ARF19 - Optimisation de l'énergie produite par les systèmes de digestion dans les exploitations agricoles grâce à l'utilisation de résidus de biocarburants agricoles comme co-substrats

MAAARO, Agriculture et Agroalimentaire Canada, et Éthanol GreenField Inc. (anciennement Les Alcools de Commerce Inc.) ont subventionné conjointement ce projet en 2008, via le Fonds de recherche-développement sur les carburants de remplacement renouvelables et autres.

Chercheur principal

Dr Kevin Kennedy, département du génie civil, Université d'Ottawa

Objectifs

1. Caractériser les résidus de biocarburants pouvant servir de co-substrats en vue d'augmenter la production de biogaz par les systèmes de digestion installés dans les exploitations agricoles de taille moyenne en Ontario.
2. Évaluer le rendement et l'amélioration de la production de biogaz pour diverses configurations de systèmes de digestion agricoles anaérobies acceptables et différents mélanges de fumier et de résidus de biocarburants agricoles.
3. Produire des données de laboratoire et de terrain et évaluer les résultats de la digestion anaérobie pour affiner la réglementation sur les matières premières issues du fumier.
4. Évaluer l'effet de l'addition de mélanges de résidus de biocarburants agricoles sur le rendement et l'amélioration de la production de biogaz pour deux systèmes de digestion d'exploitation agricole.
5. Évaluer les avantages économiques que les systèmes en circuit fermé de production de biocarburants agricoles à partir de fumier présentent pour les fermes d'élevage et de culture commerciale de taille moyenne.
6. Élaborer puis mettre en application un logiciel de simulation convivial afin de guider ou de dépanner les utilisateurs de systèmes de digestion de fumier et de résidus agricoles afin de maximiser la production d'électricité.
7. Élaborer et mettre en application un programme de transfert technologique qui favorisera l'adoption de système de digestion anaérobie dans les exploitations d'élevage en Ontario.

Avantages escomptés

Cette étude servira de référence aux exploitations agricoles ontariennes qui envisagent de produire du biocarburant agricole et de mettre en œuvre des systèmes de digestion anaérobie. Les résultats en laboratoire basés sur diverses configurations de digestion anaréobie (jugées acceptables pour une utilisation dans une exploitation agricole) fourniront des points de repère pour les conceptions futures de systèmes de digestion et le rendement des co-substrats de fumier riches en matière organique. Bien que cette étude se concentre sur les résidus de biocarburants agricoles, ses résultats seront également valables pour d'autres matières ne provenant pas d'une exploitation agricole.

Résultats

Nous avons évalué l'effet des facteurs suivants sur les rendements en méthane :

• le taux de charge en matières organiques (TCMO);
• le pourcentage de co-substrats dans la charge;
• la température.

Nos recherches ont permis d'établir des conditions d'opération qui améliorent les rendements en méthane, tout en réduisant les besoins en co-substrats. Ces résultats seront utiles aux producteurs, aux ingénieurs et aux membres du personnel du MAAARO.

Le tourteau de canola comme co-substrat

L'ajout du tourteau de canola comme co-substrat permet d'améliorer la production de biogaz à partir des digestions de fumier liquide bovin. Des essais à petite échelle avec des systèmes de digestion en semi-continu ont montré des rendements en biogaz de 0,369 m3/kgSV/jour (TCMO =3,0 gSV/L/jour) lorsque le fumier est mélangé à du tourteau de canola, comparé à des rendements de 0,309 m3/kgSV/jour (TCMO =3,0 gSV/L/jour) et de 0,313 m3/kgSV/jour (TCMO =2,5 gSV/L/jour) avec du fumier seul. Les meilleurs rendements en biogaz étaient obtenus lorsque le fumier de bovins et le tourteau de canola étaient ajoutés à un TCMO de 4,0 gSV/L/jour, ce qui générait des rendements en biogaz de 0,750 m3/kgSV/jour et des rendements en méthane de 0,430 m3 CH4/kgSV/jour.

La glycérine comme co-substrat

La digestion en régime semi-continu du fumier de bovins et de la glycérine à différentes valeurs de TCMO a constamment donné de meilleurs rendements en biogaz que le système de digestion de fumier à échelle pilote. Des rendements en biogaz de 0,374 m3/kgSV/jour (TCMO =3,0 gSV/L/jour) et de 0,450 m3/kgSV/jour (TCMO =2,5 gSV/L/jour) ont été obtenus lorsque le fumier de bovins était co-digéré avec de la glycérine, ce qui correspondait à des augmentations de rendement en biogaz de 44 % et de 21 %, respectivement, par rapport aux digestions contrôle de fumier seul. Les rendements optimaux en biogaz ont été obtenus lorsque le fumier et la glycérine (50 % of SV) étaient digérés à un TCMO de gVS/L/jour, résultant en un rendement en biogaz de 0,620 m3/kgSV/jour et un rendement en méthane de 0,367 m3 CH4/kgSV/jour.

La vinasse de maïs comme co-substrat

Des réacteurs à écoulement vers le bas et à lit fixe (angl. : Downflow Stationary Fixed Film, DSFF), fonctionnant à haut débit et en régime semi-continu avec des microorganismes mésophiles, étaient utilisés pour le traitement de la vinasse de maïs. Des rendements optimaux en méthane de 2,05 et de 1,53 m3CH4/m3/jour étaient respectivement obtenus avec un TCMO de 7,6 gDCO/L/jour (TRH = 5 jours) et un TCMO of 5,8 gDCO/L/jour (TRH = 6,25 jours).

La co-digestion, à l'aide de microorganismes mésophiles, du fumier de bovins et de la vinasse de maïs en utilisant des réacteurs à agitation intermittente, donnait constamment des rendements plus élevés en méthane, par rapport à la digestion du fumier seul. À un TCMO de 2,25 gSV/L/jour et 57 % du VS en vinasse les rendements en méthane ont été mesurés à 0,661 m3CH4/kgSV/jour, alors que le rendement en méthane lors de la digestion de fumier de bovins seul était de 0,168 m3CH4/kgSV/jour (TCMO = 3.0 gSV/L/jour).

La co-digestion du fumier de bovins et de la vinasse dans un système à deux étapes donnait des rendements en méthane encore meilleurs que ceux obtenus à l'aide de la digestion en une seule étape. Ainsi, avec un TCMO de 2,0 gSV/L/jour, le rendement en méthane de 0,915 m3CH4/kgSV/jour sous des conditions de digestion en deux étapes était 1,6 fois supérieur au rendement de la digestion en une étape, qui était de 0,582 m3CH4/kgSV/jour. Un résultat comparable était observé avec un TCMO de 2,25 gSV/L/jour, le méthane produit étant alors 1,5 fois plus élevé (0,965 m3CH4/kgSV/day) lors de la digestion en deux étapes. La digestion en deux étapes s'est donc révélée très efficace pour augmenter les rendements en méthane; d'autres études sont par ailleurs présentement en cours avec de plus grandes valeurs de TCMO et des %VS plus élevés en vinasse dans le substrat.

Informations complémentaires

• Autres projets financés en 2008 par le Programme Fonds de recherche-développement sur les carburants de remplacement renouvelables et autres
• Le Fonds de recherche-développement sur les carburants de remplacement renouvelables et autres.
• Programme de nouvelles orientations de recherche sur les carburants de remplacement renouvelables et autres - Aperçus des projets de recherche en 2009
• Programme de nouvelles orientations et de recherche sur les carburants de remplacement renouvelables et autres 2010 - Aperçus des projets