontes 31 1,5 0,1 0,5 2,1 Tourteaux et farine extraction arachide

90 7,0 1,3 1,6 9,9 4

Blé (plante entière) 33 3,0 1,4 1,8 6,2 Tableau 9 : Composition des intrants (en % du produit brut) retenus dans la simulation

R Digestat brut Refus solide séché (2) Digestat sec (3) MS N P K N+P+K MS N P K N+P+K MS N P K N+P+K 1 4,5 0,4 0,2 0,2 0,8 70 2,1 5,0 0,7 7,8 70 3,4 3,3 3,3 10 2 11,3 0,5 0,3 0,6 1,4 70 0,1 2,4 0,9 3,4 70 1,3 1,2 3,2 5,7 3 8,9 0,9 0,4 0,8 2,1 70 2,0 4,0 1,3 7,3 70 3,2 2,9 6,6 12,7 4 8,4 2,5 0,8 0,9 4,2 70 6,4 9,7 1,7 17,8 70 10,2 6,2 7,6 24

Tableau 10 : Composition des digestats bruts et après traitements en % du produit brut (1) (1) R= ration ; P sous forme de P2O5 ; K sous forme de K2O (2) Fraction solide obtenue après décanteuse-centrifuge et déshydratée par l’énergie thermique issue de la co-génération. Hypothèse d’une teneur en MS de 70 % et d’une perte de 30 % de l’azote. (3) Hypothèse d’une teneur en MS de 70 % et d’une perte de 50 % de l’azote. Le Tableau 8 montre la hiérarchie des intrants en terme de teneur en N+P2O5+K2O relativement à leur matière sèche qui vont d’un rapport de 1 à 10 (de 1,9 à 19 % sur MS). Lorsque les teneurs sont indiquées relativement au produit brut, cette hiérarchie n’est plus respectée. Cela dépend des taux de dilution des intrants (Cf. Tableau 9). Cependant, on retrouve cette hiérarchie de composition sur brut entre les 4 digestats obtenus puisque les teneurs cumulées vont de 0,8 % du PB pour le digestat n°1, à 4,2 % pour le digestat n°4. Pour les refus de séparation de phases séchés des digestats, les sommes des teneurs N+P2O5+K2O sont comprises entre 3,4 et 17,8 % du PB. Et pour les digestats 1, 3 et 4, l’élément phosphore a une teneur supérieure à 3 % du PB ce qui les caractérise plutôt comme des engrais organiques que des amendements. Il est à noter que nous avons une inversion de hiérarchie entre les digestats 1 et 2. Il est vraisemblable que pour la ration n°1, l’introdu ction de graisses de flottation, ayant une forte proportion de matière organique digestible sur produit brut, entraîne mécaniquement une perte de volume et une liquéfaction du digestat. Il en résulte donc une augmentation de la teneur sur sec des éléments fertilisants. Les teneurs cumulées en azote, phosphore et potassium, obtenues dans nos simulations (de 3,4 à 17,8 %) sont supérieures aux analyses recueillies pour un produit sec (de 3,5 à 4,2 %, Tableau 10). A

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cela nous avançons 2 explications : les taux de capture des éléments fertilisants recueillis dans la bibliographie sont sans doute sur-estimés ce qui confirmeraient nos doutes (voir page précédente) compte tenu des effets minéralisants de la méthanisation. D’autre part, il est possible que plus de 30 % de l’azote de la fraction solide puisse se volatiliser au moment du séchage. Pour les digestats secs, il y a une accentuation des concentrations en N, P et K par rapport au refus solide issu de la séparation de phases puisque les sommes des teneurs N+P2O5+K2O vont de 5,7 à 24 % du PB. A titre de comparaison, la seule valeur d’analyse disponible a une somme de 8,2 %, soit une valeur comprise entre les digestats n°1 et 2.

Ainsi les produits obtenus dans ces conditions ont globalement les caractéristiques chimiques des engrais organiques pour des digestats secs alors que les refus de séparation de phases séchés semblent avoir un positionnement plus nuancé. Les analyses privilégient l’orientation amendement ce qui n’exclue vraisemblablement pas la possibilité de se retrouver en catégorie « engrais » pour conjointement des intrants initialement très chargés en éléments fertilisants sur la base de leur teneur en MS, des taux de capture élevés de ces éléments et un refus bien sec (plus de 70 % de MS).

4.4 Normes envisageables pour les issus de digestat s secs et perspectives

Afin de faciliter la mise en marché des matières fertilisantes sans avoir à passer par la procédure longue et coûteuse de l’homologation, il existe des normes rendues d’application obligatoire. Les digestats issus de la méthanisation agricole pourraient potentiellement être concernés par 3 normes se distinguant principalement par leur potentiel engrais ou amendement: La norme NF U 42-001 concerne les engrais dont la fonction principale est d’apporter aux cultures les éléments directement utiles à leur nutrition. Il s’agit d’une liste de plusieurs dizaines de produits très spécifiques (guano d’oiseaux, poudre d’os vert,…). Jusqu’à présent, il existait une version datant de 1981 (mais ayant fait l’objet de plus d’une dizaine d’annexes modificatifs) comprenant notamment une dénomination suffisamment imprécise quant aux intrants et aux procédures de traitement pour concerner de nombreuses situations de co-digestion. Il s’agit de la dénomination n° 8 « Engrais à base de déchets animaux et/ou végétaux » classée dans la rubrique 4.6.1. La somme des teneurs en N+P2O5+K2O doivent être supérieures à 3 % du PB et la teneur en N organique doit être supérieure à 1 %. Ainsi l’analyse (tableau 9) recueillie contient 2,2 % d’azote organique (sur un total de 2,3 % et la somme des teneurs dépassent largement ces 3 % (8,1 %). Cela dit, il est nécessaire que les intrants de la co-digestion soient à base de produits animaux ou végétaux. Les unités de méthanisation actuellement en fonctionnement et produisant un digestat sec (cas de la SCAE les 3 chênes d’Herzeele) pouvaient prétendre à cette norme. Cependant, de nombreux opérateurs ont souhaité une révision de cette norme afin d’exclure, notamment, ce genre de dénomination considérée comme trop ouverte. Depuis peu (Journal Officiel du 10 septembre 2010), un amendement modificatif A10 introduit de nouvelles dénominations et supprime celles jugées trop imprécises. La nouvelle norme NF U 42-001, qui sera vraisemblablement mise en application d’ici quelques mois, s’est orientée vers une liste fermée d’intrants d’où seront exclus pratiquement toutes possibilités de co-digestion envisagées. La norme NF U 44-051 concerne les matières fertilisantes composées principalement de combinaisons carbonées biodégradables. Elles constituent des amendements organiques destinés à l’entretien ou à la reconstitution du stock de MO du sol. Ainsi, les teneurs ne doivent pas dépasser :

- 3 % du produit brut pour chacun des éléments N, P2O5 et K2O - 7 % du produit brut pour leur somme N + P2O5 + K2O

Il existe par ailleurs des critères d’innocuité pour 9 éléments traces métalliques (As, Cd, Cr, Hg, Ni, Pb, Se, Cu et Zn), 2 agents pathogènes (Œufs d’helminthes viables et Salmonella) mais aussi en inertes et en composés traces organiques. Sur les 10 dénominations citées dans la NF U 44-051, une seule mentionne conjointement l’emploi de déjections animales, de matières végétales et la possibilité d’une digestion anaérobie. Il s’agit de la dénomination n°10 « Compost de matière végétales et animales », qui permet le « mélange de

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matière végétales et animales (conformes à la règlementation en vigueur), brutes et après pré-traitement anaérobie ayant subi un procédé de compostage caractérisé ou de lombri-compostage ». La terminologie « matière végétale » est très large puisqu’elle peut désigner des cultures intermédiaires et/ou énergétiques, mais aussi du marc de raisins, des déchets de légumes, de la paille, des tourteaux, des broyats de végétaux, des algues,… Cette norme demeure donc accessible aux digestats bruts (issus des intrants précédemment cités) après compostage avec des matières végétales. Ce compostage a un but essentiellement d’hygiénisation (équivalent à une heure à 80°C) et permettra de respecter le critère de composition en matière organique qui doit être supérieur à 20 % du produit brut. Il ne semble pas y avoir de cahier des charges descriptif du processus de compostage. Il en résultera vraisemblablement un coût non négligeable, coût dû aux opérations d’approvisionnement en matière végétale, de mélange et de fabrication du compost. Pour les refus de séparation de phases, il serait souhaitable d’obtenir un compostage caractérisé sans ajout de matière végétale, pour les mêmes raisons que précédemment. Or il est vraisemblable que, dans la plupart des situations, les refus de séparation de phases n’aient plus suffisamment de carbone facilement biodégradable permettant d’obtenir cette fermentation aérobie exothermique. Le cas échéant, l’ajout de matières végétales aura, en outre, pour effet de diluer les éléments fertilisants et de maintenir, en tout état de cause, les teneurs en azote, phosphore et potassium en deçà des valeurs maximales. Pour les digestats secs, l’ajout de matière végétale pourrait réduire les teneurs en éléments fertilisants afin de respecter les seuils des amendements organiques. Cela dit, outre les aspects économiques, il ne pourrait y avoir de compostage compte tenu des teneurs en matière sèche. La norme NF U 44-095 a pour objet de fixer les dénominations des composts contenant des matières d’intérêt agronomique, issues du traitement physique, chimique et biologique des eaux. Il s’agit notamment (mais pas exclusivement, voir annexe B de la norme) des boues biologiques issues des collectivités et des industries agro-alimentaires. En cas de traitement anaérobie, le produit obtenu doit subir un traitement aérobie. Dans ce cas, l’incorporation d’un co-composant de type matière végétale est obligatoire dans la mesure où il s’agit d’obtenir un amendement organique. Comme pour la norme NF U 44-051, les teneurs ne doivent pas dépasser :

- 3 % du produit brut pour N et P2O5 et K2O - 7 % du produit brut pour N + P2O5 + K2O

Et il existe les mêmes (à quelques nuances près) critères d’innocuité pour des éléments traces métalliques, les pathogènes et indicateurs de traitement, les inertes et composés traces organiques. Enfin, il existe un seuil pour les MS (> 50 % sur MB) et les MO (> 20 % sur MB, > 30 % sur MS et < 40 % sur Norg). Comme pour la norme NF U 44-051, ce compostage peut avoir lieu tant sur un digestat brut que sur un refus de séparation de phases. La norme NF U 44-095 est cependant privilégiée dès qu’une boue biologique est introduite dans le digesteur. L’accessibilité aux normes est, comme nous l’avons vu, envisageable pour des fractions solides. Pour les digestats bruts et la fraction liquide issue d’une séparation de phases, elles demeurent des déchets organiques avec obligation de plan d’épandage. Le tableau n°11, synthétise les normes envisageable s selon le type d’intrant et le post traitement envisagé.

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Post-

Traitement 1

Post-

Traitement

2

Produits

obtenus

Normes NF U

envisageables

Observations

néant Néant Digestat

brut

Aucune Plan d’épandage obligatoire

44-051 ou Compostage

digestat avec

substrat ligno-

cellulosique

(LC)

Néant Compost

44-095 ou

néant (1)

Normes envisageables sous réserve de respect des

critères de composition et d’innocuité. Le

compostage entraîne un surcoût supérieur à 10 €/ m3

compte tenu des retours d’expérience avec les

procédés ISATER et méthode Guernevez.

Difficilement envisageable sur le terrain.

Déshydratation Néant Digestat sec Aucune Dénomination n°8 (4.6.1) « Engrais à base de

déchets animaux et/ou végétaux » si co-substrat à

base de matière végétale dans la norme NF U 42-

001 actuelle. Plus de dénomination

correspondante après mise en application

obligatoire de l’amendement modificatif A10.

Néant Un solide et

un liquide

Aucune

Compostage

de la

fraction

solide avec

substrat LC

Un liquide

et un

compost

Néant pour le

liquide, 44-

051 ou 44-

095 ou néant

pour le solide

(1)

Coût prohibitif de cette succession de traitement

(séparation de phases + compostage) (3) sans que

cela présente un intérêt pour le porteur de projet

(quantité d’azote potentiellement exportable

négligeable), donc difficilement envisageable sur

le terrain

Séparation de

phases

mécanique du

digestat

Séchage de

la fraction

solide (2)

Un liquide

et refus de

séparation

de phases

sec

Aucune Pas de compostage mais fraction solide pouvant

être hygiénisée par la chaleur issue du co-

générateur (cas du projet d’Herzeele cité

précédemment). Coût d’investissement à ne pas

négliger compte tenu des risques d’émission

d’ammoniac.

Tableau 11 : Normes françaises envisageables dans le cadre de la méthanisation agricole sur du lisier de

porc selon le post-traitement du digestat brut et le type de co-substrats (2010) (1) Norme NF U 44-095 si l’un au moins des co-substrats contient des boues issues du traitement

des eaux, NF U 44-051 si l’intégralité des co-substrats peuvent être considérés comme une matière végétale (selon la définition de cette norme) ; aucune de ces 2 normes le cas échéant.

(2) Séchage par la chaleur issue de la co-génération ou insufflation/aspiration d’air extérieur ou

par retournement sans qu’apparaissent les manifestations d’un compostage caractérisé.

(3) Selon Pouech (communication personnelle), l’élévation de température d’un refus de séparation de phases peut être obtenue sans ajout de matière végétale si le procédé de méthanisation n’a pas été mené « à terme ». Si par contre le process a été bien mené avec un TRH suffisamment long, il ne restera plus de matière carbonée accessible au compostage.

Méthanisation dans la filière porcine Août 2010

ADEME 42/111

4.5 Synthèse et perspectives sur les normes applica bles au digestat

Selon les analyses obtenues, les refus de séparation de phases, ont des teneurs caractéristiques d’un amendement et non d’un engrais. Toutefois, d’après nos simulations, un refus de séparation de phases bien sec, issus de co-substrats à teneur initialement élevée en éléments pourrait plutôt avoir les caractéristiques d’un engrais. Cette nuance devra cependant être confirmée. Sur la base des analyses recueillies, la norme NF U 44-051 serait envisageable si l’intégralité des co-substrats est de type matière végétale ou la norme NF U 44-095 si au moins l’un des co-substrats est de type boue biologique. Dans les deux cas, un compostage caractérisé demeure nécessaire. Lorsque la méthanisation a été bien menée, ce type de produit sera vraisemblablement peu apte au compostage en l’état compte tenu des pertes de carbone facilement biodégradables. Un ajout de matière végétale serait alors nécessaire quoiqu’il soit spécifié d’office pour la 44-095. Le compostage avec des matières végétales nous semble cependant contraignant et inapplicable sur le terrain à plus d’un titre : (i) Outre les difficultés éventuelles d’approvisionnement en matière végétale, la mise en œuvre d’un procédé de compostage demeure très onéreuse (environ 10 €/ m3 d’effluent traité, Levasseur, 2004). (ii) De plus, la résorption des éléments fertilisants excédentaires nécessite qu’ils soient très concentrés afin d’en réduire le coût de transport. Or ce n’est pas le but recherché pour les amendements organiques, pour lesquels il faut des marchés de proximité, situation peu envisageable en zone à forte densité d’élevage. Cet excédent est accentué par l’apport en éléments fertilisants contenus dans les matières végétales. Enfin, dernier écueil pratique : la séparation de phases résout peu les problèmes de résorption compte tenu des taux de capture modéré des éléments fertilisant notamment pour l’azote. Pour ces différentes raisons, nous ne pensons pas que cette méthode puisse être amenée à se développer notablement dans la filière porcine. Pour les digestats secs, ayant pourtant des teneurs en azote, phosphore et potassium caractéristiques des engrais organiques, aucune norme ne semble envisageable compte tenu de l’amendement modificatif A10. La création d’une rubrique spécifique dans la norme NF U 42-001 serait nécessaire. Cela pose le problème des délais de mise en œuvre d’une telle norme car il n’y aura pas de développement des techniques de séchage tant qu’il n’y a pas de norme pour les co-produits qui en sont issus. Et réciproquement, il sera difficile de recueillir des références de composition tant qu’il n’y a pas d’unités en place.

5 Simulations technico-économique Après avoir vu les différentes technologies de séchage et les possibles normes pouvant concerner le digestat déshydraté, il est question, dans cette partie du rapport, d’analyser la faisabilité technico-économique de divers scénarios couplant méthanisation et solutions de déshydratation.

5.1 Méthodologie Pour chacun des procédés de déshydratation retenus, l’objectif est d’analyser l’effet du volume de digestat à traiter en comparant deux dimensions contrastées (3 000 et 10 000 m3/an), afin d’évaluer l’importance des économies d’échelles. Ces deux scénarios ont été rapportés à des exploitations porcines pourvues d’une unité de méthanisation et présentant différents niveaux d’excédent d’azote, soit 20%, 50% ou 80 % de la quantité totale de digestat produite. En pratique, il serait nécessaire d’affiner cette notion d’excédent sur la base de l’élément fertilisant majeur limitant. NB : Pour des raisons pratiques (la nécessité de recueillir des devis précis de la part de constructeurs), le nombre des scénarios a été limité (il aurait pu être souhaitable de faire varier la proportion de digestat à déshydrater, pour une taille donnée de l’unité de méthanisation). Si la méthode retenue permet de couvrir la diversité des situations d’élevage, l’analyse de l’incidence de la proportion d’excédent à déshydrater se surimpose toutefois à celle de la puissance installée.

