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Production de chaleur et d'électricité - Moteur à pistons - 65 kW - Biogaz / Canada
Mandat de l'étude de cas
En tant que développeur de projets de biogaz, vous devez produire un estimé du rendement et des coûts pour un système de biogaz fournissant de la chaleur et de l'électricité à une petite ferme laitière située près de Peterborough, Ontario, Canada. Les deux fermiers qui opèrent cette ferme ne veulent pas entrer dans des conditions contractuelles complexes, mais doivent être en mesure de déterminer si un système de génération de biogaz sera rentable dans un scénario de facturation nette.
Données techniques
Dans le but de compenser pour les coûts engendrés par une mise en conformité du système de manutention du fumier au règlement gouvernemental sur la gestion des éléments nutritifs et des déchets, une ferme laitière doit déterminer si un système de production d'électricité alimenté par le biogaz provenant du fumier peut se payer par lui-même dans un scénario de facturation nette.
La ferme s'occupe de 140 vaches laitières, ainsi que des opérations dédiées à l'élevage des veaux. Deux familles habitent sur le site. L'utilisation quotidienne d'électricité pour les opérations est importante. Le profil de la charge électrique de la ferme varie comme suit; le niveau minimal est de 40 kW durant les deux premiers mois de l'année et augmente graduellement jusqu'à 150 % de cette valeur durant les deux mois en milieu d'été, puis redescend jusqu'à 120 % du niveau minimal durant les deux derniers mois de l'année. Actuellement, une chaudière alimentée au bois est utilisée dans un réseau de chauffage urbain comprenant les deux maisons, un atelier de réparation mécanique et un complexe pour la traite. Les trois groupes de bâtiments ont chacun une superficie de 400 m2 et sont moyennement isolés pour des températures de calcul en chauffage de -20 °C. L'eau chaude utilisée dans la salle de traite et les maisons représente environ 12 % des besoins en chauffage. La centrale électrique et de chauffage est située près de la salle de traite et de la grange, à quelques 100 m de l'atelier de réparation mécanique et à environ 150 m des maisons. Il n'y a pas de lignes de distribution secondaires de chaleur pour la salle de traite et la grange mais il y a des lignes secondaires minimes (environ 10 m chacune) pour les maisons et l'atelier de réparation mécanique.
Les exploitants de la ferme sont européens et s'y connaissent bien en système de biogaz grâce à leur expérience antérieure. Ils possèdent le savoir technologique pour mettre en place un système tout en réduisant les coûts d'installation. Les antibiotiques sont une préoccupation dans les opérations de bio-digestion étant donné qu'ils ont un effet néfaste sur la population microbiologique très active dans le travail de conversion de l'état solide à l'état gazeux. Cette exploitation a maintenu les bêtes en bonne santé sans usage d'antibiotiques. On estime qu'avec le mélange prévu dans le digesteur, la production annuelle de biogaz sera d'environ 167 000 m3 avec un contenu en méthane de 67 %. L'exploitation est donc compatible aux exigences de la production de biogaz.
L'ingénierie ainsi que l'entretien d'usage ne seront pas considérés dans les coûts étant donné que les deux fermiers présentent les compétences pertinentes pour s'en occuper, l'un étant ingénieur électrique et l'autre ingénieur mécanique.
Le fumier sera amené par gravité à une installation adaptée comprenant un réservoir modifié avec un isolant approprié, des canalisations chauffantes en plastique et un couvercle pour permettre l'entreposage et l'accumulation de gaz. Lorsque le groupe électrogène ne sera pas en fonction, le brûlage par torchère éliminera les émissions possibles du gaz dans l'atmosphère.
Un échangeur de chaleur sera combiné au groupe électrogène pour fournir de la chaleur à la chaudière à la biomasse existante évitant ainsi que la biomasse soit utilisée pour le chauffage lorsque le système électrogène est en opération. Cela permettra aux fermiers de réduire le temps et l'effort consacrés à la collecte et l'entreposage de la biomasse. Durant la période estivale, la chaleur du moteur sera récupérée par un radiateur pour le refroidissement; seulement une partie de la chaleur de l'échangeur sera donc utilisée pour chauffer l'eau chaude dans la salle de traite. Aucun coût n'a été alloué pour la collecte et l'entreposage de la biomasse.
