BIOMASSE ET CHARBON (COMBUSTIBLES NON-PETROLIERS)

Description générale

Disponibilité et origines des combustibles

Les pays développés utilisent presque exclusivement les combustibles pétroliers. Car même aux prix actuels, le pétrole est meilleur marché et bien plus facile à utiliser, à transporter et à emmagasiner que tout autre type de combustibles. Cependant, les ressources en pétrole facilement exploitables dans le monde diminuent rapidement et nous nous rapprochons du jour où l'offre ne couvrira plus la demande. D'ailleurs, plusieurs pays en voie de développement n'ont plus les moyens d'importer les quantités de pétrole nécessaires pour couvrir leurs besoins actuels, et à plus forte raison leurs besoins futurs probablement plus importants.

Les principales sources énergétiques de remplacement sont des combustibles fossiles solides tels que le charbon, le lignite, et la tourbe, ainsi que les "combustibles à base de biomasse". Ces derniers sont obtenus à partir des matières organiques vivantes et non fossilisés. Les estimations des réserves mondiales en charbon sont très variables. Mais toutes ces estimations s'accordent à évaluer ces réserves, en valeur énergétique à 10 fois les réserves pétrolières totales. Ensuite, même si une pénurie de pétrole apparaît dans les prochaines décennies suite à l'épuisement des réserves, le charbon lui devrait rester disponible pour plusieurs siècles. Mais en réalité, il est fort probable pour des raisons de protection de l'environnement, et pour la réduction de la pollution atmosphérique, que le charbon sera abandonné en tant que source énergétique bien avant l'épuisement des réserves.

L'inconvénient majeur lié à l'utilisation de la biomasse comme combustible tient à sa distribution inégale. Elle est surtout disponible dans les régions boisées où les besoins énergétiques ne sont pas importants. Mais globalement à l'échelle mondiale, il n'y a pas de pénurie de biomasse [68], et ce pour les deux raisons suivantes:

• la consommation annuelle mondiale d'énergie ne dépasse guère 10% de la réserve énergétique photosynthétique (c'est-à-dire l'énergie solaire emmagasinée dans la matière végétale);
• la biomasse emmagasinée à la surface de la terre est à l'heure actuelle sensiblement équivalente à la totalité des réserves fossiles confirmées (pétrole, charbon et gaz naturel).

Le problème majeur qu'on rencontre avec tous les combustibles, plus particulièrement ceux de la biomasse, est celui de la distribution. Même les combustibles bien commercialisés à forte valeur énergétique, comme le pétrole, posent des problèmes d'approvisionnement dans les régions lointaines dans les pays en voie de développement. Il n'est donc nullement surprenant de rencontrer le même problème avec les combustibles plus encombrants et moins précieux tirés de la biomasse même avec plus d'acuité. Même la distribution des ressources en bois de feu dans le tiers-monde n'est pas en proportion avec la distribution démographique. Pour cela on rencontre dans le monde des zones à pénurie en bois de feu et zones d'excédent. Dans la plupart des cas, les combustibles en question sont trop encombrants et de trop faible valeur commerciale. Aucun effort n'est déployé afin de trouver une solution simple consistant par exemple à les transporter des zones excédentaires aux zones où ils font défaut.

Les régions souffrant d'une pénurie de combustibles à base de biomasse ne font qu'augmenter sous l'effet de la poussée démographique. Cette pénurie est d'autant plus grave dans certains cas, comme dans la région du Sahel en Afrique, du fait des changements notoires du climat. D'autre part il est très difficile d'établir la ligne de séparation entre le rythme normal d'approvisionnement en bois de chauffage, et le rythme dangereux de l'arrachage des arbres qui mène à la désertification. Dans les régions où le bois de chauffage n'existe plus en quantité suffisante, il est déjà remplacé par le fumier qui est le plus utilisé en tant que combustible (aux Indes, il s'agit sans doute du premier combustible de cuisson). L'utilisation du fumier à cette fin et non comme amendement pourrait conduire à la détérioration excessive de la qualité des sols. On estime [70] qu'à la fin du siècle, près de 3 milliards de personnes auront à faire face à une crise de combus­tibles de cuisson. Malgré la gravité de cette situation, les travaux de recherche et de développement ont été consacrés sur l'identification des techniques d'utilisation de la biomasse comme une source d'éner­gie de remplacement au pétrole. Par exemple, au Brésil les recherches portent sur l'utilisation de l'alcool pour la mise en marche des voitures automobiles. Cette technique permet plutôt de résoudre le problème de la pénurie de pétrole pour les riches plutôt que de résoudre le problème de la pénurie de bois par les pauvres. Les développements récents dans ce domaine, notamment l'utilisation à grande échelle de combustibles biomasses soulève des points d'interrogation quant aux conséquences négatives sur les conditions de vie (sur tout pour l'alimentation) dans les pays con­cernés. A titre d'exemple, le tableau 28 établit une comparaison entre les besoins nécessaires pour mettre en marche une voiture et ceux pour l'alimentation [71].

TABLEAU 28
Superficie nécessaire pour la production descéréales alimentaires ou d'alcool-carburant au Brésil

TABLEAU 29
Principaux résidus agricoles disponibles dans les pays en voie développement(totaux mondiaux (d'après Leech [6])

Il ressort au tableau qu'une simple voiture de cylindrée moyenne totalisant seulement 12 000 km/an consomme en alcool-carburant l'équivalent alimentaire de 14 personne en régime de subsistance. Ceci soulève un important problème de choix entre l'utilisation du produit agricole pour les besoins alimentaires ou bien pour la production du carburant des voitures. Mais ce problème ne se poserait plus si l'alcool-carburant est utilisé pour l'irrigation par pompage dont le but est d'augmenter la production agricole surtout à l'échelle d'une petite exploitation.

