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Production de chaleur et d'électricité - Moteur à pistons - 50 kW - Biogaz / Canada
Mandat de l'étude de cas
En tant que fournisseur pour la technologie de cogénération au biogaz dans le secteur agricole, vous devez produire rapidement un estimé du rendement du système et des coûts pour une ferme comprenant un troupeau de 140 vaches laitières. Votre technologie consiste en un digesteur anaérobie qui utilise le fumier de vache comme alimentation; le fumier produit du biogaz qui alimente une génératrice à moteur à pistons.
Données techniques
La ferme est située dans la vallée d'Ottawa près de Pembroke, Ontario, Canada. Le biogaz brûlera dans un moteur à compression à allumage par étincelle et sera utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. La chaleur sera utilisée pour régler la température du digesteur à 40 °C et le surplus de chaleur sera utilisé pour le chauffage de la maison de ferme et de l'eau chaude. Supposons une maison de ferme conventionnelle d'une surface de 300 m2 présentement chauffée au propane et relativement bien isolée. La charge électrique moyenne de la ferme est de 30 kW (tous les mois). L'électricité peut être utilisée pour rencontrer la charge électrique de la ferme ou pour être vendu à la compagnie d'électricité dans un accord de facturation nette. La figure illustre les flux énergétiques impliqués. Pour cette étude, sélectionnez un moteur de 50 kW afin de permettre un agrandissement futur du système et fixez le taux de récupération de chaleur du moteur à 50 % pour assurer le chauffage du digesteur.
Mandat de l'étude de cas
En tant que fournisseur pour la technologie de cogénération au biogaz dans le secteur agricole, vous devez produire rapidement un estimé du rendement du système et des coûts pour une ferme comprenant un troupeau de 140 vaches laitières. Votre technologie consiste en un digesteur anaérobie qui utilise le fumier de vache comme alimentation; le fumier produit du biogaz qui alimente une génératrice à moteur à pistons.
Données techniques
La ferme est située dans la vallée d'Ottawa près de Pembroke, Ontario, Canada. Le biogaz brûlera dans un moteur à compression à allumage par étincelle et sera utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. La chaleur sera utilisée pour régler la température du digesteur à 40 °C et le surplus de chaleur sera utilisé pour le chauffage de la maison de ferme et de l'eau chaude. Supposons une maison de ferme conventionnelle d'une surface de 300 m2 présentement chauffée au propane et relativement bien isolée. La charge électrique moyenne de la ferme est de 30 kW (tous les mois). L'électricité peut être utilisée pour rencontrer la charge électrique de la ferme ou pour être vendu à la compagnie d'électricité dans un accord de facturation nette. La figure illustre les flux énergétiques impliqués. Pour cette étude, sélectionnez un moteur de 50 kW afin de permettre un agrandissement futur du système et fixez le taux de récupération de chaleur du moteur à 50 % pour assurer le chauffage du digesteur.
Données financières
Supposons que le prix de vente de l'électricité est de 0,11 $/kWh et que le propane coûte 0,50 $/L. Ne supposons aucun crédit au départ pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) ou pour la production d'énergie verte. Les coûts de développement sont de 10 000 $ pour l'étude de faisabilité, 20 000 $ pour l'ingénierie, 150 000 $ pour le digesteur et son installation ainsi que les travaux connexes, et 1 500 $/kW pour le moteur à pistons et la génératrice. Les coûts d'exploitation et entretien (principalement pour l'entretien et la remise à neuf du moteur) sont de 5 000 $/année et la construction prendra 6 mois.
Supposons que le taux d'inflation et le taux d'indexation du coût en combustibles est de 0 %; la durée de vie du projet est de 20 ans avec un taux d'actualisation de 6 %, un prêt agricole de 100 % est disponible pour 15 ans à 6 % d'intérêt. Le taux d'imposition sur le revenu est de 36 % avec un taux d'amortissement de 15 % la première année et de 30 % par année par la suite.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude, et tirez les faits saillants de cette étude.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Projet réel
Résultats
Cette ferme est située à Cobden, Ontario, Canada, et opère un système de cogénération depuis mai 2003. Le système de cogénération comprend un digesteur anaérobie à mélange complet de mésophile et une génératrice avec moteur à pistons d'une puissance de 50 kW.
