Bilan de masse et d’énergie d’une unité de méthanisation : exemple de calcul, du substrat aux kilowattheures

Le bilan de masse et d’énergie d’une unité de méthanisation se réalise en six étapes : masse fraîche → matière sèche (TS) → matière organique sèche (VS) → production de méthane (rendement par kg de VS) → énergie chimique du combustible (pouvoir calorifique) → énergie électrique et thermique après prise en compte du rendement de la CHP et de la consommation propre. Un exemple complet suit, avec des hypothèses explicites ; tous les chiffres sont illustratifs et doivent être remplacés par vos propres données issues d’analyses et de mesures.

Étape 1 : ration journalière

Les rendements sont des valeurs pratiques supposées à l’échelle technique, inférieures aux potentiels issus des tests BMP (voir l’article sur la différence entre BMP et échelle technique).

Étape 2 : production de méthane

• ensilage de maïs : 6 270 kg × 0,34 = 2 132 m³ CH₄/j,
• lisier : 1 920 × 0,20 = 384 m³,
• herbe : 1 350 × 0,30 = 405 m³.

Total ≈ 2 921 m³ CH₄/j. Avec une teneur de 53 % de CH₄ dans le biogaz, il se forme environ 5 512 m³/j (230 m³/h). Rendement moyen : 2 921 / 9 540 ≈ 0,31 m³ CH₄/kg VS — crédible (il reste sous les maxima théoriques pour ces substrats).

Étape 3 : énergie chimique

Retenons un pouvoir calorifique du méthane de 9,97 kWh/m³ (conditions normales). Énergie du combustible : 2 921 × 9,97 ≈ 29 120 kWh/j, soit ≈ 1 213 kW de puissance thermique du combustible (en moyenne).

Étape 4 : CHP

Avec un rendement électrique de 38 % et un rendement thermique de 45 % (valeurs typiques pour les moteurs à gaz de cette classe ; les valeurs réelles dépendent du modèle et de la charge) :

• énergie électrique brute : 29 120 × 0,38 ≈ 11 066 kWh/j (≈ 461 kW),
• chaleur : 29 120 × 0,45 ≈ 13 104 kWh/j (≈ 546 kW).

Étape 5 : consommation propre

Retenons une consommation propre d’électricité de 8 % de la production, soit ≈ 885 kWh/j ; l’énergie nette injectée sur le réseau est ≈ 10 181 kWh/j. La chaleur propre pour le chauffage du digesteur dépend de la saison ; supposons en moyenne 25 % de la chaleur de la CHP (≈ 3 276 kWh/j). La chaleur disponible pour les utilisateurs est ≈ 9 828 kWh/j, mais seule une partie est réellement valorisée (saisonnalité).

Étape 6 : bilan de masse du digestat

La perte de VS dans le procédé représente généralement quelques dizaines de pour cent de la VS introduite, selon le mélange et le HRT ; dans cet exemple, retenons 60 %. Sur 9,54 t de VS, il reste alors environ 3,8 t de VS dans le digestat, auxquelles s’ajoutent la part inorganique de la matière sèche et l’eau. La masse du digestat est égale à la masse introduite diminuée de la masse du biogaz. Avec une masse volumique du biogaz de l’ordre de 1,2 kg/m³ et une production de 5 512 m³/j, la masse de gaz est d’environ 6,6 t/j, de sorte que le digestat représente environ 48 t/j (55 − 6,6 ≈ 48,4). Ce résultat doit être pris en compte dans le plan de stockage et d’épandage du digestat.

Contrôle de la justesse

Analyse de sensibilité

Une variation du rendement du maïs de 0,34 à 0,30 m³ CH₄/kg VS abaisse la production de méthane d’environ 250 m³/j (−8,6 %), et l’énergie électrique d’environ 950 kWh/j. Une variation de la teneur en matière sèche de l’ensilage de 33 % à 30 % réduit la VS d’environ 9 %, et pèse donc presque autant. C’est pourquoi la précision des analyses de TS et de VS ainsi que la pesée des substrats sont essentielles.

Conclusions

Le bilan est un outil de planification et de contrôle. Répété chaque mois avec des données réelles, il montre où l’installation perd de l’énergie : dans une dégradation incomplète du substrat, la torchère, un faible rendement de la CHP, une consommation propre excessive ou une chaleur non valorisée.

Remarques sur les hypothèses

Les rendements de la CHP dépendent du modèle, de la charge, de l’état d’entretien et de la température ambiante ; un fonctionnement à charge partielle abaisse le rendement électrique. Les rendements à l’échelle technique sont généralement inférieurs aux résultats BMP, car une partie de la matière traverse le digesteur trop vite et le brassage est imparfait. La teneur en matière sèche de l’ensilage varie selon le lot et la date de récolte. La chaleur propre pour le chauffage du digesteur est maximale en hiver, tandis qu’en été les utilisateurs de chaleur sont souvent peu nombreux — c’est pourquoi il est utile de calculer le bilan thermique annuel mois par mois.

Comment transformer l’exemple en outil

Construisez un tableur dans lequel vous saisissez les masses des substrats, les valeurs de TS et de VS et les rendements, les autres champs étant calculés par des formules. Ajoutez des colonnes comparant le plan à la réalité (mesure du gaz, compteur d’énergie). Des écarts de quelques pour cent sont normaux ; il vaut la peine d’examiner les écarts plus importants.