Nature et pouvoir calorifique des combustibles

Tous les combustibles impliquent la combustion du carbone et éventuellement l'hydrogène avec l'oxygène de l'air. Il en résulte principalement la production du gaz carbonique, de l'eau, et de la chaleur. Pour ce qui est de la production de la chaleur, le meilleur moyen de comparer les différents types de combustibles c'est de les classer en fonction de la valeur calorifique de la chaleur totale dégagée (voir tableaux 29 et 30), [6]. Cette grandeur est exprimée en énergie par unité de poids ou par unité de volume. Mais en définitive ce qui compte c'est la quantité d'énergie fournie par unité de prix. La productivité est un autre facteur à prendre en compte dans le cas des combustibles biomasses, provenant de cultures destinées uniquement à cet usage, ce facteur a un effet direct sur le rapport coût-efficacité. Or, la productivité dépend nécessairement de plusieurs facteurs, tels que l'emplacement, la qualité du sol, etc. Les régions boisées sont les plus riches en énergie photosynthétique de biomasse. Tandis que les terres agricoles le sont généralement deux fois moins (en termes de productivité à l'hectare). Le tableau 31, tiré de Earl [72], donne quelques valeurs typiques des niveaux de production atteints. Le tableau 32 rappelle les pouvoirs calorifiques de différents combustibles, à la fois d'origine fossile ou biomasse. Les caractéristiques des combustibles fossiles sont plus uniformes que celles des combustibles biomasses. D'ailleurs, le pouvoir calorifique de ces derniers est fortement lié à leur humidité. Par exemple, le bois sec, dont l'humidité est normalement de 20%, a une production thermique de 50 à 100% supérieure à celle du bois vert d'humidité 50%. Le séchage du bois à l'étuve augmente encore plus son rendement thermique (mais au prix d'une dépense calorifique). Une fois sec le combustible doit être conservé dans un climat sec et tempéré. Sinon, ils absorberont de nouveau l'humidité atmosphérique. On peut d'ailleurs à cet effet utiliser la chaleur résiduelle de tout système à combustible biomasse pour le séchage de sa propre source d'alimentation en énergie.

TABLEAU 30
Résidus types des cultures céréalières (d'après Leech 161)

TABLAU 31
Production photosynthétique de carbone (d'après Earl 72]))

TABLEAU 32
Pouvoir calorifique des différents combustibles (valeurs approchées)*

*Comme ces combustibles sont normalement gazeux, leur pouvoir calorifique unitaire est relativement plus faible que celui des combustibles liquides et solides.

La biomasse, sous la forme de bois de chauffage, de charbon, de résidus agricoles, ou de fumier animal séché est d'ores et déjà la principale source d'énergie de la plus grande partie de la population la plus pauvre de l'humanité, c'est-à-dire plus de 2 milliards de personnes. Cette population pauvre consomme actuellement 15% et même plus de l'énergie mondiale totale, entièrement sous la forme de combustibles biomasses. Dans certains pays très pauvres, ces mêmes combustibles couvrent plus de 90% des besoins énergétiques (essentiellement pour la cuisson). Les besoins énergétiques couverts par les ressources d'origine biomasse ont été estimés à 58% en Afrique, à 17% en Asie et à 8% en Amérique Latine [69]. La biomasse représente par conséquent une ressource énergétique considérable et d'un intérêt vital. Cependant elles sont généralement exploitées d'une manière simple ou même élémentaire. Elle est utilisée essentiellement pour la cuisson des aliments, et très rarement convertie en une puissance mécanique (au moyen de moteurs thermiques), et encore moins pour l'irrigation par pompage.

TABLEAU 33
Pouvoir calorifique potentiel de biomasse de certaines cultures

Le rythme de production des cultures agriénergétiques, est encore plus variable que leur qualité. Le Tableau 33 donne des valeurs types du rendement de cultures potentiellement énergétiques.

Possibilités d'utilisation de la biomasse comme source d'énergie pour l'irrigation par pompage

La biomasse devrait constituer une ressource énergétique idéale pour l'irrigation. D'ailleurs, la finalité de l'irrigation est une production supplémentaire de biomasse, destinée généralement à l'alimentation plutôt qu'une source d'énergie. Un calcul simple montre, du moins théoriquement, qu'il est possible de produire assez de biomasse pour assurer à la fois les besoins en carburant du moteur et une production vivrière supplémentaire, sans même avoir à réutiliser les résidus agricoles correspondants. Considérons par exemple le réseau d'irrigation qu'on a déjà déterminé à l'aide du nomogramme de la figure 13. Il s'agit d'une parcelle de 3 ha de superficie irriguée avec une dose d'arrosage moyenne de 8 mm par jour et d'une hauteur de pompage de 10 m. Dans l'hypothèse où la saison d'irrigation est de 200 jours par an, le nomogramme de la figure 13 nous donne comme puissance nécessaire 13 kwh/jour soit 2600 kwh/an. Si le moteur d'entraînement fournit la puissance requise à l'arbre avec un rendement d'utilisation du carburant de 10% (ce qui est très raisonnable pour cette gamme de puissance), les besoins bruts en carburant seront dans ces conditions de 26 000 kwh soit 94 GJ. Le Tableau 30 montre que ces besoins peuvent être assurés utilisant les résidus des cultures céréalières d'une parcelle de 3 ha de superficie. Toutefois, si les résidus agricoles ont été réservés aux usages domestiques (tel que la cuisson), on aurait pu assurer l'énergie nécessaire pour l'alimentation du moteur par le carburant obtenu à partir d'une superficie de 0,1 à 0,2 ha d'eucalyptus. Ainsi, l'énergie nécessaire à l'irrigation par pompage pourrait être entièrement assurée avec une culture d'une superficie de l'ordre du dixième de la superficie de la parcelle à irriguer. Il faut aussi préciser qu'une hauteur d'élévation de 10 m, et 200 journées d'irrigation par an correspondent à des besoins énergétiques supérieurs aux besoins courants en énergie pour la plupart des projets d'irrigation par pompage. La raison pour laquelle la biomasse n'a pas été couramment utilisée comme source d'énergie pour l'irrigation par pompage n'est pas d'ordre technique mais plutôt soit par ignorance ou bien par pure manque de cette source d'énergie. D'autre part les agriculteurs qui sont le plus au courant de cette technique sont pour la plupart les plus prospères. Par conséquent ils peuvent de recourir à d'autres techniques plus simples, quoique plus coûteuses, telle que l'utilisation du moteur diesel. La suite de ce chapitre sera consacrée à la présentation des différentes options à source d'énergie biomasse ainsi que la comparaison de leurs avantages et inconvénients.

Les options techniques d'utilisation des combustibles biomasses pour l'irrigation par pompage

L'énergie dérivée des carburants à base de biomasse sert en définitive à alimenter un moteur à combustion interne ou externe convenablement choisi. Plusieurs techniques peuvent toutefois être utilisées pour la préparation, la transformation ou le traitement de la biomasse brute afin d'accroître son efficacité comme combustible, comme indiqué à la figure 156. Les options correspondantes impliquent généralement qu'il faut trouver le bon compromis entre d'une part l'amélioration des propriétés de la biomasse en tant que combustible et d'autre part, les coûts supplémentaires liés à la perte d'une partie du matériau utilisé de départ. Aucun procédé n'est à priori préférable à un autre. Tous ces procédés ont des mérites plus ou moins comparables, mais l'on peut dire qu'ils sont plutôt classés en fonction de leur meilleur adaptions à des conditions d'utilisation bien déterminées.