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5.2 Caractéristiques techniques et financières des unités de méthanisation

5.2.1 Les co-substrats La disponibilité en intrants suffisamment méthanogènes est une condition indispensable à la rentabilité d’un projet de méthanisation. Dans les simulations proposées, nous avons retenu le cas d’une exploitation porcine utilisant la totalité des lisiers produits, ceux-ci représentant les 2/3 (en masse) des intrants du méthaniseur ; les autres intrants étant constitués de vieux pain, de déchets de fruits en proportion équivalente (à raison de 12,5 % du tonnage total pour chacun d’entre eux) et de graisses industrielles (8,3 %). Ce mélange respecte les teneurs en matière sèche, azote ammoniacal et graisses généralement préconisées pour le bon fonctionnement de la bio digestion dans le méthaniseur. L’utilisation du lisier s’opère pratiquement en flux tendu ; toutefois, il est prévu une pré-fosse de 100 m3 pour tenir compte des variations des volumes stockés, dues au rythme de vidange des salles. Un coût de construction de 80 € / m3 est retenu, déterminant un investissement de 8000 €. Les silos couloirs pour le stockage des graisses, des déchets de pain et de fruits, représentent des coûts moyens de 60 € / m2 de sol et 75 € / m2 de muret ; à raison d’une capacité de stockage de 2 mois, les coûts des plateformes s’élèvent alors entre 15 000 et 133 000 € selon les quantités à stocker.

5.2.2 L’unité de production et de valorisation du b iogaz Le digesteur est de type continu et fonctionne en phase liquide et en conditions mésophiles (38°C). Le volume utile du digesteur (Cf. Tableau 12) est fixé par la plus limitante des deux contraintes : temps de séjour minimal dans le digesteur de 30 jours et charge en matière organique maximale de 3 kg MO / m3 / j ; soit, ici, la seconde, ce qui détermine un temps de séjour effectif de 55 jours. Pour l’ensemble des scénarios, le biogaz est valorisé dans un co-générateur (moteur à gaz) de manière à bénéficier de recettes par la vente de l’électricité. En effet, des simulations effectuées précédemment qui envisageaient la valorisation exclusive du biogaz par une chaudière spécifique (afin de disposer du maximum de chaleur possible pour la déshydratation, notamment dans les situations à fort niveau d’excédent) ont montré la difficulté à se dispenser économiquement de ces recettes, dans toutes les situations. Les rendements électriques obtenus vont théoriquement de 36 à 38 % de l’énergie primaire. Les pertes thermiques sont fixées à 15 % et la fraction thermique utile est constituée du solde énergétique. En cas de déficit par rapport au besoin, il est prévu d’utiliser également les gaz d’échappement pour la déshydratation du digestat, les pertes thermiques étant alors ramenées à 5 %. Les montants des investissements sont issus du calculateur Méthasim (2010) qui propose des équations de prédiction des coûts basés à la fois sur les retours d’expérience allemands et sur les premières réalisations françaises (Cf. Tableau 12). Concernant les canalisations (gaz, eau chaude et lisier) le choix a été fait d’une installation relativement compacte : les canalisations lisier et gaz sont de 100 m pour un coût de 80 € par mètre linéaire (ml), tranchées comprises ; celles d’eau chaude sont de 100 ml pour un coût de 150 €/ml (tranchées comprises également). Le raccordement électrique au réseau s’élève à 10 000 €, même si, en situation, cette valeur peut s’avérer 4 à 5 fois plus élevée lorsqu’une adaptation du transformateur ou un renforcement des lignes s’avère nécessaire. Enfin, un pourcentage de 5 % de l’investissement total est retenu à titre de marge de sécurité pour faire face aux imprévus, coûts des études et des dossiers administratifs (DDAE,…)…

5.2.3 Stockage du digestat brut et des co-produits issus de la déshydratation

Pour le stockage des digestats bruts résiduels, la fosse de stockage des lisiers (généralement disponible en élevage) est considérée comme suffisante pour stocker le digestat non traité (même dans la situation la plus pénalisante, dans laquelle l’exploitant doit conserver 80 % du digestat sous sa forme initiale).

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Après déshydratation, différents types de co-produits doivent être stockés, selon la technologie employée : Les refus de séparation de phases (après décanteuse-centrifuge) et les digestats secs nécessitent un stockage sous hangar couvert. Il est envisagé ici 6 mois de stockage pour des produits ayant une densité respective de 0,7 (50 % de MS) et 0,6 (70 % de MS). Les coûts de construction de ce hangar, couvert sur 3 côtés, sont de 150 € / m2 pour l’ensemble sol et toiture, 75 € / m2 pour les murets en béton banché et 30 € / m2 pour les bardages bois ; soit un coût de 15 000 à 67 000 € selon les quantités à stocker pour chaque scénario. Le concentrat, à 30% de matière sèche, issu d’une évaporation par CMV ou multiples effets doit être stocké dans une petite fosse en béton (prix estimé : 80 € / m3). Avec une densité estimée à 1,1, un stockage sur 6 mois et une proportion de concentrat de 87 kg / m3 de digestat traité, des fosses de 120 et 400 m3 sont nécessaires, coûtant 9 500 et 32 000 € pour un besoin de résorption de respectivement 3 000 et 10 000 m3 de digestat. Dans cette analyse économique, il n’a pas été tenu compte de la gestion des digestats et de leurs co-produits. Le coût d’exportation de ces derniers, difficilement chiffrable, est néanmoins réel, sauf, le cas échéant, en situation de prix élevés des éléments fertilisants (la vente compensant alors les coûts de transport). Les difficultés réglementaires relativement à la gestion des co-produits sont par ailleurs réelles (Cf. Partie 4.5). Quantité de digestat à déshydrater (m3

/an) 3 000 10 000

Niveau d’excédent en N (en % digestat total) 20 50 80 20 50 80

Taille d’élevage correspondante en nombre de truies NE (1)

620 250 150 2070 830 520

Quantité d’intrants (t/an) 17690 7076 4423 58969 23588 14742 Quantité de digestat (t/an) 15000 6000 3750 50000 20000 12500

Volume du digesteur (m3) 2871 1149 718 9571 3828 2393

Production de méthane (m3/j) 4205 1682 1051 14018 5607 3504

Rendement électrique (%) 38 38 36 38 38 38 Production d’électricité (MWh/an) 5624 2251 1333 18759 7504 4688 Puissance du co-générateur (KWe installé) 721 289 171 2405 962 601 Investissements totaux en k€ (2) 2 561 à

2 731 1 422 à 1 591

1 206 à 1 293

7 294 à 7 370

3 494 à 3 570

2 550 à 2 704

Dont subventions en k€ (2) 565 361 271 à 293

716 716 716

Tableau 12 : Principales caractéristiques techniques et économiques des unités de méthanisation 1- A titre indicatif, arrondi à la dizaine la plus proche 2- Variable selon le procédé de déshydratation retenu – L’égalité des montants de subventions entre certains scénarios s’explique par l’existence de plafonds.

5.2.4 Financements, subventions et durée de vie des équipements Les financements nécessaires présentent un taux d’intérêt de 4,5 %. Cette même valeur a été retenue pour le taux d’actualisation. La durée de vie du co-générateur est présumée de 7 ans et de 12 ans pour le reste des équipements. Les montants des subventions sont établies sur la base des règles appliquées en Bretagne où il est fait une distinction entre les équipements de méthanisation et ceux destinés à résorber des excédents d’effluents. Pour la production et la valorisation du biogaz, des subventions peuvent être attribuées si le projet présente des perspectives de rentabilité. Elles peuvent alors s’élever à 30 ou 40 % du montant de l’investissement (la valeur de 30% a été retenue ici), avec un plafond de 500 000 €. Pour l’unité de déshydratation et ses annexes (décanteuse centrifuge, hangar,…), le montant des subventions (notamment agence de l’eau) est calculé en fonction de la quantité de phosphore résorbée ; soit 20 € par kg de P2O5 (15 € pour l’extraction + 5 € pour la valorisation du co-produit). Le montant de cette subvention ne pourra toutefois pas dépasser 40 % du montant total facturé pour ces équipements. Il en résulte, pour nos simulations, des taux de subventions de 9 à 28 % selon le scénario.

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Ces modalités de subventions diffèrent d’une zone géographique à l’autre. Dans les Pays de la Loire par exemple, les équipements de traitement des digestats sont subventionnés sur les mêmes bases que l’unité de production et de valorisation du biogaz. Il existe également des conditions d’éligibilité et des modalités de calcul spécifiques.

5.2.5 Les dépenses et recettes annuelles d’exploita tion Les coûts d’exploitation ont été fixés à 18 € / heure pour la main d’œuvre, 60 € / MWh électrique consommé (7 % de l’énergie primaire) et, pour le co-générateur, 20 € de maintenance par MWh électrique produit. Pour les unités de traitement, ces coûts sont évalués à 8 % du montant de l’investissement, en y ajoutant les consommations électriques des évaporateurs CMV (60 € / MWh utilisé) ou les consommations en acide sulfurique (250 € / t). L’assistance au suivi du projet est fixée à 6 000 € / an et les frais d’assurance à 1 % du montant total du projet. Le prix de vente de l’électricité est basé sur les règles de l’arrêté de juillet 2006 avec la prise en compte des indices en vigueur pour l’année 2010. Les besoins énergétiques pour le séchage sont pris en compte dans la valeur du V donc dans le prix de vente de l’électricité. S’y ajoutent les indemnités de traitement des déchets, fixées ici à des niveaux modérés (30 € / t de graisse et 0 € / t de déchets de fruits), les coûts de transport demeurant à la charge du producteur de déchets.

5.3 Caractéristiques techniques et financières des unités de traitement du digestat

Les quatre systèmes de déshydratation retenus (Cf. Tableau 13), représentent des chaînes d’équipements ayant fait leurs preuves, sur du digestat ou des effluents industriels (Backx et al, 2009, Rugani et al, 2010). Ils préservent l’azote et permettent de traiter (par concentration et exportation) l’ensemble des éléments fertilisants : azote, phosphore mais aussi éléments solubles (tels que potassium, sodium,…). Ont été également inclus des dispositifs permettant d’éviter la volatilisation de l’ammoniac. Chaînes de traitement retenues : 1. Pré-concentrateur de type « ROTO-DRYER » de Spiessens + tapis de séchage + lavage d’air 2. Décanteuse-centrifuge + évapo-concentrateur par compression mécanique de vapeur + stripping 3. Décanteuse-centrifuge + évapo-concentrateur à double effet + stripping 4. Acidification + pré concentrateur de type « ROTO-DRYER » + sécheur à palettes à huile thermique L’intérêt des pré-concentrateurs est de pouvoir déshydrater des masses conséquentes de liquides pour des coûts d’investissement (Cf. Tableau 13) et de fonctionnement modérés. Parmi les différents modèles existants (Backx et al., 2009, IFIP, 2009, Rugani et al., 2010), le « Roto-Dryer » de Spiessens a été retenu pour sa rusticité et sa compatibilité avec les gammes de température produites par les co-générateurs. Il ne peut fonctionner qu’en phase liquide (soit un taux maximum de 15-20 % de matière sèche avec du digestat brut). Ce pré-concentrat est ensuite envoyé sur des tapis de séchage (scénario 1) ou sur un sécheur à palettes (scénario 4), procédés adaptés à des siccités plus élevées (l’utilisation de ces 2 équipements sans concentration préalable nécessiterait d’accroître notablement les dimensions, donc les coûts d’investissement et d’exploitation). Par ailleurs, parmi ces 4 propositions, seuls les tapis de séchage et les sécheurs à palettes fournissent un digestat sec (70 % de matière sèche). Les évapo-concentrateurs permettent d’obtenir, outre un refus de séparation de phases et un sulfate d’ammonium, un concentrat à 30 % de matière sèche (ayant l’aspect d’un sirop épais) et ne représentant plus qu’un neuvième environ du volume initial. Une séparation de phases initiale poussée, permet au produit de rester de consistance liquide après une telle concentration. Il est toujours possible de déshydrater davantage ce concentrat mais les investissements deviennent rapidement dissuasifs. Compte tenu de ces propriétés très différentes, le choix de tel ou tel procédé ne devra pas uniquement se faire sur la base du coût mais aussi selon le type de co-produit obtenu, la technicité des équipements, leur rusticité,… A ce titre, un descriptif complet de ces procédés est disponible dans le document de Rugani et al. (2010). Les coûts

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d’investissement et de fonctionnement spécifiques aux installations de déshydratation, rapportés dans le Tableau 13, sont également issus de cette étude.

Quantité de digestat à déshydrater (m3

/an) 3 000 10 000

Procédé de déshydratation

Tapis de séchage

Evapo-concentrateur

par CMV

Evapo-concentrateur double effets

Sécheur à palettes

Tapis de séchage

Evapo-concentrateur

par CMV

Evapo-concentrateur double effets

Sécheur à palettes

Dénomination abrégée pour les graphiques

P+PS Ev CMV Ev 2E P+SP P+PS Ev CMV Ev 2E P+SP

Valeur du V(2) selon le niveau d’excédent

20 % 65 46 53 59 65 46 53 59 50 % 98 51 67 83 98 51 67 83 80 % 98 54 80 98 98 54 80 98

Dispositifs de déshydratation : coûts d’investissement (en k€)

Décanteuse-centrif. - 68 68 - - 112 112 - Acidification - - - 15 - - - 20

Pré-concentrateur 50 - - 50 100 - - 100 Tapis de séchage 250 - - - 400 - - -

Evaporateur + stripping - 450 470 - - 540 560 - Sécheur à palette - - - 300 - - - 422

Chaudière à propane - - - 70 - - - 100 Laveur d’air 90 - - - 150 - - -

TOTAL déshydratation

390 (1) 518 538 435 650 (1) 652 672 637

Coût d’exploitation de ces équipements (en k€) 40 (1) 52 54 106 79 (1) 82 84 262

Tableau 13 : Valeurs du V et coûts retenus pour les dispositifs de déshydratation (1) Hors investissement chaudière et coût combustible pour 80 % d’excédent (2) Le V indique le taux de valorisation de l’énergie il est égal à (Electricité vendue + énergie thermique valorisée) / énergie primaire (biogaz) * 0,97

5.4 Indicateurs économiques et financiers Les simulations économiques ont été réalisées par le calculateur Méthasim (2010). Cet outil, disponible sur internet, permet d’appréhender la rentabilité de projets de méthanisation au moyen de différents indicateurs économiques et financiers : Temps de Retour Brut (TRB) sur investissement, Taux de Rentabilité Interne (TRI), Valeur Actualisée Nette (VAN) et le Taux d’Enrichissement en Capital (TEC) de chacun des scénarios. Nous déterminerons également le coût (ou le gain) pour chaque m3 de digestat déshydraté en divisant le solde de trésorerie par le montant total des investissements. En cas d’excédent de lisier pour l’exploitation dans sa situation initiale, un proje t méthanisation/déshydratation non rentable peut tout de même s’avérer intéressant à des fins d e traitement, du moins à concurrence du coût des solutions employées par ailleurs (traiteme nt biologique par boue activée, compostage,…).

5.5 Résultats et discussions En tenant compte des intrants employés et des quantités et proportions de digestat à déshydrater, les co-générateurs des unités de méthanisation retenues atteignent des puissances qui vont, en valeurs extrêmes, de 171 à 2405 kW électriques installés (Cf. Tableau 12). En relation avec ces niveaux de puissance mais aussi selon le procédé considéré, les investissements totaux s’échelonnent de 1 206 à 7 370 k€ (soit 3 030 à 7 560 € par kW électrique installé). Il s’agit de montants inférieurs à ceux mentionnés par Solagro et al (2010). Ces auteurs ont en effet montré que les premières installations françaises (en fonctionnement ou en projet) avaient des coûts compris entre 5 200 et 8 600 € / kWél selon le niveau de puissance du co-générateur. Ces différences devraient largement s’atténuer avec la maturité du marché français.

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Les simulations montrent que, avec les tapis de séchage, les disponibilités en énergie thermique issues du co-générateur sont insuffisantes dès que la proportion de digestat à déshydrater dépasse 50%. Pour le pré-concentrateur situé en amont du sécheur à palettes, ce seuil est compris entre 50 % et 80 % ; avec les évapo-concentrateurs, ce seuil excède 80 %. Lorsque cette énergie est insuffisante, les gaz d’échappement du moteur sont collectés et leur contribution à la déshydratation permet un gain supplémentaire d’énergie, de 10 % de la production primaire. Au-delà, soit il est nécessaire de réduire notablement l’objectif de siccité finale des produits, ou de réduire les excédents en amont (effectifs et alimentation des animaux, choix d’intrants moins pourvus en éléments fertilisants,…), ou encore d’installer une chaudière d’appoint (solution retenue ici, tableau 13). En pratique, il s’agit donc de bien cerner les niveaux d’excédent résiduels afin d’optimiser les différentes options envisageables. Les valeurs des V (taux de valorisation de l’énergie) de chaque scénario sont mentionnées dans le Tableau 13.

