Les biodigesteurs à petite échelle bénéficient d’une grande amélioration du contrôle thermique

Alors que le monde cherche à accroître l’utilisation et la production d’énergies renouvelables, l’amélioration de l’efficacité tout en réduisant les coûts énergétiques est essentielle à l’adoption des sources renouvelables. Les biodigesteurs (également appelés digesteurs anaérobies) sont une source d’énergie renouvelable et agissent à la fois comme une solution efficace de gestion des déchets et comme une source de biogaz, un gaz dense en méthane qui peut être utilisé à la place du gaz naturel.

La performance des biodigesteurs est sensible à la température, car la biomasse nécessite des températures élevées pour fonctionner. Pour les fermes situées dans des climats où le temps est froid, les biodigesteurs peuvent s’arrêter à mesure que la température diminue, ce qui nécessite des systèmes de contrôle thermique. Pour les petites et moyennes exploitations, le coût initial d’un digesteur avec un système de contrôle thermique peut être prohibitif. Cependant, Advanced Cooling Technologies Inc. (ACT), situé à Lancaster, en Pennsylvanie, a développé un système de gestion thermique peu coûteux qui prolongera le temps de fonctionnement des digesteurs tout en maintenant le digestat à une température optimale pour la production de biogaz. Cette recherche en cours est financée par une subvention de recherche innovante pour les petites entreprises (SBIR) du Département américain de l’agriculture.

Composants du biodigesteur

La construction des biodigesteurs est d’une simplicité trompeuse. Comme le montre la figure 1, un grand récipient contient les déchets organiques et les colonies bactériennes nécessaires. Il y a une entrée pour les déchets organiques et deux sorties : une pour les effluents liquides et l’autre pour le biogaz. Le récipient doit être dimensionné de manière appropriée pour le volume de déchets prévu. Une ferme familiale qui a l’intention d’alimenter son digesteur principalement avec des déchets alimentaires bénéficierait d’un simple digesteur à réservoir pour vrac intermédiaire (IBC) d’un volume interne de 275 à 330 gallons.

1. Schéma de base d’un biodigesteur. Avec l’aimable autorisation : ACT

Le véritable héros du biodigesteur, ce sont les habitants du navire. Ces digesteurs cultivent une colonie bactérienne vivante dans des conditions anaérobies. Ces bactéries sont la centrale électrique du biodigesteur, convertissant les déchets organiques en biogaz riche en méthane et en engrais riche en nutriments.

Impact de la température sur les performances du biodigesteur

Les colonies bactériennes présentes dans les biodigesteurs sont un mélange de bactéries mésophiles ou thermophiles. Chacun a une gamme de températures de croissance, les bactéries mésophiles se développant bien entre 20 et 45 ° C, avec une température de croissance optimale de 37 ° C. Le thermophile a une plage de températures de croissance de 45 à 122 ° C, avec une température de croissance optimale de 50 ° C. Aux températures de croissance optimales, ces colonies bactériennes produisent du biogaz au taux maximum (Figure 2).

2. Ce graphique montre la production relative de gaz par jour par rapport à la production maximale de bactéries mésophiles par rapport à la température du digesteur. Source : Roediger, H. Die Schlammfaulung alcaline anaérobie. Wasser-Abwasser, H.1, Verlag R. Oldenbourg, Muchen u. Vienne. 1967

La production de biogaz diminue à mesure que la température de la colonie diminue et que la colonie entre en hibernation. À l’inverse, les colonies bactériennes peuvent également subir des arrêts à des températures élevées en raison d’une surchauffe. La corrélation sensible entre la température du digesteur et les performances de la colonie montre que la température du digestat doit être maintenue dans certaines limites pour assurer une production de gaz constante tout au long de l’année.

Biodigesteurs à petite échelle

Alors que les biodigesteurs semblent être une solution idéale pour la gestion des déchets, plusieurs barrières à l’entrée interdisent l’adoption de cette technologie dans les petites et moyennes exploitations. Le plus important de ces obstacles est le coût d’installation initial élevé. Ces coûts conduisent à la sous-utilisation des biodigesteurs pour le traitement des déchets. Par exemple, une petite ferme typique peut utiliser une lagune beaucoup moins chère pour stocker et traiter les déchets organiques, qui ne produisent pas de biogaz précieux.

Pour les fermes qui connaissent des climats froids et par la suite l’arrêt du digesteur, un système de gestion thermique est nécessaire pour chauffer le digestat à des températures opérationnelles. La source de cette chaleur provient souvent de la combustion du biogaz lui-même, coupant le précieux sous-produit énergétique du système. La combustion du biogaz chauffe l’eau qui circule dans des tubes intégrés au digesteur. Des contrôles actifs sont nécessaires pour contrôler la température du digestat dans la plage optimale et éviter la surchauffe. Si le système surchauffe, le digestat cuit sur la surface chauffée, ce qui réduit l’efficacité du système de chauffage. Une chaleur excessive nuit également à la colonie bactérienne.

Une solution thermique plus attrayante serait une solution passive peu coûteuse qui peut gérer un chauffage intermittent sans risque de surchauffe. Une telle solution prolongerait la durée de fonctionnement du digesteur, produirait plus de biogaz par an et réduirait le coût actualisé du biogaz tout au long de la durée de vie du système.