On distingue trois principales catégories de biomasse brute (Figure 156):

• matériaux ligno-cellulosique solide d'origine forestière;
• végétation, résidus et résidus humides;
• graines oléagineuses et résines.

Dans la plupart des cas, ces matériaux requièrent un traitement préalable, au moins un séchage.

Utilisation des combustibles solides

Comme indiqué à la figure 156, les combustibles solides peuvent être traités de plusieurs manières. A l'état solide, ils sont utilisés comme source l'énergie pour les moteurs à combustion externe, par exemple une machine à vapeur. A l'état gazeux après pyrolyse, ils sont utilisés éventuellement dans les moteurs à combustion interne. Enfin par condensation on peut les transformer en combustibles liquides en quantités limitées.

On a vu plus haut que le degré d'humidité du combustible à une forte incidence sur son pouvoir calorifique. Pour cela, il est tout à fait indiqué d'utiliser la chaleur résiduelle produite par le système pour réchauffer les combustibles humides.

FIGURE 156
Filière de transformation des combustibles tirés de la biomasse

Combustion directe

Dans le temps, pratiquement tous les fours et les chaudières étaient à combustibles solides. Actuellement ils sont rarement fabriqués, et leur utilisation est limitée à la gamme des moteurs à faible puissance. Par contre, on peut plus facilement trouver des fours et des centrales à vapeur de puissance moyenne destinés à l'usage des usines de transformation agro industrielles des cultures tropicales, notamment des raffineries du sucre. Cependant, la taille de ces machines est beaucoup trop importante pour qu'elles puissent être utilisées l'irrigation par pompage à petite échelle.

Probablement, la méthode la plus simple et la plus adéquate pour les systèmes de faible puissance, c'est d'introduire le combustible à la main dans le foyer d'une chaudière à vapeur. A titre d'exemple, la figure 157 représente la machine à vapeur expérimentale de Ricardo de 2 kw de puissance, et qui a été mise au point au début des années 1950. La figure 103 représente une machine analogue conçue en 1900. Cette machine a été utilisée pour l'alimentation d'un petit moteur à air chaud à cycle de Stirling. Les chaudières de ce type consomment généralement de 2 à 3 kg/heure de bois par kw de puissance à fournie à l'arbre d'une petite machine à vapeur.

FIGURE 157
Machine à vapeur de 2 kw de Ricardo

La mise au point d'un foyer adapté à toutes sortes de combustibles n'est pas sans difficultés. En effet, les foyers diffèrent en fonction de la nature du combustible. Les foyers pour les combustibles pulvérulents comme la sciure de bois ou les balles de riz sont nettement différentes de ceux relatifs aux bûches ou aux boulets de charbon qui sont de dimensions sont plus importantes. Il est donc important d'utiliser un matériel adapté au type du combustible utilisé. Par exemple, il y a des fours spécialement conçus pour les combustibles tels que la sciure de bois ou les balles de riz qui pourraient facilement colmater la grille d'un foyer classique. Dans le modèle connu sous le nom de foyer Kraft, le foyer et la trémie de stockage forment un seul compartiment de sorte que la combustion se produit au niveau de la couche la plus externe de la masse de sciure, les gaz partiellement brûlés qui se dégagent de la combustion sont ensuite aspirés par une multitude de petits passages à l'intérieur d'une chambre de combustion secondaire pour parachever la combustion.

Gazéification

La gazéification consiste à convertir partiellement un combustible solide encombrant en un combustible gazeux plus facile à utiliser. Le principal avantage des combustibles gazeux c'est qu'ils sont utilisables dans la plupart des moteurs à combustion interne, et non pas uniquement avec des moteurs à cycle de Stirling [73].

FIGURE 158
Les trois principaux types de gazogènes

Le premier moteur à combustion interne alimenté par le premier gazéificateur réussi et commercialisé a été construit par Lenoir en France en 1860 et il utilisait le charbon [74]. Cette même technique a été par la suite largement adoptée au début du siècle. Elle a été de nouveau utilisée à grande échelle pendant la guerre de 1939-45. En effet, à cette époque 700 000 gazéificateurs ont été utilisés pour l'alimentation des voitures automobiles suite à la pénurie du pétrole [75]. L'ère de pétrole bon marché qui a suivi a certes conduit à une baisse considérable de leur utilisation. Mais un certain nombre de fabricants dans quelques pays continuent à fabriquer des gazéificateurs ou des unités à production du gaz.

Le procédé utilisé consiste à chauffer un combustible solide carbonifère Les matières volatiles inflammables se dégagent avec la formation de l'oxyde de carbone (CO) par réaction entre le carbone et l'oxyde carbonique issu de la combustion primaire. L'humidité contenue dans le combustible, ainsi que les hydrates de carbone de la biomasse réagissent également avec le carbone. Il s'ensuit une augmentation la production de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène libre. Une fraction de l'hydrogène libre réagit avec le carbone pour produire du méthane. Toute source de chaleur peut servir à gazéifier les combustibles de la biomasse, mais généralement réchauffement se fait lors de la combustion partielle. Autrement dit, réchauffement du combustible est obtenu par sa propre combustion. La composition chimique typique du gaz du gazogène est généralement la suivante:

et son pouvoir calorifique est d'environ 5 MJ/m³. Compte tenu de la forte proportion de l'azote et de l'oxyde carbonique inerte, cette valeur représente seulement le l/8ème de l'énergie contenue dans une unité de volume de gaz naturel, par exemple de méthane. L'injection de vapeur dans le gazogène permet d'accroître le pouvoir calorifique. Ce procédé donne certes davantage d'hydrogène, mais elle n'est pas facile à manier dans les petites installations, car cette injection de vapeur n'est pas possible sans l'extinction effective de la combustion primaire. Dans ces conditions il est toujours préférable à ce que le combustible brut utilisé soit humide si l'on veut obtenir le même effet de l'introduction de la vapeur dans le gazogène.

Bien que le pouvoir calorifique du gazogène (gaz pauvre) soit faible, la quantité d'air nécessaire à sa combustion est elle aussi faible. Il s'ensuit que la valeur thermique du mélange stœchiométrique du gaz pauvre et de l'air à introduire dans le moteur pour assurer une combustion optimale est supérieure à ce que l'on pourrait normalement s'attendre. Les relations suivantes illustrent parfaitement ce fait:

Un générateur de gaz pauvre est normalement constitué d'un cylindre vertical (voir figure 158) où le combustible est généralement introduit par le haut. Le combustible descend par gravité et remplace la matière brûlée et gazéifiée dans la partie inférieure de la zone du feu. Il y a trois principaux types de gazogènes, comme indiqué sur la figure:

• les gazogènes à courant ascendant où l'air pénètre à la partie inférieure et les gaz produits passent à contre courant à travers la source biomasse.
• les gazogènes à courant descendant où les matières volatiles sont aspirées vers le bas à travers la zone la plus chaude de la zone de combustion. Il en résulte le craquage des goudrons et des produits chimiques complexes et par le même biais une gazéification plus efficace que celle d'un appareil à courant ascendant.
• gazogène à courant direct où l'appareil comporte un petit compartiment muni pour la combustion à très haute température d'une buse d'air ou une tuyère.