Description du système
Le digesteur est actuellement alimenté par le fumier du troupeau de 140 vaches laitières de la ferme. Le digesteur produit environ 400 m3 de biogaz par année dont le contenu moyen en méthane est de 55 %.
Les moteurs les plus couramment utilisés pour la cogénération de biogaz sont les moteurs à allumage par étincelle (biogaz seulement) et les moteurs à piston à allumage par compression (employant un mélange de biogaz et 10 % de carburant diesel pour une combustion stable). Des micro-turbines peuvent aussi être utilisées.
Cette installation utilise un moteur à allumage par compression avec un système de carburation mixte qui alimente un alternateur qui produit environ 700 kWh d'électricité par jour. Cette électricité peut servir à combler la charge électrique de la ferme ou être exporté au réseau où elle est échangée conformément à un accord de facturation nette (ce qui veut dire que le fermier n'est pas payé pour l'exportation nette d'énergie pour chaque période d'une année). Un mécanisme d'incitation à la vente d'électricité est aussi disponible, mais requiert que le fermier s'engage pour une période de 20 ans à un tarif à indexation partielle.
La chaleur provenant du procédé de combustion est utilisée pour le chauffage du digesteur et de la maison de ferme. La température du digesteur est réglée à 40°C, soit la température optimale pour la production de biogaz. Pendant l'hiver, la chaleur produite est à peine suffisante pour satisfaire aux besoins. Un surplus significatif de chaleur est disponible pendant l'été et des moyens d'utiliser cette chaleur, tel que le séchage de récolte, sont actuellement sous évaluation.
Leçons à tirer
Les principaux coûts d'exploitation et d'entretien sont concentrés sur le moteur à pistons. En raison du contenu en soufre assez élevé dans le biogaz, l'huile du moteur doit être changée régulièrement et un entretien majeur de la machine doit être fait tous les trois ans.
Il y a plusieurs autres avantages potentiels pour cette technologie :
Dans le futur, il serait important de considérer l'importation de déchets organiques provenant de l'extérieur de la ferme pour alimenter le digesteur, afin d'augmenter la production de biogaz et de fournir des installations de stockage de déchets plus sécuritaire.
Aperçu général
La technologie moderne utilisant le biogaz c'est implantée dans les fermes européennes au cours des 10 dernières années, particulièrement dans les pays de l'Europe centrale (Allemagne, Suisse et Autriche). Plusieurs systèmes de cogénération de biogaz pour la production d'électricité et de chaleur dans le secteur agricole ont vu le jour au Canada au cours des dernières années. L'une des raisons de l'émergence actuelle de cette technologie au Canada est l'apparition de mesures incitatives pour la production décentralisée utilisant l'énergie renouvelable. De plus, cela constitue une autre source de revenu pour le fermier, sans devoir acheter du lait coûteux ou d'autres quotas.
Malgré les avantages évidents, il reste à surmonter certaines barrières au niveau technique et de la réglementation. Certains climats, dont le climat canadien, sont plus extrêmes et il en résulte une perte importante de chaleur durant l'été. Le stockage thermique et le séchage des céréales sont donc considérés comme des options pour utiliser le surplus du gaz. Durant l'hiver, des quantités importantes de biogaz doivent être utilisées pour maintenir la température du digesteur. Les déchets provenant de l'extérieur de la ferme peuvent contribuer à augmenter la production d'énergie sur le site, mais imposent toute une série de règles au niveau de l'élimination des déchets.
Photos
Ferme - Cogénération - Biogaz, Ontario, Canada
Ferme - Cogénération - Moteur à pistons - Biogaz, Ontario, Canada
Références
Supposons que le prix de vente de l'électricité est de 0,11 $/kWh et que le propane coûte 0,50 $/L. Ne supposons aucun crédit au départ pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) ou pour la production d'énergie verte. Les coûts de développement sont de 10 000 $ pour l'étude de faisabilité, 20 000 $ pour l'ingénierie, 150 000 $ pour le digesteur et son installation ainsi que les travaux connexes, et 1 500 $/kW pour le moteur à pistons et la génératrice. Les coûts d'exploitation et entretien (principalement pour l'entretien et la remise à neuf du moteur) sont de 5 000 $/année et la construction prendra 6 mois.