Des mesures d'efficacité énergétique seront mises en place durant l'installation et réduiront la charge du système électrique d'environ 3 %. Le coût d'installation sera d'environ 1 000 $.
Données financières
Les renseignements financiers sont les suivants : l'inflation est de 2 %, le taux d'indexation des combustibles est de 2 %, aucune dette, le taux d'actualisation est de 10 % et la durée de vie du projet est de 20 ans. Les propriétaires de la ferme n'exigent pas une analyse fiscale.
Le coût du groupe électrogène est de 110,500 $, incluant l'installation. La remise en état du moteur est prévue après 50 000 heures de fonctionnement et coûtera 10 000 $. Les changements d'huile et de filtre, à chaque tranche de 500 heures, coûteront 30 $. Ces coûts de remise à neuf et de changement d'huile sont estimés à 2 200 $ annuellement et correspondront aux coûts d'exploitation et d'entretien.
Étant donné que le système fonctionne par gravité, aucune pompe additionnelle n'est requise. La transformation du système actuel d'entreposage coûtera 80 000 $ et un montant additionnel de 25 000 $ doit être aussi prévu pour défrayer les coûts de l'équipement de sécurité ainsi que le brûleur utilisé pour le brûlage par torchère des gaz.
La faisabilité du projet et la négociation nécessaire pour le raccord de l'installation au réseau électrique sont estimées à 20 heures de votre temps et coûteront 2 400 $.
Il y a deux options à considérer. Pour la connexion du générateur qui permettra la vente d'énergie au réseau électrique, 10 km de lignes électrique doivent être modifiées (monophase à trois phases) et ajoutées; le coût minimal estimé est de 500 000 $. Étant donné que cette option est très onéreuse, les fermiers s'intéressent également à la facturation nette, pour laquelle aucune mise à jour de ligne n'est nécessaire. Toutefois, un compteur intelligent est requis au coût de 2 400 $. Le mécanisme de commutation monophasé est fourni avec l'équipement étant donné que le groupe électrogène est asynchrone et que la ferme pourra continuer de s'alimenter en électricité advenant une panne majeure du réseau.
Dans le cadre d'un projet visant la protection environnementale dans le milieu agricole, une subvention couvrant jusqu'à la moitié des coûts d'installation du système (montant maximal de la subvention : 50,000 $) peut être octroyée pour tout type d'entreposage de fumier. Le propriétaire défraye les coûts résiduels du projet.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
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
L'établissement Cobden Dairy, près de Peterborough, Ontario, Canada, devait évaluer si les coûts d'installation d'un groupe électrogène pourraient être récupérés dans un simple scénario de facturation nette. Les exploitants de la ferme possédaient les compétences nécessaires au développement d'un système à digesteur simple, mais des analyses étaient requises avant d'investir dans un tel projet.
En utilisant le logiciel RETScreen, REO Energy Group a su établir le scénario le plus performant de l'utilisation du biogaz. La ferme possédait déjà un mode d'exploitation durable, puisqu'elle opérait un système de chauffage urbain alimenté par une chaudière à la biomasse (bois).
Le système est en opération depuis trois ans. La première année d'opération visait à atteindre l'équilibre entre la qualité du combustible utilisé et le temps d'opération afin de rencontrer l'objectif financier, soit d'amener à zéro la facture d'électricité de la ferme. Cet objectif a été atteint et les deux années subséquentes ont permis aux opérateurs d'être en bonne voie d'atteindre le retour sur les capitaux propres calculé avec RETScreen.
Une partie des fonds nécessaires à la réalisation de ce projet provient du programme relatif au Plan agro-environnemental de l'Ontario. Des subventions attribuées impliquent, entre autres, qu'un projet environnemental peut être subventionné jusqu'à 50 % du coût du projet, pour un montant total n'excédant pas 50 000 $. Ce programme a depuis été amendé; mais d'autres subventions similaires pour des projets du même type sont disponibles dans différentes régions du pays.