La première option est la plus simple. Mais le gaz obtenu a une forte teneur en goudron et en matières volatiles qui pourraient provoquer l'usure prématurée du moteur à combustion interne. C'est pour cela que les gazogènes à courant descendant sont plus couramment utilisés pour l'alimentation des moteurs à combustion interne. En effet, les sous-produits sont plus faciles à nettoyer, plus particulièrement lorsque les combustibles biomasses bruts utilisés contiennent trop de matières volatiles. Le problème du goudron rencontré dans les appareils à courant ascendant est atténué par l'utilisation de combustibles pré-pyrolisés, comme le charbon de bois ou le coke. Mais bien sûr, ceci est au prix d'une perte d'énergie importante de la valeur énergétique initiale de la charge biomasse. Dans les appareils à courant direct, une chaleur intense se dégage dans un espace très petit, ce qui se traduit par une bonne gazéification des goudrons. Mais la forte chaleur dégagée peut entraîner l'échauffement intensif de la buse d'entrée d'air, à moins qu'elle ne soit munie d'un système de refroidissement à l'eau (ce qui complique davantage l'appareillage). Pour cela ils sont très rarement utilisés avec les petits moteurs.

FIGURE 159
Une petite installation d'irrigation par pompage équipée d'un gazogène (réf. Damour [76])

Bien qu'il soit préférable d'équiper les moteurs à combustion interne de gazéificateurs à courant descendant, l'utilisation de ces appareils n'est pas sans inconvénients. Le premier inconvénient est lié au problème de séchage du combustible humide, car contrairement à un gazogène à courant ascendant, les gaz chauds ne passent pas à travers le combustible frais descendant pour le chauffer et le sécher. Le second est qu'ils ne se prêtent pas à l'utilisation des combustibles pulvérisés ou granulés qui pourraient colmater la grille du foyer.

Le schéma de la figure 159 représente un modèle d'une petite installation d'irrigation par pompage au gazogène [76]. Il s'agit d'un appareil à flux descendant où les gaz passent à travers un filtre primaire constitué de coke humide, ensuite à travers un filtre secondaire formé d'une couche de bourre de coton.

Nettoyage du gazogène

Avant d'utiliser le gazogène pour alimenter un moteur à combustion interne, il doit être soigneusement refroidi et nettoyé. Il faut le nettoyer notamment des cendres, des résidus de combustible imbrûlé, du goudron et des acides, car l'entraînement de ces substances provoquerait très rapidement l'usure du moteur. Evidemment, plus la teneur en cendres et en goudrons du combustible frais est importante, plus l'épuration du gaz produit est délicate. Par conséquent, les combustibles dont la teneur en cendres dépasse 5-6% ne devraient pas être utilisés dans les gazogènes destinés à l'alimentation de moteurs à combustion interne. De plus, les gazéificateurs de haute performance utilisés avec les petits moteurs à combustion interne sont généralement très sensibles à l'homogénéité du combustible. Pour cela, il est préférable d'utiliser des combustibles solides de dimensions uniformes et à faible teneur en cendre. Le charbon de bois est un des meilleurs combustibles utilisés dans les gazogènes, puisqu'il s'agit en fait du carbone pratiquement pur. Mais les coques de noix de coco et les rafles de maïs donnent aussi d'assez bons résultats.

Il existe plusieurs méthodes de nettoyage du gaz. Les refroidisseurs à eau ou à air sont généralement utilisés pour ramener la température du gaz au voisinage de la température ambiante. D'autres méthodes sont aussi utilisées, notamment les cyclones de lavage, des buses de pulvérisation, ou des filtres à garniture en laine de bois, de copeaux d'acier, de fibre de cocotier et d'autres matériaux. L'inefficacité des épurateurs reste le talon d'Achille des petits systèmes de gazéification, puisqu'elle est une cause majeure de l'usure prématurée des moteurs.

Moteurs spéciaux pour les gazogènes

Après épuration, le gaz produit est mélangé avec de l'air. Le mélange ainsi obtenu est ensuite introduit dans la tubulure d'admission de la plupart des moteurs à combustion interne standards. Les moteurs à allumage par étincelle peuvent fonctionner uniquement avec le gaz du gazogène. Tandis que l'allumage des moteurs diesel ne peut pas se faire avec du gaz de . gazogène seul, et ils devront être mélangés avec une faible dose du carburant diesel, de sorte que l'allumage du mélange se produit à l'instant approprié. Ils peuvent donc être utilisés comme unités pilotes alimentées au diesel au démarrage. Ensuite le diesel serait utilisé en faible quantité rien que pour assurer le fonctionnement au ralenti, tandis que le gazogène constituant alors la source principale de combustible. En pratique, il est possible de faire fonctionner les moteurs diesel à raison d'1/3 de carburant diesel et de 2/3 de gaz de gazogène. Dans le dispositif expérimental de la figure 159 [76] il a été noté que le taux de remplacement du diesel a atteint 88%. Ce record a pu être obtenu, en partie, grâce à l'adaptation des mesures d'exploitation très strictes.

Comme le pouvoir calorifique du gaz de gazogène est plus faible que celui des combustibles à base de pétrole, la puissance fournie par les gazogènes est généralement de 30 à 50% de la puissance nominale obtenue avec un combustible à base de pétrole. On trouve ci-dessous une comparaison des valeurs approximatives de la consommation en gaz de gazogène et de la consommation des moteurs diesel classiques.

Les coûts d'une installation à gazogène courante varient des $2500 pour les appareils fabriqués en Europe ou en Amérique du Nord (moteur non compris) pouvant alimenter un petit moteur de puissance nominale 2 kw environ, à 4500 $ E.-U. pour un appareil pouvant alimenter un moteur de 10 kw de puissance. Des appareils plus rudimentaires, dont le coût ne dépasse guère quelques centaines de dollars, sont fabriqués aux Philippines et au Brésil. Le spécimen indien de gazéification est représenté sur la figure 159 [76] et il est muni d'un gazéificateur dont le coût s'élève à 8000 roupies, soit environ 800$ E.-U., et il est conçu pour un moteur de 3 kw.