Système thermique passif d’ACT

Pour répondre au besoin de prolonger la durée de fonctionnement des biodigesteurs, ACT a développé un système thermique passif qui utilise des matériaux à changement de phase (PCM) pour agir comme stockage d’énergie thermique et amortisseurs thermiques. Les PCM sont une technologie de stockage d’énergie thermique courante et éprouvée. Lorsqu’elles sont utilisées dans des échangeurs de chaleur, les vapeurs de PCM pulsent les charges thermiques, ce qui permet de concevoir les dissipateurs de chaleur pour la puissance moyenne. Les PCM offrent également une excellente isothermie car ils stockent la majeure partie de leur énergie thermique dans la chaleur latente d’une transition de phase à température constante.

En raison de ces propriétés, la conception du digesteur développée par ACT utilise des PCM peu coûteux comme tampon thermique entre les tubes d’eau chaude et le digestat sensible à la température. Le placement du PCM entre l’eau chaude et le digestat permet au PCM d’éviter les chocs de température excessifs sur le système. Le chauffage direct du digestat par des tubes d’eau chaude repose sur un transfert de chaleur sensible, ce qui nécessite une différence de température importante entre l’eau chaude entrant dans le système et le digestat. En transférant la chaleur de l’eau chaude à travers le PCM, le PCM maintient la paroi du digesteur à une température constante quelle que soit la température de l’eau chaude. Le PCM a été sélectionné sur la base de cette température de changement de phase, qui est juste légèrement supérieure à la température optimale du digestat de 35°C.

Un effort de collaboration

Pour tester le système passif développé, ACT s’est associé à Solar CITIES Inc., une organisation à but non lucratif enregistrée aux États-Unis qui se concentre sur la fourniture de solutions de biogaz aux États-Unis et à l’étranger. Solar CITIES a fourni des informations précieuses lors du développement et de la fabrication du biodigesteur.

Les terrains d’essai de Solar CITIES étaient un endroit idéal pour tester le prototype de digesteur. Le terrain d’essai, situé dans la ferme familiale d’un membre fondateur à Glenmoore, en Pennsylvanie, a fourni suffisamment de lumière solaire pour chauffer passivement le digesteur prototype PCM. Un biodigesteur existant adjacent pourrait effectivement servir de témoin de comparaison.

Alors que les terrains d’essai contenaient beaucoup de déchets organiques pour alimenter le digesteur témoin initial, il n’était pas possible d’alimenter deux digesteurs au début des essais. Pour résoudre ce problème, ACT a commencé à collecter les déchets alimentaires de son installation pour nourrir les colonies bactériennes en croissance dans les digesteurs.

Expériences sur le terrain

Le digesteur prototype (Figure 3) a été construit en février 2022, alors que le digesteur témoin était encore trop froid pour produire du biogaz. Dans les deux semaines suivant la construction, la colonie bactérienne du biodigesteur d’ACT a commencé à produire du biogaz combustible.

3. Le biodigesteur prototype d’ACT. Avec l’aimable autorisation : ACT

Pour explorer les différences de performances entre les deux digesteurs, ils ont chacun été alimentés avec les mêmes boues de déchets organiques en quantités égales tout au long du programme. Dans les étapes initiales, l’effluent du digesteur témoin a été utilisé comme affluent pour le digesteur prototype afin d’encourager des colonies bactériennes similaires. Le gaz a été collecté et mesuré quotidiennement à partir de chaque digesteur. Les températures à l’intérieur, à l’extérieur et autour des digesteurs ont été enregistrées tout au long des tests.

Lorsque le digesteur témoin s’est « réveillé » et a commencé à produire du biogaz, il a commencé à produire plus de gaz que le prototype d’ACT. Cela était attendu en raison de la colonie bactérienne bien établie dans le digesteur témoin. Cependant, malgré l’hébergement d’une colonie plus récente, le biodigesteur d’ACT a commencé à produire plus que le digesteur de contrôle fin avril 2022, à la surprise des experts en biogaz de Solar CITIES.

Tout au long du mois de mai 2022, le digesteur témoin a produit en moyenne 46 litres de biogaz par jour, tandis que le prototype d’ACT a produit 56 litres de biogaz par jour. Cette différence de production de gaz peut être attribuée aux températures élevées du digestat du prototype de digesteur, qui sont restées plus uniformes pendant les variations de température quotidiennes du jour à la nuit.

Et après?

Le digesteur développé par ACT est encore en phase de test de prototype. Bien qu’il soit impressionnant que le prototype ait pu rattraper et surpasser les performances du digesteur témoin, le véritable test aura lieu en automne et en hiver lorsque les digesteurs non chauffés typiques s’arrêteront. ACT prévoit que le prototype de digesteur restera à des températures opérationnelles malgré la baisse des températures environnementales, prolongeant ainsi la durée de fonctionnement du prototype de digesteur. Après cet effort de phase I du SBIR, ACT a l’intention de poursuivre les recherches sur la conception de ce digesteur afin de déterminer l’évolutivité du système de contrôle thermique et d’évaluer et de développer l’ingénierie requise pour un produit de biodigesteur commercial.

Elisabeth Seber est ingénieur en recherche et développement II chez Advanced Cooling Technologies Inc.