Description du système
Une simple mise à niveau au système de manutention et d'entreposage du fumier fut l'étape la plus laborieuse à franchir; 18 mois se sont écoulés pour la réalisation de ce travail qui a été fait en même temps que les opérations quotidiennes de la ferme. Le groupe électrogène et son système de contrôle informatisé pour le combustible, la production d'électricité, la synchronisation avec le réseau électrique etc., furent livrés dans un conteneur. Un brûleur, utilisé pour le brûlage par torchère, a été ajouté au système de sécurité afin de permettre au digesteur d'opérer en continu.
La conception du digesteur provenait d'un manuel de conception suisse et le groupe électrogène était un système Perkin provenant d'Allemagne. Le système peut être acheté à la pièce ou groupé dans un conteneur; de l'insonorisation est aussi disponible en sus. La tête de moteur est conçue pour recevoir un gaz à faible émission (biogaz), elle est installée sur un bloc moteur diesel standard facilitant les opérations et l'entretien.
Le système est à son rendement optimal en mode de production de chaleur lorsqu'il est utilisé en hiver en complément au système de chaudière à la biomasse. Durant l'été, le système alimente un radiateur étant donné que les besoins en eau chaude se limitent au nettoyage dans la salle de traite. La demande de pointe en électricité est durant l'été à cause de la charge de climatisation et des opérations de refroidissement dans la salle de traite.
Une fois le système installé et opérationnel, quelques mois furent nécessaires pour l'ajustement optimal des paramètres moteurs - le ratio air/combustible et le turbo. Cet aspect peut s'avérer particulièrement problématique durant la synchronisation avec le réseau électrique. Le premier moteur a rencontré des problèmes au niveau du régulateur, ce qui a mené à une défaillance prématurée; il a donc été remplacé par le manufacturier, selon la garantie en vigueur.
Leçons à tirer
Aperçu général
Un système bio-digesteur permet une stabilisation de la gestion des déchets animaux dans des opérations d'élevage. Récupérer l'énergie résiduelle sous forme de biogaz amène un apport économique intéressant. Ce que le digesteur stabilise peut être utilisé en tant que fertilisant, contribuant ainsi à réduire les coûts d'opération de la ferme.
Il est impératif de garder le système au biogaz à sa forme la plus simple. Certains utilisateurs potentiels de ces systèmes tentent de développer une nouvelle source de profits provenant de la vente d'énergie, qui s'avère complexe et très élaborée, nécessitant un investissement en capital important et une très grande contribution de ressources humaines.
Ces systèmes peuvent devenir une pratique courante s'ils sont bien conçus, simples et s'ils peuvent être facilement intégrés aux opérations quotidiennes de la ferme.
Photo
Ferme - Moteur à pistons - Biogaz, Ontario, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
En tant que développeur de projets de biogaz, vous devez produire un estimé du rendement et des coûts pour un système de biogaz fournissant de la chaleur et de l'électricité à une petite ferme laitière située près de Peterborough, Ontario, Canada. Les deux fermiers qui opèrent cette ferme ne veulent pas entrer dans des conditions contractuelles complexes, mais doivent être en mesure de déterminer si un système de génération de biogaz sera rentable dans un scénario de facturation nette.
Données techniques
Dans le but de compenser pour les coûts engendrés par une mise en conformité du système de manutention du fumier au règlement gouvernemental sur la gestion des éléments nutritifs et des déchets, une ferme laitière doit déterminer si un système de production d'électricité alimenté par le biogaz provenant du fumier peut se payer par lui-même dans un scénario de facturation nette.
La ferme s'occupe de 140 vaches laitières, ainsi que des opérations dédiées à l'élevage des veaux. Deux familles habitent sur le site. L'utilisation quotidienne d'électricité pour les opérations est importante. Le profil de la charge électrique de la ferme varie comme suit; le niveau minimal est de 40 kW durant les deux premiers mois de l'année et augmente graduellement jusqu'à 150 % de cette valeur durant les deux mois en milieu d'été, puis redescend jusqu'à 120 % du niveau minimal durant les deux derniers mois de l'année. Actuellement, une chaudière alimentée au bois est utilisée dans un réseau de chauffage urbain comprenant les deux maisons, un atelier de réparation mécanique et un complexe pour la traite. Les trois groupes de bâtiments ont chacun une superficie de 400 m2 et sont moyennement isolés pour des températures de calcul en chauffage de -20 °C. L'eau chaude utilisée dans la salle de traite et les maisons représente environ 12 % des besoins en chauffage. La centrale électrique et de chauffage est située près de la salle de traite et de la grange, à quelques 100 m de l'atelier de réparation mécanique et à environ 150 m des maisons. Il n'y a pas de lignes de distribution secondaires de chaleur pour la salle de traite et la grange mais il y a des lignes secondaires minimes (environ 10 m chacune) pour les maisons et l'atelier de réparation mécanique.