Fonctionnement et entretien des gazéificateurs

Le bon fonctionnement d'un gazéificateur ne peut être maintenu sans l'existence d'un tirage naturel. Celui-ci est normalement créé en démarrant le moteur avec un combustible liquide à base de pétrole, puis en introduisant un chiffon portant une flamme ou un autre moyen d'allumage dans la zone de combustion du gazéificateur. Pour éviter tout danger d'explosion, il faut débarrasser complètement le système de tout résidu gazeux de la dernière utilisation. Le renouvellement de la charge du gazogène doit être fait avant que le niveau du combustible dans la trémie ne tombe à moins de 300 mm au-dessus de la zone de combustion, et ce afin d'assurer la production continue du gaz.

L'utilisation des gazéificateurs doit être faite avec précaution. Premièrement, le gaz pauvre est tout d'abord extrêmement toxique du fait de la présence de l'oxyde de carbone, donc il ne faut jamais utiliser cet appareil dans un lieu fermé pour éviter l'accumulation du gaz pauvre. Deuxièmement, il y a un important risque d'explosion et/ou d'incendie lorsqu'on ouvre l'appareil pour le recharger. L'ouverture du gazogène provoque souvent une légère explosion, mais un opérateur qualifié peut ouvrir la trémie et recharger le gazogène sans danger.

Il est absolument nécessaire de procéder au nettoyage régulier de gazéificateur et du circuit de purification du gaz. Il faut aussi éliminer les causes de fuite éventuelles. L'utilisation des gazéificateurs automobiles pendant la guerre, a montré qu'il faut, consacrer en moyenne une heure par jour en moyenne au nettoyage et aux préparatifs de la remise en marche.

Utilisation des combustibles liquides tirés de la biomasse

Il existe deux principales catégories de combustibles liquides pouvant être utilisés pour l'alimentation des petits moteurs accouplés à des pompes d'irrigation: l'alcool et l'huile. A ceci s'ajoute une troisième catégorie celle des latex ou des sèves qui pourrait être considérée comme une source potentielle d'énergie dans le futur.

L'Alcool

Les alcools utilisés pour l'alimentation des moteurs sont de deux sortes: L'éthanol (alcool éthylique) et le méthanol (alcool méthylique). A l'heure actuelle, le premier est le seul, dont l'extraction de la biomasse s'avère être économiquement rentable. Le second, il a été connu par le passé sous le nom de "esprit ou alcool de bois", puisque à l'origine il était extrait du bois. Actuellement, cet alcool est préparé industriellement à température et à pression élevées à partir du gaz naturel, car le procédé de distillation de l'alcool à partir du bois n'est pas économiquement rentable.

L'éthanol, alcool présent dans les vins et autres boissons, est préparé par fermentation bactériologique des sucres naturels ou d'autres hydrocarbonés telles que les amidons. Les amidons sont dérivés soit de cultures à chaîne d'hydrocarbure pratiquées à cet effet, soit des sous-produits ou des résidus. L'amidon doit subir au préalable une hydrolyse, généralement par des acides, pour le transformer en sucres fermentables.

Les recherches actuelles portant sur l'utilisation de l'alcool comme carburant sont axées principalement sur les possibilités de son extraction à grande échelle d'un certain nombre de cultures tel que la canne à sucre, le maïs et le manioc [77]. Malheureusement, il n'y a pas à l'heure actuelle de procédé techniquement et économiquement viable permettant la fabrication à petite échelle de l'alcool à utiliser comme carburant. D'autre part, l'adoption par les agriculteurs de l'alcool comme carburant est obligatoirement liée aux plans nationaux de développement entrepris dans leurs pays respectifs dans le secteur de l'énergie. Les agriculteurs seront par ailleurs appelés à inclure les cultures à chaîne d'hydrocarbure dans leurs rotations culturales. Par suite, les programmes nationaux de développement en question pourraient revêtir une grande importance dépassant les limites simples d'une source d'énergie de substitution pour atteindre l'échelle de la production commerciale.

Plusieurs problèmes sont intrinsèquement liés à la fabrication à grande échelle de l'alcool carburant. Premièrement il y a bien sûr le dilemme déjà mentionné de la production alimentaire versus celle du carburant. Deuxièmement, la fabrication à grande échelle de l'alcool éthylique laisse des quantités importantes de sous-produits de distillation qui posent un problème sérieux d'évacuation et de pollution. Enfin, la rentabilité actuelle du produit n'est que marginale par rapport à celle de l'essence. D'une manière générale la production de l'alcool à l'heure actuelle repose essentiellement sur son utilisation comme un produit de substitut à l'importation plutôt que pour obtenir une source d'énergie meilleure marché. Néanmoins un certain nombre de programmes de production de l'alcool carburant est déjà lancé. Le programme qui est de loin le plus important et ambitieux est celui du Brésil qui vise un niveau de production de 12 milliards de litres d'éthanol par an en 1985, principalement à partir de la canne à sucre. Les Etats-Unis ont également mis sur pied un important programme de fabrication de méthanol, qui repose essentiellement sur la transformation complète du surplus de la production du maïs. L'objectif du programme Brésilien est d'atteindre un taux global de substitution de l'essence de 10% dans les années 1990. D'autres pays ont aussi entrepris des programmes moins importants de fabrication de l'alcool carburant, notamment la Thaïlande, les Philippines, la Nouvelle-Zélande, l'Australie, le Kenya, la Zambie, le Zimbabwe, le Nicaragua, le Paraguay et Fidji [77].

R&D s'efforce actuellement de mettre au point des procédés efficaces de fabrication d'alcool carburant économiquement rentables à partir des rejets et des résidus de bois. Au cas où ces travaux seraient couronnés de succès les perspectives d'utilisation à grande échelle de l'alcool tiré de la biomasse seraient beaucoup plus importantes.

L'Huile de biomasse

Il y a deux sortes d'huiles végétales qui sont considérées comme sources potentielles de carburant à l'usage des moteurs à combustion interne, à savoir, les huiles extraites des semences et la sève ou le latex tirés des crassulacées et d'autres types d'arbres comme l'hévéa.

Des résultats positifs ont été obtenus quant à l'utilisation des huiles végétales comme carburant dans les moteurs diesel. Les essais ont été réalisés avec des huiles extraites des graines d'arachide, de colza, de soja, de tournesol, de noix de coco, de safran et de lin [78]. L'huile de tournesol en particulier a été le plus intéressant comme carburant de moteur diesel. Les principales difficultés rencontrées sont dues à la viscosité de l'huile qui est nettement supérieure à celle du carburant diesel. Par suite le démarrage d'un moteur diesel en utilisant l'huile végétale comme carburant est difficile, mais dès que le moteur s'échauffe le fonctionnement devient normal. D'autre part, les essais effectuées ont montré que le rendement n'est pas trop faible, mais la consommation en carburant d'huile végétale est sensiblement plus forte à cause de leur faible pouvoir calorifique. Le problème majeur lié à l'utilisation d'huiles végétales brutes non traitées est celui du calaminage précoce des moteurs qui est à l'origine de la chute de la puissance fournie, et qui pourrait conduire en définitive au grippage du moteur en cas de mauvais entretien.