5.5.1 Analyse du Temps de Retour Brut sur investiss ement (TRB)

Figure 20 : TRB des différents scénarios sans subventions

Figure 21 : TRB des différents scénarios avec subventions

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Pour de petits excédents (20%), le TRB est peu différent entre les scénarios et il est compris entre 4,6 et 5,6 ans (avec subventions, Figure 21). Le TRB augmente lorsque le taux d’excédent s’élève (projets ayant 3 000 m3 de digestat à résorber comparativement à ceux qui en ont 10 000). Avec un taux d’excédent de 80 %, les TRB restent inférieurs à 10 ans pour de grands projets (= 14 700 t d’intrants / an) alors qu’ils s’établissent entre 13 ans (cas Ev2E 3 000, le plus favorable) et 37 ans (cas P+SP 3 000, le moins favorable) pour des projets plus petits (= 4 400 t d’intrants/an). En l’absence de subvention, le TRB est dégradé mais la hiérarchie entre ces scénarios n’est pas modifiée. Cette perte de rentabilité apparente, qui doit être confirmée avec des critères économiques et financiers plus avancés, est due aux économies d’échelle sur les coûts de traitement. En effet, ces coûts augmentent moins vite que les recettes de la vente d’électricité. Ainsi pour un excédent de 20 %, l’investissement dans le procédé de résorption représente 52 % et 28 % de la recette annuelle d’électricité, pour respectivement 3000 et 10000 m3 de digestat à déshydrater. Avec un excédent de 80 %, ces proportions sont respectivement de 240 % et de 116 %. Le TRB n’augmente pas linéairement avec la proportion d’excédent (Figure 20 et Figure 21). L’accroissement de pente à partir de 50 % d’excédent s’explique par le fait qu’au-delà, il n’y a plus ou presque plus d’augmentation de la prime à l’efficacité énergétique alors que des équipements (chaudière…) et/ou du consommable énergétique supplémentaire sont nécessaires (tapis de séchage, sécheur à palettes).

5.5.2 Analyse du Taux de Rentabilité Interne (TRI)

Figure 22 : TRI des différents scénarios avec subventions

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Figure 23 : TRI des différents scénarios sans subventions

L’analyse du Taux de Rentabilité Interne (TRI) confirme la rentabilité de la totalité des projets n’ayant que 20 % d’excédent (Figure 22 et Figure 23) : le taux est alors, dans l’ensemble des cas, supérieur à 15 % (avec attribution de subventions). Cette rentabilité est particulièrement liée au choix des hypothèses techniques et économiques : ainsi, à l’exception du lisier (de truies notamment), les substrats présentent un bon potentiel méthanogène (526 m3 CH4/t de matière organique, 87 m3 CH4/t de produit brut) ; le choix des niveaux d’investissement a aussi toute son importance. Sur la base des chiffres disponibles sur les premières installations françaises (Solagro et al, 2010), il y aurait 10 à 15 points de rentabilité en moins pour une unité de 500 à 1000 kWél. installés par rapport au chiffrage retenu ici. Ces différences sont cependant bien moindres pour des unités de 100 à 200 kWél. L’importance des subventions est réelle, notamment pour les petits projets : avec 20 % d’excédent, la suppression des subventions entraîne une perte moyenne de TRI respectivement de 3,2 et 7,1 points pour les grands et les petits projets. D’une manière générale, plus le taux d’excédent est élevé, plus le TRI est dégradé pour les raisons indiquées (économies d’échelle) ; toutefois, pour les gros projets, le TRI n’est que peu réduit à 50 % (vs 20 %) d’excédent car il y a une augmentation de la prime à l’efficacité énergétique, sans investissement supplémentaire. Avec 80% d’excédent, les petits projets (170 kWél installés) ne sont plus rentables alors que de plus gros projets (600 kWél) le demeurent. Pour cette gamme de puissance électrique installée et au-delà, la rentabilité financière des scénarios est cependant très contrastée selon le procédé de résorption retenu.

5.5.3 Le coût du traitement

Figure 24 : Gain ou coût des différents scénarios, ramené au m3 de digestat déshydraté avec subventions

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Figure 25 : Gain ou coût des différents scénarios, ramené au m3 de digestat déshydraté sans subventions Bien qu’un projet ne soit pas considéré comme rentable en deçà d’un TRI de 4,5 % (correspondant au coût de l’argent), il pourrait tout de même être perçu comme une solution de traitement si l’exploitation porcine, avant projet, était déjà excédentaire en éléments fertilisants. Le coût du projet de couplage méthanisation / déshydratation est alors à rapprocher de celui des procédés de traitement qu’il aurait fallu mettre en œuvre par ailleurs (décanteuse-centrifuge, traitement biologique par boue activée, compostage,…) soit environ 10-12 €/m3. Ainsi, les calculs (non présentés ici) montrent que s’il n’y a que 20 % d’excédent après projet, avant projet l’exploitation n’est pas excédentaire. A 50 % d’excédent, les excès en azote et phosphore avant projet, sont respectivement de 4 et 28 % pour 3000 et 10 000 m3 ; à 80 %, ils s’élèvent à 66 et 105 %. Les Figure 24 etFigure 25 montrent le gain ou le coût des différents scénarios, ramené au m3 de digestat déshydraté. Si le projet n’est pas rentable, il est nécessaire de comparer le projet méthanisation / déshydratation versus traitement classique sans méthanisation.

5.5.4 Analyse de la Valeur Actualisée Nette (VAN)

Figure 26 : VAN des différents scénarios avec subventions

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Figure 27 : VAN des différents scénarios sans subventions

Pour de grands volumes de traitement et une petite proportion d’excédents, les scénarios avec tapis de séchage apparaissent plus favorables que les autres (Figure 26 et Figure 27). Cet avantage est dû à un meilleur prix de vente de l’électricité (respectivement 122 vs. 105 à 117 € / MWh pour les autres procédés) Cf. Tableau 13). Les coûts d’investissement et de fonctionnement ont également un impact favorable, mais de façon plus marginale. Cet avantage relatif se réduit avec l’augmentation de la proportion de digestat à résorber, pour devenir nul à 80 % d’excédent ; en effet, les tapis de séchage sont très consommateurs en énergie thermique et impliquent dans ce cas l’achat d’une chaudière et des frais supplémentaires en combustibles. Pour cette proportion d’excédent, et uniquement pour de grands volumes de traitement, les évaporateurs (notamment ceux à double effet) présentent une supériorité économique. Le type de produit obtenu doit toutefois correspondre aux besoins de l’exploitation.

5.5.5 Conclusion sur les simulations technico-écono mique La rentabilité d’un projet de méthanisation comprenant une unité de déshydratation du digestat diminue avec l’augmentation de la proportion d’excédent à déshydrater. En effet, d’une part la quantité de chaleur issue du co-générateur devient plus ou moins rapidement insuffisante (selon le scénario proposé), ce qui nécessite le plus souvent l’adjonction d’une chaudière et/ou des consommations énergétiques supplémentaires ; d’autre part, il s’agit souvent d’unités de méthanisation de plus petite taille pour lesquelles les investissements dans le procédé de résorption deviennent élevés par rapport aux recettes électriques. Dans tous les cas, malgré un plafonnement des subventions et une électricité vendue à un niveau légèrement moindre, les grandes installations de méthanisation sont toujours plus rentables du fait des fortes économies d’échelle affectant les installations de déshydratation. Pour de petites installations de méthanisation, l’impact des subventions demeure élevé. Cette étude a permis, par ailleurs, de démontrer l’intérêt économique des tapis de séchage dans une large gamme de niveaux d’excédent : ainsi, pour 20 et 50 % d’excédents et pour 3 000 ou 10 000 m3 de digestat à résorber, les installations disposant d’un tapis de séchage précédé d’un pré-concentrateur, présentent les meilleures rentabilités. Ce positionnement s’explique par un investissement moins coûteux et un meilleur prix de vente de l’électricité (lié à la prime à l’efficacité énergétique). Les tapis de séchage sont les procédés les plus énergivores mais ils sont bien adaptés à la valorisation de l’énergie thermique issue de la co-génération. A partir de 40-50 % d’excédent (voire même bien avant pour des intrants qui seraient peu méthanogènes), les disponibilités thermiques peuvent manquer. La nécessité d’investir dans une chaudière et les consommations associées de combustible d’origine fossile (fuel ou gaz naturel) réduisent considérablement la rentabilité d’un tel scénario. A 80 % d’excédent et pour de grands volumes de digestat à sécher, l’évaporation double effet apparaît comme la solution la plus avantageuse. Peu consommatrice d’électricité, elle valorise davantage l’énergie thermique disponible que l’évaporation par CMV et permet de bénéficier d’un meilleur prix de vente de l’électricité.

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Enfin, pour des volumes modérés de digestat à résorber (soit 3 000 m3 / an dans nos simulations) et représentant un taux d’excédents important, tous les procédés de séchage étudiés réduisent à néant la rentabilité des projets de méthanisation. L’analyse économique montre par ailleurs que la rentabilité des scénarios utilisant des évaporateurs par CMV ou des sécheurs à palettes sont systématiquement moins bien placés économiquement, par rapport aux deux autres procédés. Le sécheur à palettes est principalement pénalisé par ses coûts d’exploitation. Le niveau de température auquel il fonctionne ne lui permet pas de valoriser l’énergie thermique issue du co-générateur, ce qui nécessite de fortes consommations d’énergie fossile (il pourrait être utilisé du biogaz mais cela entrainerait moins de recettes électriques). Quant à l’évaporateur par CMV, il est pénalisé par son système de compression lui permettant d’économiser de l’énergie thermique. Il en résulte un prix payé du kWh électrique inférieur, via la prime à l’efficacité énergétique. Outre l’aspect purement économique, la nature des co-produits obtenus doit être un élément de réflexion. L’obtention d’un co-produit unique à plus de 70 % de matière sèche, par les tapis de séchage et les sécheurs à palette, constitue un véritable atout. La gestion d’un refus de séparation de phases, d’un concentrat, d’un sulfate d’ammonium et d’une eau technique avec les évapo-concentrateurs s’avère un peu plus délicate.

6 Expérimentation sur un prototype de séchoir

6.1 Choix du prototype à mettre en place Au vu des éléments exposés dans ce rapport, plusieurs solutions semblaient intéressantes à étudier, cependant les deux procédés ci-dessous apparaissent économiquement, environnementalement et techniquement plus adaptés au contexte agricole :

- 1 : Testage d’un sécheur à bande perforée ; - 2 : Testage d’un pré-concentrateur type techno-one;

Ces 2 procédés possèdent des raisons valables pour mettre en place un prototype. Le premier est celui utilisé aujourd’hui par Techno-one et dans l’élevage d’Herzeele. Or, étant donné que des éleveurs et des installateurs ont fait le choix de cette technologie et au vu des éléments présentés dans ce rapport, il paraissait judicieux de mettre en place un banc d’essai permettant d’évaluer les performances techniques de ce process. De plus, la technologie est simple et rustique et la construction d’un prototype serait facilement envisageable. Etant donné, que l’énergie nécessaire à la déshydratation complète du digestat est insuffisante, même dans les conditions les plus favorables, il semble indispensable qu’une partie de la déshydratation soit effectuée en utilisant le pouvoir séchant de l’air. Ainsi, le testage du système de pré-concentration de techno-one permettait d’une part d’alimenter les prototypes en digestat pré-concentré (nécessaire pour le tapis de séchage) et d’autre part d’évaluer l’efficacité et les limites de ce système. Il faut également noter que le pré-concentrateur permet de ne pas avoir de fraction liquide à gérer. De plus, ce type de technologie permet d’optimiser l’utilisation des propriétés de l’air qui sert au séchage. En effet, à la sortie des tapis de séchage l’air n’est pas à sa capacité maximum de chargement en eau. La mise en place d’un pré-concentrateur qui utilise de l’air ayant préalablement servi à sécher le lisier sur les tapis permet de maximiser le taux de chargement en humidité de l’air et limite également le dimensionnement du laveur d’air s’il s’avère nécessaire. En outre, la mise en place d’un sécheur de type mixte permettrait d’évaluer les performances de ce système. Actuellement, très peu de références sont disponibles et l’acquisition d’un prototype offrirait une première analyse de l’intérêt de cette technologie avec les sources d’énergies disponibles dans le cadre d’une unité de méthanisation. En effet, non seulement ce type de sécheur permet l’utilisation de l’eau chaude du co-générateur mais également de l’énergie perdue dans les gaz d’échappements. Ainsi, l’eau chaude servirait à chauffer l’air de séchage qui serait en contact direct avec le digestat

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pré-concentré et les gaz d’échappement permettraient de chauffer les doubles parois des éléments en contact direct avec le digestat favorisant ainsi la migration de l’eau fortement lié vers la surface du produit à sécher. De plus, cette méthode a l’avantage de nécessiter des volumes d’air moins importants que pour le séchage direct et limite donc la taille et le coût du laveur d’air. Cependant, étant donné les ressources limitées il n’a été possible de mettre en place que le prototype d’un tapis de séchage et d’un pré-concentrateur de type Techno-one. L’étude d’un sécheur mixte fera éventuellement l’objet d’un autre projet.

6.2 Principes de fonctionnement du prototype Le sécheur sélectionné est de type indirect, c’est à dire qu’il utilisera l’air comme vecteur pour sécher le digestat. Il faut distinguer 3 étapes dans le fonctionnement du sécheur : 1 : Batterie de chauffe de l’air extérieur

Il s’agit ici de chauffer de l’air venant de l’extérieur afin d’augmenter sa capacité évaporatoire. C’est à dire la quantité d’eau que peut prélever 1 m3 d’air sur le digestat. 2 : Tapis de séchage Pour maximiser le pouvoir séchant de l’air, il est nécessaire d’obtenir une surface d’échange optimale entre le produit à sécher et l’air séchant. L’utilisation des tapis de séchage offre ces caractéristiques. D’une part le digestat, correctement réparti sur le tapis offre une surface d’échanges avec l’air satisfaisante, et d’autre part, il permet de faire circuler l’air à travers le tapis pour être certain que l’ensemble de la « boulette6 » de digestat soit en contact avec le flux d’air. 3 : Pré-concentrateur Le digestat liquide ne peut pas être directement introduit sur le tapis de séchage. Il est donc nécessaire de pré-concentrer ce dernier avant son introduction sur le tapis de séchage tout en recirculant une partie de digestat déjà sec.

Le prototype sera donc composé d’une batterie de chauffe, d’un tapis de séchage et d’un pré-concentrateur de type Techno-One.

6.3 Dimensionnement du prototype Afin que les essais réalisés à l’aide de l’unité de séchage expérimentale soient extrapolables à une unité grandeur nature, il est nécessaire de choisir une échelle cohérente avec la réalité du terrain dans le dimensionnement du prototype. Ainsi, le dimensionnement de l’unité de séchage est basé sur une unité de méthanisation produisant 8 760 m3 de digestat par an. Or, comme précisé dans ce rapport, il est impossible de sécher la totalité du digestat produit annuellement. Le choix s’est donc porté sur une unité de séchage permettant de déshydrater 50 % du volume total de digestat produit. 2 hypothèses ont été nécessaires au dimensionnement de l’unité expérimentale :

- Les 50 % des 8 760 m3, soit 4 380 m3 de digestat sont préalablement pré-concentré de 10 à 20 % de MS.

- Le digestat sera considéré comme sec à partir de 60 % MS.

Il reste alors 2 190 m3 à sécher de 20 à 60 % de MS. Dans ces conditions, il faudrait sécher 6 m3 de digestat par jour soit 250 kg de digestat par heure. Or, pour des raisons expérimentales, le prototype devra sécher sur une période de 4 heures7 ce qui correspond à 1000 kg de digestat. Afin de multiplier les essais et du fait de la capacité de transport réduite (1000 litre) pour l’acheminement du digestat depuis l’élevage de monsieur A. GUILLAUME, l’unité expérimentale a donc été dimensionnée pour sécher 100 kg de digestat en 4 heures. Elle sera donc à l’échelle 1/10ème .

6 « Boulette » = mélange de digestat brut à du digestat sec. Le résultat aboutit à une

petite boule de la taille d’une balle de ping-pong. 7 Afin de permettre une expérimentation dans une journée.

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Le séchage de 100 kg de digestat de 20 à 60 % nécessite de prélever 67 kg d’eau. Pour la production de l’air chaud indispensable au bon déroulement du séchage les constructeurs utilisent des aérothermes air-eau. Cependant, les impératifs expérimentaux ont conduit à l’utilisation de l’énergie électrique en guise de source de chaleur. Néanmoins, les puissances électriques installées pour la réalisation du prototype ont été calculées sur la base des rendements des aérothermes LEO FL 30. Avec ce type d’aérotherme il est possible de réchauffer 4 200 m3 d’air / h de 11°C et ce, avec une eau chaude à 70 °C et un débit de 710 L/h (cohérent ave c les débits disponibles via les co-générateurs). Avec ces caractéristiques, il est possible de prélever 60 kg d’eau en 4 heures. Le dimensionnement final sera donc une unité de séchage permettant de déshydrater 25 kg de digestat par heure de 20 à 60 % de MS sur une durée de 4 heures. Ainsi, l’unité expérimentale sera dimensionnée au 1/10ème d’une unité grandeur nature et les résultats seront facilement extrapolables à des unités de dimension réelles.