Supposons que le taux d'inflation et le taux d'indexation du coût en combustibles est de 0 %; la durée de vie du projet est de 20 ans avec un taux d'actualisation de 6 %, un prêt agricole de 100 % est disponible pour 15 ans à 6 % d'intérêt. Le taux d'imposition sur le revenu est de 36 % avec un taux d'amortissement de 15 % la première année et de 30 % par année par la suite.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude, et tirez les faits saillants de cette étude.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- Les valeurs typiques utilisées sont : 70 W/m2 pour la charge de chauffage avec un rendement saisonnier de 65 % et une demande additionnelle de 10 % pour l'eau chaude.
- La disponibilité du moteur dépend du volume de biogaz disponible - 155 m3 par jour ou 56 400 m3 par année. La feuille de calcul Modèle énergétique évalue la quantité de biogaz consommé par le moteur (voir la feuille de calcul Modèle énergétique, Sommaire du cas proposé). Pour un moteur de 50 kW ayant rendement énergétique de production d'électricité de 30 %, la disponibilité sera de 2 853 heures par année.
- Les données suivantes peuvent être utilisées dans l'outil « Biogaz » pour calculer la production annuelle de biogaz: 140 vaches laitières avec un poids moyen de 545 kg.
- Lorsque vous choisissez la taille du groupe électrogène, le fait de sélectionner une disponibilité d'environ 50 % permet d'envisager une augmentation future de la production de biogaz et de profiter des avantages liés à la fluctuation des coûts d'électricité selon la période de la journée. Un arrêt du moteur de courte durée, équivalent à quelques heures, est possible sans une montée excessive de la pression de méthane ou du refroidissement du digesteur.
- Il y a réduction des émissions de GES pour deux raisons. Premièrement, grâce à la combustion du méthane produit naturellement en dioxyde de carbone. Le méthane est 21 fois plus polluant que le dioxyde de carbone, il est produit naturellement par la décomposition du fumier. Deuxièmement, par le déplacement des autres combustibles utilisés pour la production de chauffage et d'électricité.
- Au Canada, la règle fiscale 43.1 permet l'utilisation d'un taux d'amortissement de 15 % la première année et de 30 % par la suite. L'utilisateur doit sélectionner « Oui » à la ligne « Règle de la demi-année - an 1 » de la feuille de calcul Analyse financière.
- La solution RETScreen démontre que la viabilité financière de ce système est limitée; ce qui est un reflet raisonnable de la situation actuelle. Plusieurs des installations existantes ont profité de subventions et d'autres formes de support. Il y a actuellement des efforts considérablement visant à améliorer la rentabilité financière des projets par la standardisation des produits, l'utilisation de déchets organiques provenant de l'extérieur de la ferme, des tarifs d'électricité incitatifs et d'autres mesures. Une analyse de sensibilité sur les paramètres suivants est suggérée: l'augmentation du prix de l'électricité à 0,15 $/kWh; une réduction de 15 % des coûts initiaux; des crédits pour réduction de GES de 10 $/tonne de CO2 sur 20 ans; une réduction de 15 % des coûts d'exploitation et entretien; et une durée de l'emprunt de 10 ou 20 ans.
Projet réel
Résultats
Cette ferme est située à Cobden, Ontario, Canada, et opère un système de cogénération depuis mai 2003. Le système de cogénération comprend un digesteur anaérobie à mélange complet de mésophile et une génératrice avec moteur à pistons d'une puissance de 50 kW.
Description du système
Le digesteur est actuellement alimenté par le fumier du troupeau de 140 vaches laitières de la ferme. Le digesteur produit environ 400 m3 de biogaz par année dont le contenu moyen en méthane est de 55 %.