La transformation chimique des huiles végétales en éther éthylique ou méthylique permettrait de résoudre la plupart de ces problèmes, et d'obtenir en fin de compte, un rendement supérieur et un calaminage moins important qu'avec le carburant diesel [78]. De plus, les mélanges d'huile de tournesol et de carburant diesel permettent de réduire, voire éliminer quelques problèmes rencontrés avec l'huile de tournesol pure.

Le raffinage poussé de l'huile végétale pourrait finir en un processus de craquage pratiquement identique à celui du pétrole brut. On peut même obtenir du carburant diesel d'origine végétale. Dans la deuxième guerre mondiale, la Chine a mis au point un processus de craquage industriel des huiles végétales pour l'obtention des carburants automobiles, principalement à partir des huiles de bois (huile de tang). La société China Vegetable Oil Corporation of Shanghai a été en mesure de produise, à partir d'une tonne d'huile brute, 0,6 tonne de carburant diesel, 250 litres d'essence et 180 litres de kérosène d'origine végétale.

Il est aussi possible de presser sur place et à l'échelle d'une petite exploitation l'huile végétale afin de réduire les frais d'exploitation relatifs à l'achat du carburant diesel. Mais il est évidemment indispensable de bien filtrer l'huile végétale avant son utilisation dans le moteur. Une approche qui s'avère être facile à mettre sur pied consiste à implanter une unité de production industrielle à l'échelle d'une région. L'approvisionnement en graines oléagineuses serait ainsi plus substantiel ce qui permet de rentabiliser la production de l'huile à utiliser comme source d'énergie. La production des cultures oléagineuses (tournesol) est normalement d'environ 700 à 1800 kg par ha. Chaque kilo de graine donne entre 0,30 à 0,43 litre d'huile avec le procédé employé. Les rendements les moins bons étant ceux des petits pressoirs. Les rendements les plus forts sont obtenus avec les pressoirs à grand vis et à partir des procédés d'extraction par solvant. Dans ces conditions, on pourrait obtenir 210 à 770 litres d'huile par ha. La mise au point de techniques d'extraction plus performantes pourrait rendre cette approche potentiellement viable dans la plupart des cas. En effet, une technique culturale efficace jointe à une technique aussi performante d'extraction de l'huile permettrait de produire plus d'une tonne d'huile végétale par ha. A cet égard, il a été confirmé qu'une exploitation agricole mécanisée où 10% des terres sont consacrés à la culture du tournesol pourrait assurer ses propres besoins d'énergie [79]. Cependant, l'ouvrage de référence cité n'indique pas comment l'exploitant devrait procéder pour mélanger son huile avec du carburant diesel afin d'éviter le gommage et le calaminage du moteur.

Le coût de l'énergie des huiles végétales utilisées comme carburants s'avère être nettement plus favorable que celui de l'alcool carburant. Ceci est dû principalement à la plus grande simplicité du procédé de production utilisé, et aux investissements relativement moins importants en capital.

Pour cela l'utilisation des graines d'oléagineuses pour la fabrication du diesel semble être techniquement faisable. Toutefois, leur faisabilité économique reste encore à prouver, en effet le prix des huiles végétales raffinées sur le marché international dépasse de 50 à 100% les prix courants du diesel. Toutefois, cet écart de prix n'est pas général, observé et il ne reflète sans doute pas le coût de production réel, (par rapport au prix de vente) des huiles végétales.

Plantes au latex

Les travaux de recherche récents ont montré qu'on peut obtenir du diesel à partir de la sève de certains types d'arbres et de crassulacées. En fait ces espèces contiennent des molécules hydrocarbure de structure semblable mais plus complexe que celle des hydrocarbures du pétrole. Parmi les cultures qui sont d'un grand intérêt à cet égard on distingue notamment celles des Euphorbia [80]. On les trouve principalement dans les régions semi-arides, sur des terres marginales et stériles, généralement non utilisables pour les cultures vivrières. Le professeur Calvin de l'Université de Californie qui a conduit ces recherches s'attend à avoir avec les plantations sauvages actuelles, un rendement de 25 barils de pétrole par hectare. Il estime par ailleurs que ce rendement pourrait, selon toute vraisemblance, être doublé en réalisant un meilleur choix des graines de semence, et en introduisant les améliorations génétiques nécessaires afin d'obtenir des plantations spécialement destinées à la production des hydrocarbures [81]. D'autre part l'huile ou l'émulsion doit subir un raffinage préalable avant d'être utilisée dans le moteur diesel. En effet, ces huiles et émulsions sont d'une forte viscosité et elles contiennent des résines et d'autres substances chimiques qui pourraient entraîner le calaminage prématuré du moteur. Bien qu'à l'heure actuelle cette source d'approvisionnement en combustible n'est pas encore sûre, elle pourrait constituer une source potentielle à développer dans le futur, surtout si ces plantations peuvent être cultivées sur des terres de faible valeur pour les cultures vivrières ou autres cultures courantes.

Gaz tiré de la biomasse: biogaz

Le biogaz représente actuellement la source d'énergie la plus immédiate pour l'alimentation d'un moteur à combustion interne classique. Cette source d'énergie se prête bien à l'utilisation à l'échelle d'une petite exploitation, et elle est déjà bien connue dans pas mal de pays.

Le biogaz est obtenu naturellement par un mécanisme connu sous le nom de "digestion anaérobie". Ce mécanisme caractérise les réactions des bactéries avec les matières organiques imbibées d'eau en milieu anaérobie. Le biogaz se trouve dans la nature sous la forme de "gaz des marais", gaz inflammable qui se dégage à la surface des marais stagnants ou des étangs. Le même processus se déroule à l'intérieur de l'appareil digestif du bétail.

Le biogaz contient environ 60% de méthane. Le méthane est un bon combustible non toxique, semblable à plusieurs égards au gaz naturel. L'autre proportion de 40% est essentiellement constituée du gaz carbonique inerte avec des traces d'hydrogène sulfureux, etc. Le pouvoir calorifique du biogaz brut est de 23 MJ/m³ environ, et il est nettement supérieur à celui du gaz de gazogène (voir Tableau 32). Le gaz carbonique peut être éliminé en faisant barboter le biogaz brut dans de la chaux éteinte (hydroxyde de calcium), mais il faut renouveler périodiquement la chaux. Avec ce traitement, les caractéristiques de biogaz deviendraient sensiblement comparables au méthane pur, et son pouvoir calorifique devient 40 MJ/m³.