6.4 Cotes et schéma du dispositif expérimental

6.4.1 L’unité de séchage sur tapis perforé La taille de l’unité dépend directement de la quantité de digestat à sécher mais également de la vitesse d’air souhaitée au niveau des « boulettes » de digestat. Or, pour optimiser le séchage la vitesse d’air ne devra pas dépasser les 2 m/s. Avec un débit de 4200 m3 / h il faut alors 0,6 m² de vide. Dans le commerce il existe des plaques métalliques avec 19,1 % de vide. Il faudrait alors 2 plaques de 2m² pour assurer une vitesse d’air maximum de 1,5 m / s. Pour des raisons expérimentales il serait intéressant de tester la capacité de séchage avec une vitesse d’air de 1 m / s. Il faut donc prévoir de pouvoir ajouter 1 plaque supplémentaire de 2 m² à 19,1% de vide. Dans les conditions citées précédemment voici la proposition schématique du prototype (Figure 28 et annexe 4).

Figure 28 : Représentation globale de l'unité expérimentale

Aérotherme eau-chaude 16kW et

4200 m3 / h

Ventilateur (4200 m3 / h)

pour compenser les pertes de

charge

Trappe de prélèvement

Plaques Acier Inox perforées à 0,5mm. L = 1 m et l = 2 m.

19.1 % de vide

Prévoir panneau d’obstruction pour

les essais à 1,5 m/s.

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Les figures présentées ont constitué la base pour la réalisation du prototype. En effet, certains points ont été modifiés pour des raisons de faisabilité technique. Pour les mêmes raisons, le tapis perforé est fixe et ne sera pas roulant. Les « boulettes » de digestat ont dû être préparées manuellement car il était difficile de construire une « enrobeuse » fonctionnelle dans le cadre de cette expérimentation.

6.4.2 Le pré-concentrateur En sus de l’unité de séchage à proprement parler, un prototype de pré-concentrateur de type techno-one a été conçu pour permettre d’introduire un digestat pré-concentré en remélange de la fraction sèche. Il était également primordial de tester l’utilisation optimale de l’air servant à sécher puisque chaque m3 d’air devra (dans le cas d’un élevage conventionnel) subir un traitement par lavage. Ainsi le pré-concentrateur a été fabriqué à partir des plans présentés dans l’annexe 5 présentant les résultats des essais réalisés à l’aide du dispositif expérimental

6.5 Difficultés rencontrées La construction de l’unité expérimentale de séchage a été réalisée par le personnel de la station de l’IFIP de Romillé. En effet, il était impossible de mandater un prestataire capable de réaliser une unité de séchage de cette taille à des prix raisonnables. Nous avons alors dû simplifier plusieurs éléments afin de permettre la réalisation du prototype :

- Le tapis perforé est fixe et n’avance pas automatiquement en fonction de la siccité du produit ;

- Les « boulettes » de digestat à sécher ont été faites manuellement et étaient de la taille d’une balle de tennis contrairement aux tapis de séchage du commerce où elles s’apparentent à des billes ;

- Les opérations de remélange d’une fraction sèche et du digestat pré-concentré ont été réalisées manuellement.

L’ensemble de ces modifications a limité la performance de séchage. En effet la taille des « boulettes » étant trop importante le produit après séchage n’était sec qu’en surface. De même, les opérations de remélange manuelles sont à l’origine de différences importantes sur les compositions (N,P et K) des « boulettes » entraînant ainsi des erreurs d’échantillonnage.

6.6 Résultats des analyses du digestat

6.6.1 Description des essais réalisés Pour l’ensemble des essais il a été utilisé du digestat en provenance de l’exploitation de monsieur Alain GUILLAUME. Ainsi, un peu plus de 900 litres de digestat ont permis de réaliser 5 essais. Essai 1 : séchage du digestat brut avec des copeaux de bois Pour ce premier essai la construction du pré-concentrateur n’était pas terminée et pour des raisons de calendrier nous avons choisi de lancer une première expérimentation sur le tapis de séchage à partir de digestat brut. Pour être en mesure de réaliser des « boulettes » le digestat brut a été mélangé avec des copeaux de bois. Ainsi, 110 kg de digestat brut ont été mélangés avec 22 kg de copeaux de bois. Essai 2 : pré-concentration du digestat brut Pour ce deuxième essai seul le pré-concentrateur a été utilisé. 200 kg de digestat brut ont été introduits dans le pré-concentrateur pendant 5 heures. (L’enregistrement de la température et de l’humidité de l’air n’a pas fonctionné durant l’essai). Essai 3 : pré-concentration du digestat brut + séch age sur tapis Pour cet essai une partie du pré-concentrat issu de l’essai 2 a été mélangé avec du digestat sec issu de l’essai 1. Ce mélange a été introduit sur le tapis de séchage. Dans le même temps 200 kg de digestat brut ont été introduits dans le pré-concentrateur.

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Essai 4 : pré-concentration du digestat brut avec s ulfate de fer + séchage sur tapis Pour cet essai une partie du pré-concentrat issu de l’essai 3 a été mélangé avec du digestat sec issu de l’essai 3. Ce mélange a été introduit sur le tapis de séchage. Dans le même temps 200 kg de digestat brut ont été introduits dans le pré-concentrateur avec 5 kg de sulfate de fer heptahydraté. L’objectif étant alors de déterminer la capacité du sulfate de fer à limiter la volatilisation de l’ammoniac. Essai 5 : séchage sur tapis Pour cet essai une partie du pré-concentrat issu de l’essai 4 (avec sulfate de fer) a été mélangée avec du digestat sec issu de l’essai 4. Ce mélange a été introduit sur le tapis de séchage. Pour cet essai il n’y a pas eu de nouvelle introduction de digestat brut dans le pré-concentrateur. Pour l’ensemble des essais 4 enregistreurs d’humidité et de température ont été installés. Le premier enregistrait les données concernant l’air extérieur, le deuxième celles de l’air après chauffage, le troisième servait pour l’air après séchage sur le tapis perforé et enfin, le dernier enregistrait la température et l’humidité de l’air après le pré-concentrateur. De plus, avant chaque essai, la vitesse d’air a également fait l’objet d’un contrôle. En effet, pour connaître le pouvoir séchant de l’air il était nécessaire d’en connaître le débit (d’où la vitesse d’air), sa température et son taux d’humidité relative. Enfin, un échantillonnage du produit à sécher a été réalisé avant et après séchage sur le tapis et dans le pré-concentrateur. Il y a donc eu 14 prélèvements envoyés au laboratoire d’analyse afin d’en déterminer les teneurs en matière sèche, azote totale, azote ammoniacal, phosphore et potassium.

6.6.2 Caractéristique de l’air Essai 1 : Pour le premier essai, seul le tapis de séchage était en fonctionnement. 132 kg de produit à sécher ont été introduits sur le tapis sous forme de « boulettes ». Il y avait 110 kg de digestat brut et 22 kg de copeaux de bois pour permettre la formation de boulettes puisque le digestat n’était pas pré-concentré et que nous ne disposions pas de digestat sec en re-mélange. Le débit d’air fixé était de 4 200 m3 / h et l’essai s’est déroulé sur 6 heures consécutives. En fin de séchage, il restait 74,31 kg de digestat sec. Il y a donc eu 57,69 kg d’eau prélevé. En moyenne, chaque m3 d’air réchauffé a prélevé 2,3 g d’eau. L’évolution des autres paramètres au cours du séchage sont visibles dans le Tableau 14 et sur la Figure 29.

Ecart de température avant/après chauffage : 8,94 °C

Ecart de température avant/après séchage : -2,80 °C

Variation d'humidité avant/après chauffage : -26,20 %

Variation d'humidité avant/après séchage : 13,31 %

Tableau 14: Variation des caractéristiques de l'air lors de l'essai 1 La température moyenne de réchauffement de l’air à travers la batterie de chauffage est conforme au dimensionnement à 10 % près. Cet écart est dû aux variations d’humidité de l’air extérieur difficile à prévoir lors du dimensionnement. Le réchauffement de l’air a permis de diminuer l’humidité relative de plus de 26 points augmentant alors la capacité évaporatoire de ce dernier d’initialement 1,76 g / m3 à 4,18 g / m3. Cependant, seulement 2,3 g d’eau / m3 ont été prélevés. Plusieurs hypothèses expliquent ces résultats :

- Le temps d’échange entre l’air chaud et le produit à sécher est insuffisant ; - La surface d’échange entre l’air et le produit à sécher est trop faible.

Nous privilégions ici la deuxième hypothèse puisque les « boulettes » formées manuellement étaient de taille importante et donc que la surface globale d’échange, en rapport avec la quantité de produit à sécher, était trop faible. Cette hypothèse s’est d’ailleurs vérifiée car en fin de séchage, l’extérieur des « boulettes » formait une croûte bien sèche et l’intérieur était encore très humide.

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Figure 29 : Température et humidité de l'air lors de l'essai 1

Essai 2 : Les mesures auraient du concerner le pré-concentrateur seul. Cependant, un dysfonctionnement du matériel de mesure a causé la perte de ces données. Essai 3 : Pour cet essai, il y avait d’une part le tapis de séchage en fonctionnement et d’autre part le pré-concentrateur. 65 kg de digestat pré-concentré issu de l’essai 2 ont été mélangés avec 48,5 kg de digestat sec issu de l’essai 1. Le tapis de séchage a donc reçu 113,5 kg de produit à sécher. Dans le même temps, 200 kg de digestat brut ont été introduits dans le pré-concentrateur. A l’issue des 6 heures de séchage il restait 68,9 kg de produit sec (44,6 kg d’eau prélevé) et 116,2 kg de pré-concentrat (83,9 kg d’eau prélevé). Les mesures sur les vitesses d’air indiquent un débit de 3 800 m3 / h durant les 6 heures de mesures. En moyenne, chaque m3 d’air a prélevé 5,6 g d’eau. L’évolution des autres paramètres au cours du séchage sont visibles dans le Tableau 15 et sur la Figure 30. La température moyenne de réchauffement de l’air à travers la batterie de chauffage est conforme au dimensionnement à 15 % près. Le réchauffement de l’air a permis de diminuer l’humidité relative de l’air de 51 % augmentant la capacité évaporatoire de ce dernier de 1,07 à 5,77 g / m3 d’air. Il semblerait qu’avec l’adjonction du pré-concentrateur la capacité de l’air à prélever de l’eau est optimisée.

Ecart de température avant/après chauffage : 16,48 °C

Ecart de température avant/après séchage : -4,28 °C

Ecart de température avant/après pré-concentration : -5,58 °C

Variation d'humidité avant/après chauffage : -51,58 %

Variation d'humidité avant/après séchage : 14,24 %

Variation d'humidité avant/après pré-concentration : 24,89 %

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Tableau 15: Variation des caractéristiques de l'air lors de l'essai 3

Figure 30 : Température et humidité de l'air lors de l'essai 3

Essai 4 : Pour cet essai, il y avait, comme pour l’essai 3, le tapis de séchage et le pré-concentrateur. 40 kg de digestat pré-concentré issu de l’essai 3 ont été mélangé avec 50 kg de digestat sec issu de l’essai 3. Le tapis de séchage a donc reçu 90 kg de produit à sécher. Dans le même temps, 200 kg de digestat brut ont été introduits dans le pré-concentrateur avec 5 kg de sulfate de fer. A l’issue des 6 heures de séchage il restait 52,9 kg de produit sec (37,2 kg d’eau prélevé) et 113,9 kg de pré-concentrat (91,1 kg d’eau prélevé). Les mesures sur les vitesses d’air indiquent un débit de 3 300 m3 / h durant les 6 heures de mesures. En moyenne, chaque m3 d’air a prélevé 6,47 g d’eau. L’évolution des autres paramètres au cours du séchage sont visibles dans le Tableau 16 et sur la Figure 31.

Ecart de température avant/après chauffage : 22,63 °C

Ecart de température avant/après séchage : -5,37 °C

Ecart de température avant/après pré-concentration : -8,86 °C

Variation d'humidité avant/après chauffage : -63,08 %

Variation d'humidité avant/après séchage : 15,43 %

Variation d'humidité avant/après pré-concentration : 36,18 %

Tableau 16: Variation des caractéristiques de l'air lors de l'essai 4 Le réchauffement de l’air a permis de diminuer l’humidité relative de l’air de 63 % augmentant la capacité évaporatoire de ce dernier de 0,60 à 7,16 g / m3 d’air. Cet essai confirme qu’avec l’adjonction du pré-concentrateur la capacité de l’air à prélever de l’eau est optimisée.

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Figure 31 : Température et humidité de l'air lors de l'essai 4

Essai 5 : Pour le dernier essai, seul le tapis de séchage était en fonctionnement. 80 kg de produit à sécher ont été introduits sur le tapis. Il y avait 35,5 kg de digestat pré-concentré et 44,5 kg de pré-concentrat avec sulfate de fer. Le débit d’air fixé était de 3 400 m3 / h et l’essai s’est déroulé sur 5 heures consécutives. En fin de séchage, il restait 48,9 kg de digestat sec. Il y a donc eu 31,1 kg d’eau prélevé. En moyenne, chaque m3 d’air réchauffé a prélevé 1,83 g d’eau. L’évolution des autres paramètres au cours du séchage sont visibles dans le Tableau 17 et sur la Figure 32.

Ecart de température avant/après chauffage : 14,58 °C

Ecart de température avant/après séchage : -4,24 °C

Variation d'humidité avant/après chauffage : -40,83 %

Variation d'humidité avant/après séchage : 12,24 %

Tableau 17: Variation des caractéristiques de l'air lors de l'essai 5 La température moyenne de réchauffement de l’air à travers la batterie de chauffage est parfaitement conforme au dimensionnement. Le réchauffement de l’air a permis de diminuer l’humidité relative de plus de 40 points augmentant alors la capacité évaporatoire de ce dernier d’initialement 1,76 g / m3 à 4,18 g / m3. Cependant, seulement 1,83 g d’eau / m3 a été prélevé. Les mêmes conclusions que pour l’essai 1 sont alors à privilégier.

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Figure 32 : Température et humidité de l'air lors de l'essai 5

Conclusion : Les résultats des mesures réalisées sur l’air sont sains puisque l’écart entre les données expérimentales et le dimensionnement théorique de la batterie de chauffe est non significatif. De plus, l’utilisation d’un pré-concentrateur permet de multiplier par 3 la quantité d’eau prélevée par m3 d’air sans pour autant nécessiter un laveur d’air de taille plus conséquente. Ainsi, le pré-concentrateur est indispensable dans ce type d’installation. Enfin, les résultats tendent également à démontrer l’importance de la surface d’échange entre l’air et le produit à sécher. L’utilisation de « boulettes » trop grandes dégrade de façon significative le bilan de séchoir. Lors de l’achat d’un système de séchage sur tapis perforés il est donc indispensable de s’assurer que l’ « enrobeuse » (voir chapitre correspondant) crée des « boulettes » de la taille d’une bille.

6.6.3 Evolution de la composition du digestat lors du séchage Pour les tableaux 18, 20 et 22 les résultats des analyses sont ramenés à la tonne de produit brut. Ces tableaux permettent donc de connaître la composition d’une tonne de produit avant séchage et d’une tonne de produit sec. Il est donc possible d’évaluer le taux de concentration en éléments fertilisant obtenu lors du séchage. En revanche, pour les besoins de l’analyse il était également nécessaire de connaître l’évolution nette des éléments fertilisants lors du séchage. C’est pourquoi les tableaux 19 et 21 proposent les résultats d’analyse en kg brut et non ramené à la tonne de produit. Les résultats présentés ainsi s’affranchissent de la perte de masse liée à l’eau évaporée. Pour faciliter la compréhension des tableaux voici un exemple concret présentant les différences entre les valeurs ramenées à la tonne de produit brut et les valeurs nettes exprimées en kg brut. Soit 100 kg de produit à 5 % de MS et contenant 0,5 kg d’azote total.

- ce produit est séché jusqu’à 30 % de MS - il y a 0,1 kg d’azote qui se volatilise lors du séchage - il y a 83,3 kg d’eau qui ont été prélevés

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Avec une analyse ramenée à la tonne de produit brut : Avant séchage Après séchage Quantité de MS 50 333 Kg / tonne de produit brut Quantité d’eau 950 666 Kg / tonne de produit brut Quantité d’azote total 5 24 Kg / tonne de produit brut Avec une analyse en valeurs nettes : Avant séchage Après séchage Quantité de MS 5 5 Kg Quantité d’eau 95 11,7 Kg Quantité d’azote total 0,5 0,4 Kg Les conclusions du premier tableau indiquent donc qu’il y a plus d’azote après le séchage et ce malgré la volatilisation, il est donc difficile de voir qu’il y a bien eu volatilisation de l’azote. En revanche, dans le deuxième tableau il apparaît clairement qu’il y a moins d’azote après séchage qu’avant. Au vu de l’exemple présenté ci-avant, il est indispensable de bien raisonner les résultats selon l’unité dans laquelle ils sont exprimés.

6.6.3.1 Le pré-concentrateur L’ensemble des résultats des analyses faites sur le digestat avant et après pré-concentration est résumé dans les Tableau 18 etTableau 19.