Les moteurs les plus couramment utilisés pour la cogénération de biogaz sont les moteurs à allumage par étincelle (biogaz seulement) et les moteurs à piston à allumage par compression (employant un mélange de biogaz et 10 % de carburant diesel pour une combustion stable). Des micro-turbines peuvent aussi être utilisées.
Cette installation utilise un moteur à allumage par compression avec un système de carburation mixte qui alimente un alternateur qui produit environ 700 kWh d'électricité par jour. Cette électricité peut servir à combler la charge électrique de la ferme ou être exporté au réseau où elle est échangée conformément à un accord de facturation nette (ce qui veut dire que le fermier n'est pas payé pour l'exportation nette d'énergie pour chaque période d'une année). Un mécanisme d'incitation à la vente d'électricité est aussi disponible, mais requiert que le fermier s'engage pour une période de 20 ans à un tarif à indexation partielle.
La chaleur provenant du procédé de combustion est utilisée pour le chauffage du digesteur et de la maison de ferme. La température du digesteur est réglée à 40°C, soit la température optimale pour la production de biogaz. Pendant l'hiver, la chaleur produite est à peine suffisante pour satisfaire aux besoins. Un surplus significatif de chaleur est disponible pendant l'été et des moyens d'utiliser cette chaleur, tel que le séchage de récolte, sont actuellement sous évaluation.
Leçons à tirer
Les principaux coûts d'exploitation et d'entretien sont concentrés sur le moteur à pistons. En raison du contenu en soufre assez élevé dans le biogaz, l'huile du moteur doit être changée régulièrement et un entretien majeur de la machine doit être fait tous les trois ans.
Il y a plusieurs autres avantages potentiels pour cette technologie :
- Réduction des émissions de GES par la combustion du méthane naturel (qui est environ 21 fois plus polluant que le dioxyde de carbone), et le déplacement d'autres sources d'énergie. Des crédits de réduction de GES peuvent aussi être touchés par le fermier;
- Réduction significative de pathogènes dans le digesteur;
- Suppression des odeurs;
- Production d'un fertilisant de qualité contenant peu de pathogènes, sans odeur et à action rapide; et
- Réduction de la pollution de l'eau provenant de la boue.
Dans le futur, il serait important de considérer l'importation de déchets organiques provenant de l'extérieur de la ferme pour alimenter le digesteur, afin d'augmenter la production de biogaz et de fournir des installations de stockage de déchets plus sécuritaire.
Aperçu général
La technologie moderne utilisant le biogaz c'est implantée dans les fermes européennes au cours des 10 dernières années, particulièrement dans les pays de l'Europe centrale (Allemagne, Suisse et Autriche). Plusieurs systèmes de cogénération de biogaz pour la production d'électricité et de chaleur dans le secteur agricole ont vu le jour au Canada au cours des dernières années. L'une des raisons de l'émergence actuelle de cette technologie au Canada est l'apparition de mesures incitatives pour la production décentralisée utilisant l'énergie renouvelable. De plus, cela constitue une autre source de revenu pour le fermier, sans devoir acheter du lait coûteux ou d'autres quotas.
Malgré les avantages évidents, il reste à surmonter certaines barrières au niveau technique et de la réglementation. Certains climats, dont le climat canadien, sont plus extrêmes et il en résulte une perte importante de chaleur durant l'été. Le stockage thermique et le séchage des céréales sont donc considérés comme des options pour utiliser le surplus du gaz. Durant l'hiver, des quantités importantes de biogaz doivent être utilisées pour maintenir la température du digesteur. Les déchets provenant de l'extérieur de la ferme peuvent contribuer à augmenter la production d'énergie sur le site, mais imposent toute une série de règles au niveau de l'élimination des déchets.
Photos
Ferme - Cogénération - Biogaz, Ontario, Canada
Ferme - Cogénération - Moteur à pistons - Biogaz, Ontario, Canada
Références
- Foss, Aidan, « Communications personnelles », ANF Energy Solutions Inc., 2007.
- Klaesi, Paul, « Communications personnelles », Felpro Farms, 2007.
- Strehler, Benjamin, « Communications personnelles », Genesys Biogas Inc., 2007.