L'intérêt du biogaz comme combustible pour les moteurs à combustion interne vient du fait qu'il ne contient aucun polluant difficile à éliminer, ou qui pourrait entraîner le grippage du moteur (à l'opposé du gaz de gazogène). De plus, son allumage est simple et sans cliquetis, ce qui fait que son utilisation comme combustible exclusif dans les moteurs à allumage par étincelle à taux de compression élevé ne présente aucun danger. Dans les moteurs diesel, il faut injecter en même temps une petite quantité du diesel avant l'allumage (l'allumage est réglé par la pompe à injection). Le biogaz peut être utilisé pour réduire la consommation du diesel dans une proportion de 50 à 80% moyennant de simples modifications à apporter au moteur. Le rendement maximum du biogaz est obtenu lorsqu'il est utilisé avec un moteur à allumage par étincelle dont le taux de compression est voisin de celui d'un moteur diesel. Des moteurs ont été spécialement conçus pour fonctionner exclusivement avec du biogaz avec un rendement supérieur à celui des moteurs à essence non adaptés au biogaz [82].

Un autre avantage important du biogaz, particulièrement dans le cadre de l'irrigation par pompage sont les propriétés fertilisantes des bonnes résiduaires. Par suite la majeure partie des boues putréfiées peuvent être restituées au sol pour améliorer sa qualité, et en même temps pour réduire le recours aux engrais chimiques. C'est un avantage additionnel par rapport à l'utilisation de la biomasse solide où toute la masse est brûlée. D'autre part dans la digestion anaérobie, l'azote et les autres substances chimiques sont plus facilement utilisables pour la croissance végétale que dans le cas du compostage aérobie (dans l'air) normal. De plus, contrairement aux engrais chimiques, les boues résiduelles de la digestion anaérobie pour l'obtention du biogaz contiennent de l'humus, qui peut améliorer la texture du sol. La digestion anaérobie est aussi une des techniques les plus utilisées pour le traitement des eaux usées. De plus cette technique est aussi utilisée pour l'évacuation d'autres déchets organiques indésirables ou nocifs, ainsi que pour l'obtention d'engrais organiques et du gaz combustible. Il s'agit en effet d'un procédé classique de traitement des eaux résiduelles qui détruit la plupart des agents pathogènes aquatiques dangereux pour l'organisme humain. Il transforme les effluents en un liquide relativement inoffensif et sans odeur, pouvant facilement être utilisé pour l'irrigation par aspersion ou de surface.

La digestion anaérobie est utilisée à grande échelle pour le traitement des eaux usées des grandes villes et de plus en plus, dans les exploitations agricoles. Cette technique a été utilisée pour la première fois, à l'échelle d'une importante exploitation agricole en France pendant la Seconde Guerre mondiale. A cette époque, les agriculteurs ont construit des digesteurs en béton pour avoir du méthane pour pallier à la pénurie des produits pétroliers. Récemment, des efforts ont été déployés afin de développer l'utilisation du biogaz en Asie, principalement en Chine, ainsi qu'aux Indes, au Népal et dans plusieurs autres pays du SudEst de l'Asie. Des parcs de production de biogaz à l'échelle industrielle ont aussi été mis en service dans plusieurs pays, notamment aux Etats-Unis, au Royaume-Uni, en Australie et au Kenya, de même qu'en Chine et aux Indes.

Bien que l'utilisation à grande échelle du biogaz comme combustible n'ait commencé en Chine qu'au début des années 1970, près de 7 millions d'installations biogaz ont été réalisés en 10 ans [83], la plupart sont dans la province de Sichuan. Le développement de la technique du biogaz a été moins poussé aux Indes, bien que près de 80 000 digesteurs fonctionnent régulièrement utilisés dans ce pays. Aux Indes, l'expérience a montré que les grandes installations gérées par les exploitants riches ou bien par les institutions donnent de meilleurs résultats que les petites installations à l'échelle familiale.

Les figures 160 et 161 représentent les deux principaux types de petits digesteurs de biogaz, mis au point respectivement pour la première fois en Chine et aux Indes. Le modèle chinois est fait d'une fosse enterrée revêtue en béton, et couvert d'une console en béton. La fosse est entièrement remplie de boue, une fois que le gaz commence à se former, il s'accumule sous le dôme et force le niveau de la boue à baisser de 1 m environ. Par conséquent la pression varie en fonction du volume du gaz emmagasiné. Il suffit d'ailleurs d'installer un manomètre sur les canalisations du gaz pour mesurer la pression afin de pouvoir avec une bonne précision déterminer le volume du gaz disponible. Le digesteur de type indien (figure 161) est plus coûteux, puisqu'il comporte une citerne en acier pour retenir le gaz. Mais d'un autre côté les fuites de gaz sont plus faibles que dans le modèle chinois qui requiert un revêtement parfaitement soigné pour boucher toute porosité et pour arrêter toute fuite de gaz. Dans le cas du modèle indien, le gaz s'accumule sous le gazomètre d'acier, qui s'élève au fur et à mesure que le gaz s'accumule. La hauteur libre du gazomètre au-dessus de la fosse permet de déterminer le volume du gaz disponible, et la pression est constante.

Processus de formation du biogaz

La matière première nécessaire pour la formation du biogaz est une boue liquide contenant 5 à 10% de matières solides. Il est important que la boue soit constituée de matières solides à digestion facile. En effet, les matériaux très fibreux, comme le bois et la paille ne sont pas faciles à digérer par les bactéries, tandis que les matériaux plus moues, comme le fumier et les feuilles d'arbres le sont plus. En outre, le rendement en biogaz diffère d'une boue à une autre selon sa composition (Tableau 34), de même certaines charges ont une meilleure production de matières organiques que d'autres comme l'indique le Tableau 35.