Les exploitants de la ferme sont européens et s'y connaissent bien en système de biogaz grâce à leur expérience antérieure. Ils possèdent le savoir technologique pour mettre en place un système tout en réduisant les coûts d'installation. Les antibiotiques sont une préoccupation dans les opérations de bio-digestion étant donné qu'ils ont un effet néfaste sur la population microbiologique très active dans le travail de conversion de l'état solide à l'état gazeux. Cette exploitation a maintenu les bêtes en bonne santé sans usage d'antibiotiques. On estime qu'avec le mélange prévu dans le digesteur, la production annuelle de biogaz sera d'environ 167 000 m3 avec un contenu en méthane de 67 %. L'exploitation est donc compatible aux exigences de la production de biogaz.
L'ingénierie ainsi que l'entretien d'usage ne seront pas considérés dans les coûts étant donné que les deux fermiers présentent les compétences pertinentes pour s'en occuper, l'un étant ingénieur électrique et l'autre ingénieur mécanique.
Le fumier sera amené par gravité à une installation adaptée comprenant un réservoir modifié avec un isolant approprié, des canalisations chauffantes en plastique et un couvercle pour permettre l'entreposage et l'accumulation de gaz. Lorsque le groupe électrogène ne sera pas en fonction, le brûlage par torchère éliminera les émissions possibles du gaz dans l'atmosphère.
Un échangeur de chaleur sera combiné au groupe électrogène pour fournir de la chaleur à la chaudière à la biomasse existante évitant ainsi que la biomasse soit utilisée pour le chauffage lorsque le système électrogène est en opération. Cela permettra aux fermiers de réduire le temps et l'effort consacrés à la collecte et l'entreposage de la biomasse. Durant la période estivale, la chaleur du moteur sera récupérée par un radiateur pour le refroidissement; seulement une partie de la chaleur de l'échangeur sera donc utilisée pour chauffer l'eau chaude dans la salle de traite. Aucun coût n'a été alloué pour la collecte et l'entreposage de la biomasse.
Des mesures d'efficacité énergétique seront mises en place durant l'installation et réduiront la charge du système électrique d'environ 3 %. Le coût d'installation sera d'environ 1 000 $.
Données financières
Les renseignements financiers sont les suivants : l'inflation est de 2 %, le taux d'indexation des combustibles est de 2 %, aucune dette, le taux d'actualisation est de 10 % et la durée de vie du projet est de 20 ans. Les propriétaires de la ferme n'exigent pas une analyse fiscale.
Le coût du groupe électrogène est de 110,500 $, incluant l'installation. La remise en état du moteur est prévue après 50 000 heures de fonctionnement et coûtera 10 000 $. Les changements d'huile et de filtre, à chaque tranche de 500 heures, coûteront 30 $. Ces coûts de remise à neuf et de changement d'huile sont estimés à 2 200 $ annuellement et correspondront aux coûts d'exploitation et d'entretien.
Étant donné que le système fonctionne par gravité, aucune pompe additionnelle n'est requise. La transformation du système actuel d'entreposage coûtera 80 000 $ et un montant additionnel de 25 000 $ doit être aussi prévu pour défrayer les coûts de l'équipement de sécurité ainsi que le brûleur utilisé pour le brûlage par torchère des gaz.
La faisabilité du projet et la négociation nécessaire pour le raccord de l'installation au réseau électrique sont estimées à 20 heures de votre temps et coûteront 2 400 $.