Libellé Essai 1 Essai 2 Essai 3 Moy. Ecart type Unité

Evolution du taux de MS 2,4% 3,1% -0,5% 1,7% 1,9%

Part de NH4 / N total avant séchage 76% 86% 78% 80,1% 5,1%

Part de NH4 / N total après séchage 57% 57% 59% 58,0% 0,9%

Evolution du rapport NH4 / N total -19% -28% -19% -22,2% 5,4%

Quantité de MS avant séchage 77 24 81 60,67 31,82 kg / tonne brute

Quantité de MS après séchage 101 55 76 77,33 23,03 kg / tonne brute

Quantité de N totale avant séchage 7,35 6 6,92 6,76 0,69 kg / tonne brute

Quantité de N totale après séchage 5,22 4,16 6,7 5,36 1,28 kg / tonne brute

Ecart avant / séchage N total -2,13 -1,84 -0,22 -1,40 1,03 kg / tonne brute

Quantité de NH4 avant séchage 5,6 5,15 5,42 5,39 0,23 kg / tonne brute

Quantité de NH4 après séchage 3 2,39 3,95 3,11 0,79 kg / tonne brute

Ecart avant / séchage NH4 -2,6 -2,76 -1,47 -2,28 0,70 kg / tonne brute

Quantité de P avant séchage 3,12 3,28 3,26 3,22 0,09 kg / tonne brute

Quantité de P après séchage 4,56 4,4 3,91 4,29 0,34 kg / tonne brute

Ecart avant / séchage P 1,44 1,12 0,65 1,07 0,40 kg / tonne brute

Quantité de K avant séchage 4,22 0,96 3,36 2,85 1,69 kg / tonne brut

Quantité de K après séchage 5,2 2,78 3,16 3,71 1,30 kg / tonne brut

Ecart avant / séchage K 0,98 1,82 -0,2 0,87 1,01 kg / tonne brut

Tableau 18 : Synthèse des analyses sur le digestat avant / après pré-concentration en kg / tonne de brut Le Tableau 18 présente les résultats ramenés à la tonne de produit brut afin de connaître la composition d’une tonne de produit avant séchage et après séchage en s’affranchissant de la perte d’eau lors de l’étape de séchage. Comme le montre le Tableau 18 pour l’essai 3 le taux de matière sèche est inférieur après séchage puisque l’évolution de ce taux est négative (-0,5 %). Il semble donc évident qu’une erreur d’échantillonnage ait conduit à ces résultats. Pour les essais 1 et 2 en revanche, le taux de matière

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sèche a augmenté de respectivement 2,4 et 3 %. Il y a donc eu une concentration du produit par 1,3 dans le premier cas et par 2,3 dans le deuxième. A priori, au niveau du pré-concentrateur les installateurs préconisent de concentrer le produit par 2. Ces différences dans la concentration du produit prennent leurs origines dans la nature différentes du produit à sécher et également dans les variations du volume d’air séchant entre les essais 1 et 2. L’un des facteurs les plus important concerne l’évolution du taux d’azote ammoniacal au cours du process. En effet, l’azote ammoniacal (NH4) est très volatile et est rejeté dans l’atmosphère si aucun système de stripping n’est mis en place. Cette volatilité se confirme puisque la part de NH4 par rapport à l’azote total diminue de 22,2 % en moyenne sur les 3 essais. Il y a donc une forte volatilisation de l’azote ammoniacal véhiculé à l’extérieur par l’air séchant. Concernant l’analyse de l’azote sur l’essai 3, le traitement était différent. En effet, suite aux visites d’unité de séchage en Allemagne et en Belgique, il semblait intéressant de tester l’intérêt de l’ajout de sulfate de fer pour limiter la volatilisation de l’azote. Les résultats démontrent bien l’efficacité du sulfate de fer puisque seulement 0,22 kg d’azote totale / tonne de produit brut a été volatilisé et 1,47 kg pour l’azote ammoniacal. Au total il y a eu 1,7 kg d’azote total de moins à se volatiliser lors de l’essai 3 en comparaison des 2 premiers essais. Pour le phosphore, élément non volatile, la quantité, ramenée à la tonne de produit brut a augmenté. Il y a bien eu une concentration de cet élément dans la fraction séchée. Ainsi, c’est donc 1 kg de P en plus par tonne de produit brut. Les mêmes conclusions que pour le phosphore peuvent s’appliquer au potassium. Il y a, en moyenne, 0,9 kg de K en plus par tonne de produit brut une fois séché. Le Tableau 19 propose une autre approche concernant les résultats d’analyse. Les valeurs visibles dans ce tableau sont brutes. Elles ont été calculées en fonction de la quantité de matières entrante et sortante du pré-concentrateur.

Libellé Essai 1 Essai 2 Essai 3 Moyenne Unité

Quantité de MS avant séchage 15,40 4,80 16,6 12,27 Kg

Quantité de MS après séchage 15,15 4,19 11,4 10,23 kg

Ecart avant/après séchage MS -0,25 -0,61 -5,25 -2,04 kg

Quantité de N total avant séchage 1,47 1,20 1,42 1,36 kg

Quantité de N total après séchage 0,78 0,32 1,00 0,70 kg

Ecart avant / après séchage N totale -0,69 -0,88 -0,42 -0,66 kg

Quantité de NH4 avant séchage 1,12 1,03 1,11 1,09 kg

Quantité de NH4 après séchage 0,45 0,18 0,59 0,41 kg

Ecart avant /après séchage NH4 -0,67 -0,85 -0,52 -0,68 kg

Quantité de P avant séchage 0,62 0,66 0,67 0,65 kg

Quantité de P après séchage 0,68 0,34 0,58 0,53 kg

Ecart avant / après séchage P 0,06 -0,32 -0,08 -0,11 kg

Quantité de K avant séchage 0,84 0,19 0,69 0,57 kg

Quantité de K après séchage 0,78 0,21 0,47 0,49 kg

Ecart avant / après séchage K -0,06 0,02 -0,22 -0,09 kg

Tableau 19 : Synthèse des analyses du digestat avant / après pré-concentration en kg L’évolution dans la quantité de matière sèche de l’essai 3 confirme un problème d’échantillonnage. En effet, la troisième ligne du tableau ci-dessus doit contenir des valeurs proches de 0 puisqu’au cours du séchage la quantité de MS n’évolue presque pas (évolution minime due à la volatilisation du NH4). Lors des essais 1 et 2 il y a 0,78 kg d’N total qui se sont volatilisé dont 0,76 kg d’azote ammoniacal. Dans le cas de l’essai 3 (incorporation du sulfate de fer) la volatilisation est environ 2 fois moins importante (Cf. tableau 18) et correspond à 0,42 kg d’azote total volatilisé. La quantité de K est un très bon indicateur de l’erreur d’échantillonnage. Ainsi, les essais 1 et 2 semblent bien échantillonnés puisque le K ne varie quasiment pas (0,06 et 0,02 kg). En revanche

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l’évolution importante du K dans le 3ème essai (- 0,22 kg soit une variation de 30 %) montre bien un problème d’échantillonnage.

6.6.3.2 Le tapis de séchage Dans cette partie les résultats présentés ne traiteront que des bilans MS, N, P et K au niveau du tapis de séchage. Ainsi, les tableaux 20 et 21 présentent la synthèse des analyses réalisées.

Libellé Essai 1 Essai 2 Essai 3 Essai 4 Moy.

Ecart

type Unité

Evolution du taux de MS 15% 6,8% 5,8% 11,0% 9,7% 4,3%

Part de NH4 / N total avant

séchage 63% 41% 39% 44% 46,4% 11,1%

Part de NH4 / N total après

séchage 51% 38% 33% 43% 41,1% 7,7%

Evolution du rapport NH4 / N

total -12% -3% -6% -1% -5,4% 4,9%

Quantité de MS avant séchage 207,0 281,0 278,0 220,6 246,7 38,4 kg / tonne brute

Quantité de MS après séchage 358,0 349,0 336,0 331,0 343,5 12,3 kg / tonne brute

Quantité de N totale avant

séchage 5,8 6,5 6,7 7,2 6,6 0,6 kg / tonne brute

Quantité de N totale après

séchage 6,3 7,4 7,7 8,8 7,5 1,0

kg / tonne brute

Ecart avant / séchage N totale 0,6 0,9 1,0 1,5 1,0 0,4 kg / tonne brute

Quantité de NH4 avant

séchage 3,6 2,7 2,6 3,1 3,0 0,5

kg / tonne brute

Quantité de NH4 après

séchage 3,2 2,8 2,5 3,8 3,1 0,5

kg / tonne brute

Ecart avant / séchage NH4 -0,4 0,1 -0,1 0,6 0,1 0,4 kg / tonne brute

Quantité de P avant séchage 3,0 6,1 7,5 6,6 5,8 1,9 kg / tonne brute

Quantité de P après séchage 4,5 7,1 8,8 10,5 7,7 2,6 kg / tonne brute

Ecart avant / séchage P 1,5 1,0 1,4 3,8 1,9 1,3 kg / tonne brute

Quantité de K avant séchage 6,8 10,8 9,7 7,6 8,7 1,9 kg / tonne brute

Quantité de K après séchage 7,8 14,4 11,1 13,0 11,6 2,9 kg / tonne brute

Ecart avant / séchage K 1,0 3,6 1,4 5,4 2,8 2,1 kg / tonne brute

Tableau 20 : Synthèse des analyses sur le digestat avant / après séchage en kg / tonne de brut Le Tableau 20 présente les résultats ramenés à la tonne de produit brut afin de connaître la composition d’une tonne de produit avant séchage et après séchage en s’affranchissant de la perte d’eau lors de l’étape de séchage. Comme le montre le Tableau 20, pour l’ensemble des essais le séchage a bien fonctionné puisque l’évolution du taux de matière sèche est positive, le produit est donc plus sec après séchage. Il semble donc, contrairement aux résultats du pré-concentrateur (Cf. 6.6.3.1), qu’il n’y a pas eu d’erreur liée à l’échantillonnage. En moyenne, le taux de MS a augmenté de 9,7 % avec un écart type important de 4,3 %. En effet, pour le premier essai la MS du produit sec a 15 points de plus et pour l’essai 3 seulement 5,8 points. Le produit a été concentré de 1,5 à 1,7 fois selon les essais. Ces valeurs étant plutôt similaires entre les essais, elles démontrent que les essais ont bien été conduits selon le même protocole, à savoir, même temps de séchage et mêmes caractéristiques de séchage. Les résultats semblent donc ne souffrir d’aucune erreur majeure d’échantillonnage et d’aucun écart significatif dans la conduite des essais. Cependant, l’évolution de la MS est différente selon les essais. Ceci s’explique par la variabilité du produit à sécher (pas le même taux de MS initial).

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Comme pour les résultats en lien avec le pré-concentrateur, le facteur le plus important concerne l’évolution du taux d’azote ammoniacal au cours du process. La volatilité de l’ammoniac est confirmée puisque la part d’NH4 par rapport à l’azote total diminue de 5,4 % en moyenne sur les 4 essais. Il y a donc une volatilisation de l’azote ammoniacal plus faible que dans le pré-concentrateur. En effet, excepté pour l’essai 1 dont le produit à sécher n’est pas passé par le pré-concentrateur, la volatilisation de l’ammoniac est faible puisque la majeure partie s’est déjà volatilisée au niveau du pré-concentrateur. Ainsi, pour l’essai 1 il y a une évolution de 12 % du rapport NH4 sur N totale contre 3,3 % en moyenne pour les essais 2, 3 et 4. Concernant l’analyse de l’azote sur l’essai 4, le traitement comprenait l’ajout de sulfate de fer pour limiter la volatilisation de l’azote. Les résultats démontrent bien l’efficacité du sulfate de fer puisque l’évolution de rapport NH4 / N total est la plus faible (-1 %) contre -4,5 % en moyenne sur les essais 2 et 3. Cependant, l’augmentation du taux d’azote total semble illogique au vu de la volatilisation de l’ammoniac observée. Deux hypothèses peuvent expliquer ce constat :

- la nature du produit à sécher, issu d’un re-mélange d’une fraction sèche induit une hétérogénéité importante du produit (selon les mélanges). Cela implique des différences significatives lors de l’échantillonnage ;

- la volatilisation de l’azote n’est pas suffisante pour compenser la concentration du produit lors du séchage.

La deuxième hypothèse est à privilégier comme le montre le Tableau 21. En valeur absolue la quantité d’azote total a bien diminué (- 0,22 kg en moyenne sur les 4 essais). Il est donc possible de conclure que la volatilisation de l’azote ammoniacal ne compense pas entièrement la concentration du produit. Ainsi, il est possible d’obtenir un produit sec plus concentré en azote que le produit initial, et ce, malgré la volatilisation de l’azote ammoniacal. Pour le phosphore, élément non volatile, la quantité, ramenée à la tonne de produit brut a augmenté. Il y a bien eu une concentration de cet élément dans la fraction séchée. Ainsi, c’est presque 2 kg de P en plus par tonne de produit brut. Les mêmes conclusions que pour le phosphore peuvent s’appliquer au potassium. Il y a, en moyenne, 2,8 kg de K en plus par tonne de produit brut une fois séché. Le Tableau 21 propose une autre approche concernant les résultats d’analyse. Les valeurs visibles dans ce tableau sont brutes. Elles ont été calculées en fonction de la quantité de matières entrante et sortante du pré-concentrateur.

Libellé Essai 1 Essai 2 Essai 3 Essai 4 Moy. Unité

Quantité de MS avant séchage 27,32 31,89 25,02 17,65 25,47 kg

Quantité de MS après séchage 26,60 24,04 17,75 16,21 21,15 kg

Ecart avant/après séchage MS -0,72 -7,85 -7,27 -1,44 -4,32 kg

Quantité de N totale avant séchage 0,76 0,74 0,60 0,58 0,67 kg

Quantité de N totale après séchage 0,47 0,51 0,40 0,43 0,45 kg

Ecart avant / après séchage N total -0,29 -0,23 -0,20 -0,15 -0,22 kg

Quantité de NH4 avant séchage 0,48 0,30 0,23 0,25 0,32 kg

Quantité de NH4 après séchage 0,24 0,19 0,13 0,18 0,19 kg

Ecart avant /après séchage NH4 -0,24 -0,11 -0,10 -0,07 -0,13 kg

Quantité de P avant séchage 0,40 0,69 0,67 0,53 0,57 kg

Quantité de P après séchage 0,33 0,49 0,46 0,51 0,45 kg

Ecart avant / après séchage P -0,07 -0,20 -0,21 -0,02 -0,12 kg

Quantité de K avant séchage 0,90 1,23 0,87 0,61 0,90 kg

Quantité de K après séchage 0,58 0,99 0,59 0,64 0,70 kg

Ecart avant / après séchage K -0,32 -0,24 -0,29 0,03 -0,20 kg

Tableau 21 : Synthèse des analyse du digestat avant / après séchage en kg

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L’évolution dans la quantité de matière sèche des essais 2 et 3 confirme un problème d’échantillonnage. En effet, la troisième ligne du Tableau 21 doit contenir des valeurs proches de 0 puisqu’au cours du séchage la quantité de MS n’évolue presque pas (évolution minime due à la volatilisation du NH4). Les résultats doivent donc être analysés avec précaution. La quantité de K est un très bon indicateur de l’erreur d’échantillonnage. Ainsi, les essais 2 et 4 semblent bien échantillonnés puisque la variation de la quantité de K est inférieure à 20 %. En revanche l’évolution importante du K dans le 1er et 3ième essai (+ 30 %) montre bien un problème lié à l’échantillonnage. Les conclusions présentées ici sont donc amoindries par la précision de l’échantillonnage. L’évolution des quantités d’azote total et/ou ammoniacal correspond parfaitement aux différents traitements des essais. Ainsi, le premier essai qui utilisait du digestat brut sans être pré-concentré détient la plus forte variation de la quantité d’azote total et ammoniacal (respectivement - 0,29 kg et -0,24 kg). Pour les essais 2 et 3, une partie de l’azote s’est déjà volatilisée au niveau du pré-concentrateur, il est donc logique que la variation de la quantité d’azote total et ammoniacal avant/après séchage soit inférieure à l’essai 1. Ainsi, il y a une variation de l’azote total de 0,23 kg pour l’essai 2 et 0,20 kg pour l’essai 3. Concernant l’azote ammoniacal la variation est de 0,11 kg pour l’essai 2 et 0,10 kg pour l’essai 3. Enfin, pour le 4ème essai la volatilisation de l’ammoniac devait être la plus faible puisqu’il y avait utilisation de sulfate de fer pour la limiter. Les résultats confirment l’efficacité du sulfate de fer avec les variations les plus faibles de tous les essais pour l’azote total et pour l’azote ammoniacal (respectivement 0,15 kg et 0,07 kg).

6.6.3.3 Pré-concentrateur + tapis Dans cette partie les résultats présentés traitent des bilans MS, N, P et K sur la totalité du processus de séchage à savoir, une première étape de pré-concentration suivie d’une étape de séchage sur tapis perforé. Ainsi, le tableau 22 expose la synthèse des analyses réalisées.