Il y a deux options à considérer. Pour la connexion du générateur qui permettra la vente d'énergie au réseau électrique, 10 km de lignes électrique doivent être modifiées (monophase à trois phases) et ajoutées; le coût minimal estimé est de 500 000 $. Étant donné que cette option est très onéreuse, les fermiers s'intéressent également à la facturation nette, pour laquelle aucune mise à jour de ligne n'est nécessaire. Toutefois, un compteur intelligent est requis au coût de 2 400 $. Le mécanisme de commutation monophasé est fourni avec l'équipement étant donné que le groupe électrogène est asynchrone et que la ferme pourra continuer de s'alimenter en électricité advenant une panne majeure du réseau.
Dans le cadre d'un projet visant la protection environnementale dans le milieu agricole, une subvention couvrant jusqu'à la moitié des coûts d'installation du système (montant maximal de la subvention : 50,000 $) peut être octroyée pour tout type d'entreposage de fumier. Le propriétaire défraye les coûts résiduels du projet.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
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
- Un digesteur est un système permettant la maturation biologique des substances organiques dans un environnement exempt d'oxygène. Les rejets sont des gaz naturels (CH4 et CO2) et des traces de sulfites d'hydrogène (H2S).
- La purification des gaz est limitée à l'élimination du H2S par l'introduction d'air dans la ligne de gaz à l'aide d'un simple système d'élimination par condensation. Un gaz à faible émission (biogaz) est injecté directement dans le moteur, conçu spécifiquement pour ce type d'opérations.
- Un tarif de 30 $/t est estimé pour le combustible destiné au système de production de chaleur du cas de référence. Ce montant représente une économie, le fermier n'ayant pas à couper, transporter et préparer la biomasse pour alimenter la chaudière à biomasse.
- Le ratio d'endettement dans la feuille de calcul Analyse financière a été établi à zéro; ceci s'explique par le paiement à la livraison du système par le fermier.
- Les coûts annuels de main-d'œuvre liés au système de biogaz sont considérés comme faisant partie de l'opération normale de la ferme, puisque le système représente une amélioration tant sur le système de manutention et d'entreposage du fumier que sur le réseau de chauffage urbain à la biomasse.
- L'entretien de ce groupe électrogène est comparable à d'autres moteurs au diesel régulier, utilisé communément dans l'entreprise agricole.
- Généralement, la puissance calorifique par défaut de RETScreen peut être utilisée et « Biogaz » peut être sélectionné dans la liste déroulante « Type de combustible ». Dans ce cas, une analyse du combustible était disponible; alors, « Combustible défini par l'utilisateur - gaz » a été sélectionné dans la liste déroulante et l'analyse élémentaire a été utilisée dans la feuille de calcul « Outils ».
- Le taux de rendement interne, la valeur actualisée nette et le retour simple seraient toujours intéressants, même sans la subvention.
Projet réel
Résultats
L'établissement Cobden Dairy, près de Peterborough, Ontario, Canada, devait évaluer si les coûts d'installation d'un groupe électrogène pourraient être récupérés dans un simple scénario de facturation nette. Les exploitants de la ferme possédaient les compétences nécessaires au développement d'un système à digesteur simple, mais des analyses étaient requises avant d'investir dans un tel projet.
En utilisant le logiciel RETScreen, REO Energy Group a su établir le scénario le plus performant de l'utilisation du biogaz. La ferme possédait déjà un mode d'exploitation durable, puisqu'elle opérait un système de chauffage urbain alimenté par une chaudière à la biomasse (bois).
Le système est en opération depuis trois ans. La première année d'opération visait à atteindre l'équilibre entre la qualité du combustible utilisé et le temps d'opération afin de rencontrer l'objectif financier, soit d'amener à zéro la facture d'électricité de la ferme. Cet objectif a été atteint et les deux années subséquentes ont permis aux opérateurs d'être en bonne voie d'atteindre le retour sur les capitaux propres calculé avec RETScreen.
Une partie des fonds nécessaires à la réalisation de ce projet provient du programme relatif au Plan agro-environnemental de l'Ontario. Des subventions attribuées impliquent, entre autres, qu'un projet environnemental peut être subventionné jusqu'à 50 % du coût du projet, pour un montant total n'excédant pas 50 000 $. Ce programme a depuis été amendé; mais d'autres subventions similaires pour des projets du même type sont disponibles dans différentes régions du pays.