Libellé Essai 1 Essai 2 Essai 3 Moy. Ecart type Unité

Evolution du taux de MS 27,2% 31,2% 25,0% 27,8% 3,1%

Part de NH4 / N total avant séchage 76,2% 85,8% 78,3% 80,1% 5,1%

Part de NH4 / N total après séchage 37,7% 32,8% 42,9% 37,8% 5,1%

Evolution du rapport NH4 / N total -39% -53% -35% -42,3% 9,4%

Quantité de MS avant séchage 77,00 24,00 81,00 60,67 31,82 kg / tonne brut

Quantité de MS après séchage 349,00 336,00 331,00 338,67 9,29 kg / tonne brut

Quantité de N totale avant séchage 7,35 6,00 6,92 6,76 0,69 kg / tonne brut

Quantité de N totale après séchage 7,43 7,66 8,76 7,95 0,71 kg / tonne brut

Ecart avant / séchage N total 0,08 1,66 1,84 1,19 0,97 kg / tonne brut

Quantité de NH4 avant séchage 5,60 5,15 5,42 5,39 0,23 kg / tonne brut

Quantité de NH4 après séchage 2,80 2,51 3,76 3,02 0,65 kg / tonne brut

Ecart avant / séchage NH4 -2,80 -2,64 -1,66 -2,37 0,62 kg / tonne brut

Quantité de P avant séchage 3,12 3,28 3,26 3,22 0,09 kg / tonne brut

Quantité de P après séchage 7,12 8,80 10,46 8,79 1,67 kg / tonne brut

Ecart avant / séchage P 4,00 5,52 7,20 5,57 1,60 kg / tonne brut

Quantité de K avant séchage 4,22 0,96 3,36 2,85 1,69 kg / tonne brut

Quantité de K après séchage 14,38 11,09 12,98 12,82 1,65 kg / tonne brut

Ecart avant / séchage K 10,16 10,13 9,62 9,97 0,30 kg / tonne brut

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Tableau 22 : Synthèse des analyses sur le digestat avant / après pré-concentration et séchage en kg / tonne de brut

Le Tableau 22 présente les résultats ramenés à la tonne de produit brut afin de connaître la composition d’une tonne de produit avant le processus complet de séchage et son évolution à la fin du process. Pour l’ensemble des essais le séchage a bien fonctionné puisque l’évolution du taux de matière sèche est positif, le produit est donc plus sec après séchage. En moyenne, le taux de MS a augmenté de 27,8 % avec un écart type assez faible de 3,1 %. Lors du séchage complet (pré-concentration + tapis perforé) il y a eu une concentration de 4,5, 14 et 4,1 fois pour respectivement l’essai 1, 2 et 3. La forte concentration obtenue lors de l’essai 2 est due au fait que le produit de départ, avant pré-concentration, avait un taux de MS très faible de 2 % contre environ 7,5 % pour les deux autres essais. Globalement, le taux de concentration recherché est de l’ordre de 10 fois pour obtenir un produit suffisamment sec et stable. Les essais sont, dans le cas présent, peu concluants, puisque le taux de MS obtenu en fin de séchage avoisine les 35 % alors que le dimensionnement a été réalisé sur la base d’un produit sec à 60 %. Ce constat s’explique par la taille des « boulettes » de séchage (Cf. 6.5). Comme pour les résultats spécifiques au pré-concentrateur et au tapis de séchage, le facteur le plus important concerne l’évolution du taux d’azote ammoniacal au cours du process. La volatilité de l’ammoniac est également confirmée puisque la part d’NH4 par rapport à l’azote total diminue de 42,3 % en moyenne sur les 3 essais. Il y a donc une importante volatilisation de l’azote ammoniacal. Toutefois, il est à remarquer que pour le 3ème essai la volatilisation est plus faible puisque le rapport NH4 / N total n’évolue que de 35 % contre 39 et 53 % pour les deux autres essais. Cette plus faible volatilisation s’explique par l’ajout de sulfate de fer lors du 3ème essai dont l’efficacité semble avérée. De plus, l’augmentation du taux d’azote total semble logique puisque le produit sec contient en moyenne 1,19 kg d’azote total de plus. Encore une fois, le fait que la plus forte progression de la quantité d’azote total ait lieu lors du 3ème essai (1,84 kg en plus) démontre bien l’efficacité du sulfate de fer. Cependant, malgré l’augmentation de la concentration en azote total du produit sec il y a eu une forte volatilisation de l’azote ammoniacal - 2,37 kg NH4 / tonne de produit brut. Le 3ième essai enregistre la volatilisation la plus faible avec – 1,66 kg NH4 / tonne de produit brut. Pour le phosphore, élément non volatile, la quantité, ramenée à la tonne de produit brut a augmenté. Il y a bien eu une concentration de cet élément dans la fraction séchée. Ainsi, c’est en moyenne 5,6 kg de P en plus par tonne de produit brut. Les mêmes conclusions que pour le phosphore peuvent s’appliquer au potassium. Il y a en moyenne près de 10 kg de K en plus par tonne de produit brut une fois séché.

6.6.3.4 Les consommations d’énergie Bien que n’ayant pas fait l’objet de mesures précises les consommations d’énergie ont été évaluées. Elles concernent en premier lieu la batterie de chauffe et dans un deuxième temps la ventilation. Pour connaître la consommation spécifique du process complet la quantité d’énergie utilisée a été ramenée à la quantité d’eau prélevée et les résultats sont reportés dans le Tableau 23.

Libellé Essai 1 Essai 2 Essai 3 Moyenne Unité

Eau prélevée 779,4 929,6 755,3 821,4 kg

Quantité d'énergie batterie de chauffe 183,7 200,4 200,4 194,8 kWh

Quantité d'énergie pour la ventilation 4,07 4,44 4,44 4,3 kWh

kWh / kg d'eau prélevé 0,24 0,22 0,27 0,24 kWh / kg d'eau Tableau 23: Consommation d'énergie spécifique lors du séchage

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Comme le montre le tableau 21 les consommations d’énergie sont très faibles (0,24 kWh / kg d’eau prélevé) comparé à ce qui est généralement observé (1 kWh / kg d’eau prélevé). Trois raisons expliquent la faiblesse des quantités d’énergie utilisées :

- Le rendement de la batterie de chauffe électrique avoisine les 100 % s’il y a peu ou pas de déphasage du courant (cosφ = 1) contrairement aux aérothermes eau-chaude dont les meilleurs rendements sont de 80 %.

- Le dimensionnement de l’unité de séchage est basé sur l’utilisation de beaucoup d’air peu chauffé (10°C). Or comme explicité dans le chapitre 3.4 avec de l’air peu ou non chauffé (s’il est en quantité suffisante) il est possible de déshydrater un produit.

- Le taux de siccité final est faible comparé aux systèmes de séchage conventionnels. En effet, plus le produit est sec plus il faut d’énergie pour le sécher. Ainsi, il est moins énergivore d’obtenir un taux de MS de seulement 35 % lors des essais contre plus de 70 % dans les installations grandeur nature.

Pour ces trois raisons les consommations d’énergie spécifique sont 4 fois moins importantes que pour les procédés de séchage rencontrés sur le terrain. Il faut également noter que dans les conditions de l’expérimentation il n’y a ni de stabilisation du produit séché (seulement 35 % de MS) et ni d’hygiénisation car l’air séchant n’est pas à 80 °C.

6.7 Conclusions sur les essais en station expérimen tale Les essais réalisés en station expérimentale montrent bien l’efficacité du séchage sur tapis perforé lorsque que le process inclut un pré-concentrateur. En effet, le tapis de séchage seul ne constitue pas une solution suffisante et satisfaisante pour déshydrater du digestat. Comme le montre les caractéristiques de l’air (Cf. 6.6.2), c’est au niveau du pré-concentrateur que l’eau est la mieux absorbée ; +30,1 % d’humidité relative de l’air en moyenne au niveau du pré-concentrateur contre +13,8 % au niveau du tapis de séchage. De plus, les caractéristiques de l’air recueillies lors des essais démontrent bien que l’air, après séchage sur les tapis, peut encore prélever une quantité importante d’eau. Ainsi, le pré-concentrateur a l’avantage d’optimiser chaque m3 d’air réchauffé ayant préalablement servi à sécher les « boulettes » sur le tapis perforé. En outre, le fait que l’air à la sortie du pré-concentrateur ne soit chargé qu’à 71 % d’humidité relative tend ! à prouver qu’il est encore possible d’améliorer les performances des tapis de séchage. En effet, l’air peut théoriquement se charger à 100 % d’humidité relative. Pour éviter qu’il condense et donc qu’il ré-humidifie le produit à sécher, il est raisonnable de penser qu’un process optimisé doit permettre d’obtenir une humidité relative de 90 % à la sortie du pré-concentrateur. Cette optimisation réduirait significativement la quantité d’air à traiter et donc les coûts de l’unité de déshydratation. Concernant la volatilisation de l’azote lors du processus de séchage, les essais confirment qu’un système de stripping8 est nécessaire pour éviter le rejet d’ammoniac dans l’atmosphère. Les résultats obtenus indiquent que c’est près de 2,67 kg d’azote ammoniacal par tonne de digestat brut (soit 50 % de l’azote ammoniacal présent initialement dans le digestat) qui sont volatilisés. Toutefois, au vu des éléments recueillis lors des visites d’unité de séchage en fonctionnement, il semblait intéressant d’évaluer l’efficacité de l’utilisation du sulfate de fer pour limiter la volatilisation de l’ammoniac. Ainsi, à raison de 25 kg de sulfate de fer par tonne de digestat brut, la volatilisation de l’ammoniac passe de 50 % à 30 %. C’est donc 1 kg en moins d’azote par tonne de digestat de volatilisé. Néanmoins, il faut se poser la question du devenir du fer lors de l’épandage du produit sec. En effet, le fer est un élément non volatile qui va se retrouver en totalité dans la fraction séchée. Il en résulte qu’avec 25 kg de sulfate de fer par tonne de digestat brut, c’est près de 38 kg de fer par tonne de produit sec (à 60 % de MS). En définitif, le processus de séchage permet une concentration importante pour les composés non volatiles tels que le potassium et le phosphore. Avec un produit sec à seulement 30 % de MS en moyenne (résultats des essais), la concentration en phosphore est multipliée par 2,7 et par 4,5 pour le potassium. Le séchage peut donc s’avérer très intéressant pour la gestion des éléments fertilisants non volatiles et peut, partiellement, répondre à la récente problématique phosphore.

8 Système permettant de piéger l’azote ammoniacal. Pour ce faire, il est généralement utilisé un laveur d’air biologique

ou à l’acide sulfurique.

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7 Conclusion générale La problématique du séchage est très actuelle à l’heure du développement des projets de méthanisation. En effet, le nécessaire ajout de co-produits pour le bon fonctionnement des unités de méthanisation impacte les plans d’épandage et impose, dans les zones d’excédents, la mise en place de solutions de traitement du digestat. Le séchage semble une solution intéressante pour produire un digestat sec facilement exportable et transportable à moindre coût hors des zones excédentaires. Le seul exemple français de séchage de digestat (Heerzele) exprime un réel manque de connaissances sur les solutions de séchage existantes. C’est pourquoi ce rapport propose un recensement des techniques et technologies existantes dans le secteur agricole et/ou industriel, susceptibles d’être adaptées au séchage du digestat. Outre ce recensement, la rédaction des fiches procédés et constructeurs disponibles dans les annexes de ce rapport permet d’apporter aux acteurs du terrain une meilleure visibilité des solutions dont ils disposent selon leurs besoins. De plus, l’ensemble des simulations technico-économiques réalisées dans cette étude, couvrent un grand nombre de situation. Les conclusions de ces simulations montrent que pour la plupart des scénarios ce sont les tapis de séchage qui semblent les mieux adaptés. Cependant, pour de forts excédents et des importants volumes de digestat à traiter (10 000 m3 / an), les évapo-concentrateurs à double effets semblent être les mieux placés. Ces conclusions démontrent bien qu’il n’existe pas une unique solution de séchage mais bien un éventail de solutions à sélectionner selon la quantité d’excédents, le volume annuel de digestat à traiter et la chaleur disponible. Il semble toutefois admis qu’en dessous de 3 000 m3 / an de digestat à traiter, le séchage, quelque soit la technologie employée, ne soit pas une solution économiquement envisageable. En outre, d’un point de vue énergétique, le tapis de séchage est la technologie la plus énergivore avec en moyenne 1,14 kWh / kg d’eau évaporée contre 1 kWh pour les autres technologies. Cependant, le coût modéré et la relative simplicité de cette technologie (en comparaison des autres techniques existantes), font du tapis de séchage un excellent compromis. C’est également une des rares technologies dont le fonctionnement permet de valoriser de l’eau chaude à 80 °C. Les autres procédés utilisant généralement des fluides caloporteurs à plus de 300 °C. Plus généralement, le séchage nécessite de grandes quantités d’énergie thermique dont l’utilisation prend son sens lorsque le séchage est une solution de traitement du digestat. Dans tous les cas, économiquement, la déshydratation d’un digestat n’a d’intérêt qu’en remplacement d’une technique de résorption des excédents d’éléments fertilisants. La déshydratation de digestat ne présente donc pas d’intérêt dans le cas d’un simple usage de chaleur autour de la méthanisation et sans contexte de résorption. A l’heure actuelle, il n’y a pas de norme qui puisse s’appliquer pour le digestat déshydraté et ce, malgré une composition en éléments fertilisants qui correspond aux critères de la norme 42-001. Seul le compostage du digestat sec permettrait, en fonction des co-substrats introduits dans le digesteur, une normalisation de type 44-051 et 44-095. Nonobstant, les coûts additionnés d’une station de compostage et d’une unité de déshydratation et la nécessité d’incorporer des matières végétales comme source de carbone, semblent être des freins insurmontables au développement de cette voie de normalisation. La création d’une rubrique spécifique à la norme 42-001 semble être la seule solution pour donner un cadre normatif au digestat sec. Enfin, les essais réalisés en station ont apporté des réponses à l’évolution de la composition du digestat lors du séchage. Ainsi, les éléments non volatiles se retrouvent en quasi totalité dans la fraction séchée. La réduction de volume permet d’envisager une exportation des excédents dans des zones déficitaires. Le séchage a donc un réel intérêt dans le cadre de la directive phosphore. Les essais sur les tapis perforés confirment que l’utilisation d’un système de pré-concentration est nécessaire pour optimiser le process. Les mesures réalisées indiquent une forte volatilisation de l’ammoniac impliquant la mise en place d’un procédé de stripping afin de limiter les rejets dans l’atmosphère. L’utilisation du sulfate de fer permet une réduction de la volatilisation de l’azote de l’ordre de 60 %. Cependant, le devenir du fer

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dans les sols constitue une nouvelle problématique. En effet, avec 35 kg de fer par tonne de digestat sec, il faut se poser la question du devenir de cet élément après quelques années d’épandage. De plus, il semblerait qu’avec le fer, la possible normalisation du digestat sec soit incertaine. Pour poursuivre cette étude, il serait intéressant de réaliser le suivi d’une unité de séchage grandeur nature afin d’en caractériser précisément tous les flux (énergie, volatilisation d’ammoniac, eau, éléments fertilisants, etc.). En parallèle, le prototype pourrait être utilisé pour de nouveaux essais avec des « boulettes » de plus petite taille afin d’augmenter la surface globale d’échange entre l’air et le produit à sécher. Ces nouveaux essais pourraient avoir comme objectif d’optimiser les paramètres des tapis de séchage afin de limiter la quantité d’air à traiter et/ou d’augmenter les volumes de digestat potentiellement déshydratables. La réalisation d’un plus grand nombre de scénarios permettrait également de mieux répondre aux attentes des professionnels pour faciliter le choix de telle ou telle technique de séchage selon les caractéristiques du projet. En définitive, cette étude constitue une première synthèse sur l’état de l’art du séchage de digestat dans le contexte français.

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Liste des figures FIGURE 1 : DISPONIBILITE ENERGETIQUE LORS D'UN PROCESSUS DE CO-GENERATION ................................................................. 7 FIGURE 2 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT D'UNE UNITE DE DESHYDRATATION SUR UNE INSTALLATION DE METHANISATION.............. 9 FIGURE 3 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DU PRE-CONCENTRATEUR TECHNO-ONE ................................................................ 10 FIGURE 4 : PRINCIPE DU SECHAGE DIRECT (WWW.GLS.FR, GLS) .......................................................................................... 12 FIGURE 5 : SECHEUR A TAMBOUR (ADEME, 2004) ......................................................................................................... 12 FIGURE 6 : SECHEUR PNEUMATIQUE (ADEME, 2004) ..................................................................................................... 13 FIGURE 7 : TOUR D'ATOMISATION (ADEME, 2004) ........................................................................................................ 13 FIGURE 8 : SECHEUR A BANDES (ADEME, 2004) ............................................................................................................ 14 FIGURE 9 : SECHEUR A BANDES (WWW.GLS.FR, GLS)........................................................................................................ 15 FIGURE 10 : SECHEUR ROTATIF (ADEME, 2004) ............................................................................................................ 15 FIGURE 11 : SECHEUR A PALETTES (ADEME, 2004) ........................................................................................................ 15 FIGURE 12 : SECHEUR A PALETTES (ADEME, 2004) ........................................................................................................ 16 FIGURE 13 : SECHEUR A COUCHES MINCES (ADEME, 2004) ............................................................................................. 16 FIGURE 14 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT D'UN EVAPORATEUR A COMPRESSION MECANIQUE DE VAPEUR................................. 17 FIGURE 15 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT D'UN EVAPORATEUR A DOUBLE EFFET............................................................. 18 FIGURE 16: SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DE L’UNITE DE TRAITEMENT DE HERZEELE ............................................................. 19 FIGURE 17 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DE L'UNITE DE DESHYDRATATION DE L’EXPLOITATION DE HERZELE............................. 21 FIGURE 18 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT D'UNE UNITE DE SECHAGE TECHNO-ONE .............................................................. 22 FIGURE 19 : DIAGRAMME DE L'AIR HUMIDE.................................................................................................................... 33 FIGURE 20 : TRB DES DIFFERENTS SCENARIOS SANS SUBVENTIONS....................................................................................... 47 FIGURE 21 : TRB DES DIFFERENTS SCENARIOS AVEC SUBVENTIONS....................................................................................... 47 FIGURE 22 : TRI DES DIFFERENTS SCENARIOS AVEC SUBVENTIONS ........................................................................................ 48 FIGURE 23 : TRI DES DIFFERENTS SCENARIOS SANS SUBVENTIONS ........................................................................................ 49 FIGURE 24 : GAIN OU COUT DES DIFFERENTS SCENARIOS, RAMENE AU M

3 DE DIGESTAT DESHYDRATE AVEC SUBVENTIONS ............... 49

FIGURE 25 : GAIN OU COUT DES DIFFERENTS SCENARIOS, RAMENE AU M3 DE DIGESTAT DESHYDRATE SANS SUBVENTIONS ............... 50

FIGURE 26 : VAN DES DIFFERENTS SCENARIOS AVEC SUBVENTIONS ...................................................................................... 50 FIGURE 27 : VAN DES DIFFERENTS SCENARIOS SANS SUBVENTIONS ...................................................................................... 51 FIGURE 28 : REPRESENTATION GLOBALE DE L'UNITE EXPERIMENTALE.................................................................................... 54 FIGURE 29 : TEMPERATURE ET HUMIDITE DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 1.................................................................................... 57 FIGURE 30 : TEMPERATURE ET HUMIDITE DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 3.................................................................................... 58 FIGURE 31 : TEMPERATURE ET HUMIDITE DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 4.................................................................................... 59 FIGURE 32 : TEMPERATURE ET HUMIDITE DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 5.................................................................................... 60

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Liste de tableaux TABLEAU 1: COUT EN KILOEURO D'UNE UNITE DE SECHAGE INDIRECT (GDF, 1998) ................................................................ 24 TABLEAU 2: COUT EN KILOEURO D'UNE UNITE DE SECHAGE DIRECT (GDF, 2008) ................................................................... 24 TABLEAU 3 : SYNTHESE SUR LES PRINCIPALES TECHNIQUES DE SECHAGE (SOURCE A. RUGANI, MEMOIRE DE FIN D'ETUDE, 2010) .. 31 TABLEAU 4 : FRACTION DE DIGESTAT DESHYDRATABLE SELON DIVERS SCENARIOS .................................................................... 33 TABLEAU 5 : QUANTITE DE DIGESTAT POTENTIELLEMENT DESHYDRATABLE EN FONCTION DE LA T° DE L'AIR RECHAUFFE .................. 34 TABLEAU 6 : COMPOSITION EN MATIERE SECHE, AZOTE, PHOSPHORE ET POTASSIUM DES DIGESTATS BRUTS, DES FRACTIONS LIQUIDE ET

SOLIDE APRES SEPARATION DE PHASES ET D’UN DIGESTAT SEC. ................................................................................... 36 TABLEAU 7 : TAUX DE CAPTURE DE LA MATIERE SECHE, DE L’AZOTE, DU PHOSPHORE ET DU POTASSIUM SELON LE TYPE DE SEPARATEUR

DE PHASES....................................................................................................................................................... 37 TABLEAU 8 : COMPOSITION DES INTRANTS (EN % DU PRODUIT SEC) RETENUS DANS LA SIMULATION ........................................... 38 TABLEAU 9 : COMPOSITION DES INTRANTS (EN % DU PRODUIT BRUT) RETENUS DANS LA SIMULATION......................................... 38 TABLEAU 10 : COMPOSITION DES DIGESTATS BRUTS ET APRES TRAITEMENTS EN % DU PRODUIT BRUT (1) .................................... 38 TABLEAU 11 : NORMES FRANÇAISES ENVISAGEABLES DANS LE CADRE DE LA METHANISATION AGRICOLE SUR DU LISIER DE PORC SELON LE

POST-TRAITEMENT DU DIGESTAT BRUT ET LE TYPE DE CO-SUBSTRATS (2010)................................................................ 41 TABLEAU 12 : PRINCIPALES CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET ECONOMIQUES DES UNITES DE METHANISATION........................... 44 TABLEAU 13 : VALEURS DU V ET COUTS RETENUS POUR LES DISPOSITIFS DE DESHYDRATATION................................................... 46 TABLEAU 14: VARIATION DES CARACTERISTIQUES DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 1 ......................................................................... 56 TABLEAU 15: VARIATION DES CARACTERISTIQUES DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 3 ......................................................................... 58 TABLEAU 16: VARIATION DES CARACTERISTIQUES DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 4 ......................................................................... 58 TABLEAU 17: VARIATION DES CARACTERISTIQUES DE L'AIR LORS DE L'ESSAI 5 ......................................................................... 59 TABLEAU 18 : SYNTHESE DES ANALYSES SUR LE DIGESTAT AVANT / APRES PRE-CONCENTRATION EN KG / TONNE DE BRUT ............... 61 TABLEAU 19 : SYNTHESE DES ANALYSES DU DIGESTAT AVANT / APRES PRE-CONCENTRATION EN KG............................................. 62 TABLEAU 20 : SYNTHESE DES ANALYSES SUR LE DIGESTAT AVANT / APRES SECHAGE EN KG / TONNE DE BRUT.............................. 63 TABLEAU 21 : SYNTHESE DES ANALYSE DU DIGESTAT AVANT / APRES SECHAGE EN KG............................................................... 64 TABLEAU 22 : SYNTHESE DES ANALYSES SUR LE DIGESTAT AVANT / APRES PRE-CONCENTRATION ET SECHAGE EN KG / TONNE DE BRUT66 TABLEAU 23: CONSOMMATION D'ENERGIE SPECIFIQUE LORS DU SECHAGE............................................................................. 66

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Références bibliographiques Ouvrages et synthèses d’études :

- Ajena, 2007. Le digestat d’installation de méthanisation agricole. Synthèse bibliographique.

- Backx T., Membrez Y., Mottet A., 2009. Etat de l’art des méthodes (rentables) pour l’élimination, la concentration ou la transformation de l’azote pour les installations de biogaz agricoles de taille petite/moyenne. Rapport final. Office fédérale de l’énergie OFEN, 93 p.

- Gaz de France, Juillet 1998, Etat de l’art sur le séchage thermique des boues Urbaines et industrielles

- JORF, 2006. Arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations qui valorisent le biogaz.

- Levasseur P. 2004. Traitement des effluents porcins - Guide pratique des procédés. Edition IFIP – Institut du porc, 36 p.

- Levasseur P., M. Marcon, P. Massabie, 2007. Méthanisation à la ferme : leviers de rentabilité en élevage porcin, Techniporc vol. 30, p.17-22.

- Marcon M. et Levasseur P., 2009. Séparation de phases, séchage et normalisation d’un digestat – Synthèse bibliographique. Etude ADEME, 40 p.

- Méthasim, 2010. Calculateur technico-économique de la méthanisation à la ferme. Contribution collective IFIP, AILE, TRAME, SOLAGRO, IE, ITAVI, CRAB.

- Petersen et al, 2007. Recycling of livestock manure in a whole-farm perspective. Livestock science 112 (2007) 180 – 191.

- Rayan SLIM, Octobre 2007, Etude et conception d’un procédé de séchage combiné de boues de stations d’épuration par énergie solaire et pompe à chaleur

- Ron Sieger, Janvier 2004, Thermal Drying of Wastewater Solids - Rugani A., Levasseur P. et Marcon M., 2010. La déshydratation des digestats

– Synthèse bibliographique. Etude ADEME, 37 p. - Rugani A., Mémoire de fin d'étude, Évaluation technico-économique d’un

couplage méthanisation et déshydratation du digestat en élevage porcin, 2010 - Solagro, Erep, PSPC, Sogreah, Peri G, 2010. Expertise de la rentabilité des

projets de méthanisation. Etude pour le compte de l’ADEME, 130 p. Revues et brochures :

- ADEME, Juin 2004, Séchage thermique des boues urbaines et industrielles - Fiches de la Chambre d’agriculture des Pays de la Loire, Avril 2009 - Solagro Aile Trame, 2006, La méthanisation à la ferme, plaquette 16p.

Sites internet :

- http://www.gls.fr - http://www.methanisation.info/valorisation.html - http://methasim.ifip.asso.fr - http://www.sms-vt.com/Evaporateurs-a-couche-mince.320.0.html

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ANNEXES

Annexe 1 : Fiches procédés

LES TAPIS DE SÉCHAGE La déshydratation sur tapis de séchage est un procédé particulièrement adapté au digestat issu de la méthanisation. Il permet le traitement de volumes d’excédents très variables, de 2000 à plus de 100 000 m3/an. L’énergie thermique disponible en sortie de cogénérateur, sous forme d’eau chaude, y est aisément valorisable. En situation optimisée (intrants très fermentescibles, échangeurs thermiques performants, utilisation des gaz d’échappement,…), l’énergie thermique disponible ne permettra de déshydrater qu’au maximum 40 % du digestat. En cas de manque d’énergie thermique issue de la cogénération, il sera nécessaire d’utiliser des techniques d’appoint permettant de gagner des calories (utilisation de l’air des combles des bâtiments d’élevage, chaudière,…), voire d’augmenter les débits de ventilation. PRINCIPE GÉNÉRAL DE FONCTIONNEMENT La déshydratation sur tapis de séchage consiste à disposer, sur des bandes transporteuses disposées en étage, une couche homogène et fine de digestat pré-concentré. Au cours du mouvement de ces bandes, le digestat est déshydraté par l’intermédiaire d’un flux d’air chaud. Le taux de matière sèche du produit sortant est généralement supérieur à 70 % mais peut être ajusté, dans une certaine mesure, à la quantité d’énergie thermique disponible. La surface de séchage va dépendre des quantités de digestat à traiter et de la température de l’air de séchage. Certains constructeurs vont privilégier une adaptation du nombre d’étages plutôt qu’une modification des largeurs et longueurs pour lesquelles il semble exister des dimensions optimales. La température de l’air de séchage est un paramètre essentiel à l’efficacité et au coût global du procédé. Il serait possible de travailler dès 45°C, néanmoins, les faibles rendements thermiques obtenus impliqueraient de grandes surfaces de séchage, génératrices de surcoût d’investissement. Une augmentation des débits d’air serait également envisageable mais serait elle-même génératrice de surcoût sur la taille des ventilateurs et du laveur d’air. Ainsi, le choix de la température, des débits d’air et des surfaces de séchage résulte d’un compromis propre à chacun des constructeurs. En pratique, les températures d’air de séchage retenues vont de 65°C à 150°C, 65-70°C étant retenu en cas de valorisation de l’énergie thermique issue de la cogénération. Les fournisseurs préconisent généralement une pré-concentration du digestat avant leur séchage sur tapis, chacun ayant, là encore, leurs propres solutions qui seront présentées dans les pages suivantes. Avec un digestat brut ayant une teneur en MS initialement de 5-10 %, il est généralement proposé (mais pas toujours) de l’élever à 15 voire 20 % de MS. Au-delà, l’effluent devient plus difficilement pompable et sera plus difficile à répartir sur les tapis. Dans certain cas, une séparation de phases en tête pourrait s’envisager. L’intérêt technique est pouvoir déshydrater davantage au niveau du pré-concentrateur tout en maintenant la « pompabilité » de l’effluent et de réduire la surface des tapis de séchage. C’est d’ailleurs le principe retenu par les évapo-concentrateurs pour maintenir cette « pompabilité » (voir chapitre correspondant). L’intérêt économique pour les tapis de séchage nous semble cependant bien plus discutable. Par la suite, le digestat pré-concentré doit être mélangé avec une fraction du digestat sec. Le cas échéant, une partie du liquide passerait à travers les fentes de perforation des tapis. La programmation de la vitesse de circulation des tapis est ajustée par des sondes d’humidité. Après une circulation sur l’ensemble des étages, ce mélange initialement humide atteint plus de 70 % de MS. Une fraction, majoritaire, est de nouveau réintégrée dans le circuit en mélange avec du digestat pré-concentré tandis que l’autre fraction est évacuée vers une plate-forme de stockage.

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CARACTÉRISTIQUES ET GESTION DES PRODUITS SORTANTS Ce traitement permet de réduire notablement les coûts de coûts de transport puisque le digestat liquide va donner lieu à un résidu sec ne représentant plus que 5 à 10 % du tonnage initial, selon le taux de dégradation des intrants. Ce résidu contient l’intégralité des éléments fertilisants (P, K, Mg, Ca,…) présent initialement dans le digestat, hormis l’azote, compte tenu de la volatilité de l’ammoniac. Le digestat peut en effet contenir jusqu’à 4-5 g/l d’azote ammoniacal (au-delà il constitue une substance inhibitrice du processus biologique de méthanisation). L’air de séchage, qui se retrouve chargé en cet élément, doit subir un lavage avant d’être dégagé dans l’atmosphère (voir chapitre correspondant). L’eau est généralement additionnée d’acide sulfurique afin d’augmenter la concentration et le piégeage de l’ammoniac. Il en résulte un sulfate d’ammonium qui pourra être exporté et épandu en l’état, voire réintégré sur les tapis de séchage. Selon nos simulations effectuées par ailleurs (IFIP, 2009), un digestat sec, sans ré-incorporation de l’effluent issu du laveur d’air, devrait avoir une teneur moyenne d’environ 3 à 4 % du produit brut pour chaque élément N, P et K. Ces teneurs demeurent cependant très variables et dépendantes de la composition des intrants. En cas de besoin (température d’air et temps de séjour du digestat sur le tapis insuffisants), il est envisageable et peu coûteux d’hygiéniser ce digestat sec pendant 1 h à 70°C comme le préconise la règlementation européenne n°1774/2002. Il suffit de faire circuler une partie de l’eau chaude issue du cogénérateur, à environ 80°C, autour d’une vis conv oyeuse programmée pour un déplacement de ce résidu sur 1 heure de temps. Si le porteur de projet est sur un scénario plutôt déficitaire en énergie thermique, il nous semble préférable de privilégier cette hygiénisation sur un produit sec, prêt à être exporté, plutôt que sur une fraction liquide, plus énergivore. CONSTRUCTEURS CONSULTÉS Sur les quatre constructeurs consultés, trois d’entre eux nous ont fournis des informations techniques et économiques. Il s’agit de SPIESSENS, ANDRITZ et DORSET. SCOLARI nous a fourni que des références techniques, ce constructeur n’a donc pas fait l’objet de fiche. Selon nos informations, d’autres fournisseurs sont disponibles, il s’agit entre autres de SEVAR ou FARMER AUTOMATIC.