Description du système
Une simple mise à niveau au système de manutention et d'entreposage du fumier fut l'étape la plus laborieuse à franchir; 18 mois se sont écoulés pour la réalisation de ce travail qui a été fait en même temps que les opérations quotidiennes de la ferme. Le groupe électrogène et son système de contrôle informatisé pour le combustible, la production d'électricité, la synchronisation avec le réseau électrique etc., furent livrés dans un conteneur. Un brûleur, utilisé pour le brûlage par torchère, a été ajouté au système de sécurité afin de permettre au digesteur d'opérer en continu.
La conception du digesteur provenait d'un manuel de conception suisse et le groupe électrogène était un système Perkin provenant d'Allemagne. Le système peut être acheté à la pièce ou groupé dans un conteneur; de l'insonorisation est aussi disponible en sus. La tête de moteur est conçue pour recevoir un gaz à faible émission (biogaz), elle est installée sur un bloc moteur diesel standard facilitant les opérations et l'entretien.
Le système est à son rendement optimal en mode de production de chaleur lorsqu'il est utilisé en hiver en complément au système de chaudière à la biomasse. Durant l'été, le système alimente un radiateur étant donné que les besoins en eau chaude se limitent au nettoyage dans la salle de traite. La demande de pointe en électricité est durant l'été à cause de la charge de climatisation et des opérations de refroidissement dans la salle de traite.
Une fois le système installé et opérationnel, quelques mois furent nécessaires pour l'ajustement optimal des paramètres moteurs - le ratio air/combustible et le turbo. Cet aspect peut s'avérer particulièrement problématique durant la synchronisation avec le réseau électrique. Le premier moteur a rencontré des problèmes au niveau du régulateur, ce qui a mené à une défaillance prématurée; il a donc été remplacé par le manufacturier, selon la garantie en vigueur.
Leçons à tirer
- Pour de petites quantités de fumier, un système simple de production de biogaz est viable.
- Les systèmes complexes sont onéreux; dans le cas actuel, un système simple était viable et le coût d'investissement est largement compensé par les économies d'énergie.
- Plusieurs consultants avaient conclus que ce système n'était pas viable; mais l'analyse RETScreen a démontré que le système pouvait être viable si toutes les variables étaient considérées.
- Le plus vous pouvez en faire à l'interne, sur la ferme, plus grandes sont les chances de viabilité du système.
- Le système doit s'intégrer aux opérations quotidiennes de la ferme pour être durable; un système qui ajoute des heures de travail à la charge existante n'a pas de perspectives durables sur la plupart des fermes.
- Un fournisseur d'équipement de confiance est un élément majeur. Perkin a apporté son support au client, il a aussi fourni les bons équipements et a honoré la garantie.
- Des configurations courantes de moteur à pistons ou de moteur diesel alternatif, qui peuvent être facilement réparées ou remplacées, génèrent de faibles coûts initiaux et d'opérations.
Aperçu général
Un système bio-digesteur permet une stabilisation de la gestion des déchets animaux dans des opérations d'élevage. Récupérer l'énergie résiduelle sous forme de biogaz amène un apport économique intéressant. Ce que le digesteur stabilise peut être utilisé en tant que fertilisant, contribuant ainsi à réduire les coûts d'opération de la ferme.
Il est impératif de garder le système au biogaz à sa forme la plus simple. Certains utilisateurs potentiels de ces systèmes tentent de développer une nouvelle source de profits provenant de la vente d'énergie, qui s'avère complexe et très élaborée, nécessitant un investissement en capital important et une très grande contribution de ressources humaines.
Ces systèmes peuvent devenir une pratique courante s'ils sont bien conçus, simples et s'ils peuvent être facilement intégrés aux opérations quotidiennes de la ferme.
Photo
Ferme - Moteur à pistons - Biogaz, Ontario, Canada
Références
- Boehni, Thomas, Boehni Energy and the Environment: Compact BioGas System Design, 2007.
- Laurentino, Jose, « Communications personnelles », REO Energy Group, 2007.
- Producteurs laitiers Cobden, « Communications personnelles », 2007.