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LES ÉVAPORATEURS à Compression Mécanique de Vapeur

L’évaporation à compression mécanique de vapeur (CMV) est une technologie permettant une réduction des consommations énergétiques, notamment thermique, lors d’opération de déshydratation. L’évaporation CMV s’adapte au traitement de débits très variables de digestat, de 300 à 150 000 m3/an avec, cependant, de fortes économies d’échelle. La contrepartie de coûts d’investissement et de fonctionnement plus élevés que pour des tapis de séchage, c’est de pouvoir traiter plus de digestat. Sous réserve d’un dimensionnement assez complexe à définir (d’autant plus que les retours d’expérience sur digestat sont encore peu nombreux), c’est la totalité du digestat qui peut être partiellement déshydratée sous la forme d’un concentrat liquide. Contrairement aux tapis de séchage, les évaporateurs par CMV ne nécessitent pas de laveurs d’air. Toutefois, les condensats ammoniaqués produits requièrent un traitement à l’acide et/ou une phase de stripping. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL Le principe de la CMV, est de compresser les vapeurs formées par l’évaporation du digestat afin d’augmenter leur température. Cette production de chaleur supplémentaire va contribuer, par conduction indirecte, à la déshydratation partielle du digestat liquide entrant. Ces procédés fonctionnent uniquement en phase liquide, ainsi une séparation de phases préalable du digestat est indispensable afin de disposer d’une fraction débarrassée de ces principaux composants solides et de pouvoir ensuite maintenir la fluidité du concentrat même pour des taux de matière sèche supérieures à 30 %. Une séparation de phases par vis compacteuse est envisageable. Toutefois une décanteuse centrifuge, plus couteuse mais plus efficace, permettrait d’envisager une déshydratation plus élevée dans l’évaporateur. De cette première étape, il est donc obtenu une fraction solide à 25 voire 30 % de MS et en une phase liquide à 2-5 % de MS, selon le type de digestat et de séparateur de phases. Pour la phase d’évaporation, les procédés combinent généralement un préchauffage de la fraction liquide obtenue avec les apports thermiques issus de la CMV. Dans un couplage avec de la méthanisation en cogénération, le but est alors d’utiliser au maximum l’énergie thermique produite pour préchauffer le digestat entrant afin de réduire la puissance de la CMV, consommatrice d’électricité. Certains évaporateurs fonctionnent également sous vide afin d’améliorer le bilan énergétique. France Evaporation nous a mentionné l’importance de l’entretien des équipements et notamment le lavage régulier des échangeurs. A défaut, les dépôts auraient pour effet d’en réduire l’efficacité. La fraction liquide, issue de la séparation de phases, est donc le plus souvent préchauffée dans un premier échangeur thermique avant d’entrer dans l’évaporateur où il sera mis en contact avec un second échangeur, de type tubulaire. La déshydratation du digestat forme des buées d’évaporation qui, avant d’être dirigées vers le compresseur mécanique de vapeur, vont être filtrées afin d’en éliminer gouttelettes, poussières et éléments particulaires. Ces vapeurs compressées sont alors réinjectées au niveau du second échangeur thermique. Le digestat, partiellement déshydraté, est évacué en continu après un temps de séjour définit. Avec ce procédé, il est possible d’atteindre entre 20 et 50 voire 60% de MS pour certains effluents. Tout dépend des limites de fonctionnement de l’évaporateur, de la viscosité du produit à traiter et du type d’évaporation. Les évaporateurs ne permettent pas d’obtenir des taux de siccité en sortie plus élevés car les concentrats doivent demeurer liquides. Certains fournisseurs (LOFT Gmbh, France Évaporation) proposent des couplages et des variantes de ce procédé d’évapo-concentration afin d’atteindre les seuils de siccités les plus élevés, tel que cité précédemment. Ainsi la combinaison d’évaporateurs à flots tombants et à circulation forcée ou l’ajout d’un épaississeur permettent d’optimiser les consommations et d’atteindre des siccités élevées. Toutefois, une teneur en matière sèche de 30 % devrait représenter un compromis économique pour des digestats. Le chapitre ci-après précise techniquement et économiquement les procédés proposés par ces différents fournisseurs.

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CARACTÉRISTIQUES ET GESTION DES PRODUITS SORTANTS Outre le refus de séparation de phases mentionné précédemment, il est obtenu, en sortie d’évaporateur, un concentrat et un condensat liquide. Bien que la déshydratation du digestat permette d’obtenir une teneur en MS de 30 (voire davantage), le produit reste liquide compte tenu de la séparation de phases initiale et doit le rester étant donné la conception de ces équipements. A ces niveaux de matière sèche, le concentrat a l’aspect d’un sirop très épais. Les taux de MS annoncés par les constructeurs nous semblent cependant à prendre avec précaution compte tenu du manque de retour d’expérience sur le digestat. Bien que le produit reste liquide, le taux de concentration n’est pas négligeable puisqu’une augmentation du taux de MS de 3 (après séparation de phases) à 30 % implique une réduction volumique d’un facteur 10. Il en résulte des coûts de transport notablement réduits. Bien que les teneurs en éléments fertilisants dépendent de la composition des intrants, elle demeurera très élevée pour le potassium (plus de 2-3 %). Elles seront moindres pour le phosphore compte tenu de la séparation de phases en têtes mais aussi pour l’azote compte tenu de la volatilisation de la fraction ammoniacale. Par ailleurs, les niveaux de température atteint dans l’évaporateur, généralement supérieur à 70°C, perme ttent d’hygiéniser le produit au titre du règlement européen n°1774/2002. Les buées d’évaporation sont systématiquement condensées afin de collecter le maximum d’énergie thermique. Ainsi, il est obtenu d’important volume de condensat (correspondant à la quantité d’eau extraite), faiblement chargé en ammoniac. A défaut d’un usage sur site, il devra être traité par stripping de manière à récupérer l’ammoniac sous forme d’un sulfate d’ammonium à 8 % d’azote, engrais minéral pouvant être utilisé en substitution à des engrais chimiques azotés. Il est également envisageable d’acidifier le digestat préalablement à l’évaporation, l’ammoniac se trouvant alors bloqué sous forme de sulfate d’ammonium directement dans le digestat. Les matériaux constitutifs de l’évaporateur doit cependant pouvoir résister à l’effet corrosif de l’acide. Cette technique, plus coûteuse en acide, permet cependant de supprimer le dispositif de stripping et de lavage d’air. Les constructeurs préconisent, par ailleurs, de surveiller les concentrations en ions chlorures et fluorures, vraisemblablement peu élevées dans le digestat, mais qui pourrait réduire l’efficacité de l’acidification et de l’évaporation. L’évaporation CMV ne nécessite que peu d’énergie thermique supplémentaire compte tenu du système de recirculation et de compression des vapeurs formées. Seul un appoint en vapeur externe ou pour le démarrage de l’évaporation est nécessaire permettant une possible valorisation partielle de l’énergie thermique disponible sous forme d’eau chaude à 80°C. Selon les caractéristiques du plan d’épandage de l’exploitation (parcellaire éloigné, insuffisant,…), l’évaporation CMV peut être suffisante en tant que telle ou considérée comme une étape de prétraitement avant une étape de séchage thermique proprement dite. CONSTRUCTEURS CONSULTÉS Sur les quelques constructeurs consultés, trois d’entre eux nous ont fournis des informations techniques et économiques. Il s’agit de LOFT, FRANCE EVAPORATION et SNF FLOERGER. Certains tels que GEA PROCESS ne nous ont transmis que trop peu d’informations permettant de faire une fiche. Selon nos informations, d’autres fournisseurs sont disponibles, il s’agit entre autres de RIDEL ENVIRONNEMENT ou de NATIONAL FILTRATION.

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LES ÉVAPORATEURS à multiples effets

Le principe de fonctionnement de l’évaporation à multiples effets présente beaucoup de similitudes avec l’évaporation par CMV : de la vapeur d’eau est également utilisée pour déshydrater le digestat par conduction indirecte. Si ces évaporateurs utilisent également les buées d’évaporation pour la déshydratation, elles ne sont pas compressées. Ce type d’évaporation, relativement énergivore, s’adapte à des débits de traitement très variables, elle demeure cependant plus appropriée à de gros volumes de traitement compte tenu des économies d’échelle envisageables. Comme pour les évaporateurs par CMV, les évaporateurs à effets multiples ne nécessitent pas de laveurs d’air mais un traitement à l’acide et/ou une phase de stripping pour les condensats ammoniaqués. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL Comme pour les évaporateurs par CMV et pour les mêmes raisons, une séparation de phases poussée en tête est nécessaire afin d’éliminer le plus de matière sèche possible. À défaut, le digestat prendra une consistance pâteuse incompatible avec les équipements employés. Le taux d’évaporation sera maximal avec des séparateurs de type « décanteuse-centrifuge » plutôt que « vis compacteuse ». La fraction liquide est ensuite envoyée sur l’évaporateur. Celui-ci est scindé en plusieurs sous unités, appelées « effets ». Dans le premier effet, la fraction liquide, issue de la séparation de phases, est chauffée par contact indirect avec de la vapeur d’eau primaire au niveau d’un échangeur thermique. Des buées d’évaporation se forment. Le digestat, partiellement déshydraté, est introduit au niveau d’un deuxième effet où il poursuivra sa déshydratation. Les buées d’évaporation formées au niveau du premier effet constituent le fluide thermique utilisé dans l’échangeur thermique du deuxième effet. Ensuite, le nombre d’effets à installer va dépendre de la siccité envisagée et de la quantité d’énergie thermique disponible. Les buées sont systématiquement recyclées pour limiter la production de vapeur. En fonction des fournisseurs, la température de la vapeur primaire diffère. Elle peut être aux alentours de 70-80°C pour France Evaporation ou à 8 bars/170° C pour Techni-Process. Pour ce dernier, la nécessité d’une chaudière (et de son combustible) sera tout ou partie compensé par des débits de traitement plus élevés donc un moindre coût d’investissement au niveau des évaporateurs. Comme pour l’évaporation par CMV, le multiple effet peut être à flots tombants lorsque le digestat est bien liquide puis à circulation forcée lorsqu’il devient plus visqueux. En effet, le taux de matière sèche pouvant être obtenu en sortie se situe au maximum aux alentours de 50-60 %, il prend alors l’aspect d’un sirop très épais. Le taux de matière sèche envisageable dépend toutefois des caractéristiques du produit à déshydrater. CARACTÉRISTIQUES ET GESTION DES PRODUITS SORTANTS La séparation de phases en tête génère une fraction solide qui pourra être valorisé en tant qu’engrais organique. Cependant, il n’existe pas, actuellement, de rubrique correspondante dans la norme NFU 42 001. Pour le digestat concentré et les issus de distillat, les caractéristiques sont relativement semblables à ceux obtenus avec les évaporateurs par CMV, chapitre auquel il convient donc de se reporter.

CONSTRUCTEURS CONSULTES Sur les quelques constructeurs consultés, deux d’entre eux nous ont fournis des informations techniques et économiques suffisantes pour élaborer une fiche. Il s’agit de FRANCE EVAPORATION et TECHNI-PROCESS.

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LES SÉCHEURS À PALETTES

Les sécheurs à palettes sont des technologies de déshydratation à contact indirect. Le fluide caloporteur circule dans l’enveloppe et/ou dans les palettes de brassage. Les fluides thermiques utilisés, agissant ainsi par conduction, sont à des niveaux de température nécessitant l’emploi d’une chaudière. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL Le digestat humide est inséré dans un cylindre comportant des palettes qui, par rotation lente, assurent l’homogénéisation du digestat. Le fluide thermique utilisé est en circulation dans le cylindre ainsi que dans les palettes. Ces dernières améliorent la surface d’échange avec le digestat, permettant une augmentation de l’efficacité de séchage. Les buées d’évaporation sont évacuées naturellement par le haut du sécheur. Néanmoins, l’évacuation peut-être facilitée soit par un léger flux d’air chaud supplémentaire, soit par l’intermédiaire d’une pompe à vide. Les fournisseurs proposent différents fluides thermiques : vapeur d’eau sous différentes pressions (6 ou 11 bars), huile thermique à 210°C,… L’installati on d’une chaudière est indispensable pour atteindre ces niveaux de température. Le sécheur à palettes permet d’obtenir des taux de matière sèche supérieur à 70 %. La pré-concentration du digestat et, à fortiori, une séparation de phases en tête, n’est pas indispensable. Le surplus d’eau à déshydrater se traduira par une réduction des débits de traitement. Autrement dit, il sera nécessaire d’augmenter la taille des sécheurs. Un bilan technique et économique doit être réalisé au cas par cas afin d’étudier l’intérêt, ou non, d’un pré-concentrateur. Certains fournisseurs peuvent proposer un séchage sous vide afin de réduire la température d’évaporation du digestat. Cette mise sous vide, consommatrice néanmoins d’électricité, permet de diminuer la température du fluide thermique utilisé pour le même temps de séjour de l’effluent dans le sécheur. L’intérêt d’un séchage sous vide peut cependant être remis en cause par son coût d’investissement élevé. CARACTÉRISTIQUES ET GESTION DES PRODUITS SORTANTS En sortie de sécheur à palette, il est obtenu un digestat sec à plus de 70 % de matière sèche. Il est hygiénisé selon les termes du règlement européen 1774/2002 et de composition variable selon les intrants d’origine. Les buées d’évaporation formées devront être traitées par un laveur d’air. Ce dernier sera de dimension réduite compte tenu des faibles débits d’air vicié. Si les matériaux constitutifs du sécheur à palettes le permettent, le digestat peut être préalablement acidifié afin d’éviter le dégazement d’ammoniac. CONSTRUCTEURS CONSULTES Les deux constructeurs consultés, EFCI FRANCE et GMF GOUDA, nous ont fournis des informations techniques et économiques. Ces deux fournisseurs n’ont cependant qu’une expérience réduite voire inexistante dans la déshydratation du digestat. Ils sont essentiellement spécialisés sur la déshydratation de boues. Selon nos informations, d’autres fournisseurs sont disponibles, il s’agit entre autres de SMS VT, SIL et HOSOKAWA MICRON FRANCE (sécheur à disques).

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LES EQUIPEMENTS ANNEXES Pour la capture des émissions d’ammoniac

La diminution du volume de digestat, par évaporation de l’eau, est un des objectifs du séchage de manière à réduire les coûts de transport. Le digestat concentré, et à fortiori sec, contient de fortes teneurs en phosphore, potassium et azote. Ce dernier a, toutefois, la particularité d’être partiellement volatil, notamment sous sa forme minérale. Il en est retrouvé dans l’air vicié issu des tapis de séchage (sous forme d’ammoniac) ou dans le distillat d’évaporation (essentiellement sous forme d’ion ammonium). L’objectif est donc de récupérer cet élément de manière à le valoriser en tant qu’engrais agricole. Pour cela différentes techniques existent : le lavage d’air, le stripping ou l’acidification directe. Le lavage d’air et le stripping consistent à traiter respectivement l’air vicié et le distillat issu du process de séchage afin de récupérer et concentrer l’ammoniac. L’acidification directement du digestat consiste à bloquer les émissions d’ammoniac à la source, en favorisant la forme minérale soluble « ion ammonium », évitant ainsi stripping ou lavage d’air. Toutefois, ces derniers nécessitent également l’emploi d’acide mais en bien moindre quantité. A défaut, l’azote contenu dans l’eau peut être relargué à tout moment. Le stockage et l’utilisation d’acides nécessite des précautions d’emploi. Des mesures doivent donc être prises en terme de sécurité pour la personne et pour l’environnement (formation des manipulateurs, équipements de sécurité, cuve de rétention…). De plus, une réglementation ICPE est potentiellement applicable : « Toute installation employant ou stockant de l’acide sulfurique à plus de 25% en concentration est soumise à autorisation au titre du régime ICPE lorsque la quantité présente dans l’installation est susceptible d’être supérieure à 250T, et est soumise à déclaration lorsque la quantité est comprise entre 50T et 250T. » (Source : Nomenclature ICPE, Rubrique 1611, Ministère de l’écologie, de l’énergie et du développement durable). Ces procédés ne sont pas qu’une contrainte technique et financière. Ils permettent de conserver l’azote sous une forme intéressante agronomiquement. Le bénéfice dépend étroitement du prix de marché des engrais minéraux azotés. Certains fournisseurs tels que FRANCE EVAPORATION, TECHNI PROCESS ou ANDRITZ nous ont fournis directement des informations techniques et économiques sur ses équipements. Nous avons tout de même consulté un spécialiste du traitement de l’air et du stripping (EUROPE ENVIRONNEMENT) afin de confirmer les renseignements recueillis. D’autres fournisseurs existent également concernant le lavage d’air ou le stripping tels que CERMAP, SERVITHEN ou NASKEO.

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Annexe 2 : Fiches procédés constructeurs

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Annexe 3 : Taux de capture du N,P et K

Répartition masse % Taux de capture dans la phase solide

Liquide Solide MS MO C N NH4+ P2O5 K2O Source

Vis Compacteuse - 4,2 39 47 47 9 4 20 6 Levasseur (2004)

27,3 6,6 7,1 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

Décanteuse-centr. - 5,5 61 59 59 22 11 80 9 Levasseur (2004)

60,5 29,3 62,3 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

48,3 18,6 60,4 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

62,1 20,1 63,6 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

32,8 13,1 65,6 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

Lisier

Vis compacteuse - - 18,4 - - 7,4 - 10,3 - Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

23 6 8,7 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

98 2 9,09 11,8 5,9 3,75 18,17 1,81 AFME et Cooperl 1987

21,49 28,24 4,96 3,83 28,19 4,7 AFME et Cooperl 1987

Moyenne 18,0 6,1 3,8 16,3 3,3

Décanteuse-centr. 86 14 65 25 75 Teodorita (2004) cité par Ajena (2007)

68,3 24,2 91 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

65,1 31 64,2 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

59,7 25,4 83,3 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

53,5 23,7 52,4 Petersen et al (2007) modifié d'après Moller et al (2002)

94,6 5,3 31,11 32,24 12,91 6,28 67,07 5,34 AFME et Cooperl 1987

38,83 41,4 14,57 11,94 75,37 7,59 AFME et Cooperl 1987

95,7 4,2 41,64 46,86 15,91 13,13 75,02 6,63 AFME et Cooperl 1987

24,47 26,18 8,34 7,43 59,9 3,35 AFME et Cooperl 1987

Digestat Moyenne 92,1 7,8 49,7 20,1 9,7 71,5 5,7

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Annexe 4 : Schéma du prototype de tapis de séchage

Coupe transversale de l'unité de séchage expériment ale

Coupe longitudinale de l'unité de séchage expérimen tale

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Unité de séchage expérimentale vue de dessus

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Annexe 5 : Schéma du prototype de pré-concentrateur

Ensemble de vu 3D du pré-concentrateur

Pré-concentrateur vu de face

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Pré-concentrateur vu de côté (gauche)

Pré-concentrateur vu de dessous

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Pré-concentrateur vu de dessus