TABLEAU 34
Rendement en biogaz des différentes charges

FIGURE 160
Digesteur de biogaz à coupole fixe (Chine)

FIGURE 161
Digesteur de biogaz à gazomètre flottant et sans liant hydraulique

TABLEAU 35
Production d'excréments des différents espèces vivantes

Le tableau 36 (tiré de Meynell [84]) indique les principaux paramètres d'exploi­tation de modèles types de digesteurs de biogaz à fonctionnement continu (on peut également faire fonctionner les digesteurs par intermittence). A cet effet, on dispose une série de digesteurs de sorte qu'à tout instant on a un digesteur en remplissage, un autre en phase de formation du biogaz, et un autre en voie de déchargement. C'est un processus qui requiert au moins trois digesteurs, pour assurer l'alimentation continue en biogaz. Le fonctionnement optimal exige que la température interne du digesteur soit voisine de 35°, et en tout cas supérieure à 25°. De plus, la température doit rester aussi constante que possible. Le processus de digestion est généralement accompagné d'un dégagement d'une faible quantité de chaleur. Mais dans les climats frais ou pendant l'hiver, il faut soigneusement protéger l'installation, même le cas échéant, procéder au chauffage de ces installations au cas de vagues de froid. La durée moyenne nécessaire de rétention des matières solides pour le déroulement du cycle complet de formation du biogaz est normalement d'environ 20 à 40 jours. Dans le cas des digesteurs en fonctionnement continu (par opposition au fonctionnement en discontinu) la capacité de l'installation doit être égale à la durée de séjour multipliée par le débit d'alimentation quotidien. Autrement dit, pour une durée de séjour de 30 jours et un apport quotidien de 1 m³/jour, la capacité du digesteur doit être de 30 m³. Le processus de transformation est d'autant plus complet et la production d'énergie par unité de poids de matière solide est d'autant plus grande que la durée de séjour est plus longue et que la température de digesteur est élevée. Mais ceci conduit à une installation de grande capacité, donc plus coûteuse. La détermination des dimensions et de la durée de rétention résulte habituellement d'un compromis entre la nécessité d'obtenir la digestion la plus complète possible d'un côté et de l'autre de maintenir le coût de l'installation dans des limites raisonnables. La teneur en eau de la boue est un facteur très important, elle doit toujours se situer entre 85 à 95%. En effet, à masse égale, les liquides ont un volume plus important que les boues épaisses. Il s'en suit un sur-dimensionnement inutile du digesteur utilisé tandis que les boues trop épaisses empêchent le bon brassage, elles se solidifient plus rapidement et colmatent l'installation. Le dosage carbone/azote est un autre critère important. Pour obtenir une digestion efficace il faut 20 à 30 unités de carbone par unité d'azote. Il serait donc plus intéressant de mélanger les substances comme les feuilles ou le gazon avec les substances riches en azote comme l'urine ou les fientes de volaille. Une autre alternative consiste à introduire des éléments chimiques artificiels riches en ammoniaque ou en azote dans un digesteur alimenté essentiellement par une charge végétale. Il en résulte une amélioration du dosage carbone/azote et un meilleur déroulement du processus. Enfin, le rendement serait d'environ 0,1 à 0,7 m³ de gaz par kilo de charge quotidienne en matière organique.

TABLEAU 36
Principaux paramètres de foncionnement des digesteurs de biogaz agricole

Comme la capacité d'emmagasinage des digesteurs de biogaz peut couvrir une consommation de 12 heures de biogaz, il serait donc possible d'alimenter des moteurs dont la consommation de biogaz est relativement élevée. Par conséquent, la taille du moteur n'est pas un facteur décisif, puisque seule sa durée d'utilisation est liée à la capacité du digesteur. Le transport du biogaz est techniquement difficile. En Chine, le transport est souvent assuré dans des tubes en plastique sur plusieurs centaines de mètres. Contrairement au propane ou au butane, il n'est pas possible de le faire passer à l'état liquide sous pression aux températures normales. Par suite la seule façon de le transporter c'est à l'état gazeux soit dans des bonbonnes de gaz haute pression remplies à l'aide de compresseurs haute pression, soit dans un sac en matière plastique. La figure 162 montre un petit tracteur à deux roues fonctionnant au biogaz contenu dans un sac installé sur un support en surélévation (Chine). Une citerne pleine de boue digérée est remorquée à l'engin qui transporte également une pompe et son moteur d'entraînement, cet ensemble est destiné à la pulvérisation de la boue liquide sur les champs. Une autre technique aussi intéressante permettant l'utilisation du biogaz pour l'irrigation consiste à mélanger les boues digérées et l'eau d'irrigation. En effet, ceci permet de réaliser en même temps les trois fonctions suivantes, l'irrigation, l'application d'engrais et l'évacuation des déchets.

Exemple de calcul

Dans le cas de l'alimentation des petits moteurs, le biogaz a généralement un pouvoir calorifique de 6,4 kwh/m³ environ. Il est donc très simple de calculer la quantité quotidienne de biogaz nécessaire pour une installation de pompage déterminée. L'exemple illustré dans le Tableau 37 a été choisi à cet effet. Il indique comment peut-on irriguer une petite exploitation de 3 ha en utilisant le biogaz obtenu à partir des déchets d'un troupeau de bétail de 20 à 30 porcins, de 5 à 10 bovins, de 500 à 700 volailles, ou bien d'une communauté 80 à 200 personnes. La formation du biogaz peut être améliorée en mélangeant la matière végétale aux déchets d'animaux. Mais dans certains cas il faut introduire en même temps une quantité supplémentaire d'azote, éventuellement sous la forme d'urine, pour compenser l'excédent de carbone présent dans les résidus végétaux.

Il ressort de l'exemple ci-dessus que la quantité d'apport solide nécessaire est très importante, même pour les faibles débits de pompage. Par conséquent, si l'on raisonne uniquement en termes énergétiques, les avantages semblent être marginaux par rapport aux combustibles à base de pétrole. Mais si l'on prend en considération les avantages relatifs à la valeur fertilisante de la boue, ainsi que ceux relatifs à l'évacuation des déchets d'origine humaine ou animale, ce procédé pourrait être considéré comme économiquement justifiable.

Il est difficile de tirer des conclusions universelles quant à la valeur économique du biogaz. En effet, il faut tenir compte des divers facteurs propres à chaque site. Néanmoins, le procédé présente certainement d'importantes économies d'échelle. Par exemple, d'après une campagne d'études sur les installations biogaz [85] aux Indes, et avec un taux d'actualisation de 10%, l'amortissement à 100% cent d'une installation de 1,7 m³ intervient au bout de 23 ans. Cette même période deviendrait 7, 4 et 3 ans respectivement avec des installations de capacités de 2.8, 5.7, et 8.6 m³. Les installations nécessaires pour l'alimentation des petits moteurs sont généralement beaucoup plus importantes et ils seront vraisemblablement d'un meilleur rapport coût/efficacité.

FIGURE 162
Tracteur chinois à deux roues fonctionnant au biogaz et utilisé pour l'application de la boue digérée à la surface des champs

La province de Sichuan en Chine pourrait être considérée comme le pionnier de l'utilisation du biogaz en agriculture, avec plusieurs millions d'installations de biogaz en service. Ce grand développement est intervenu seulement au cours des 10 à 15 dernières années. Plusieurs études (par exemple [86]) ont indiqué que la valeur fertilisante de la boue traitée dépasse généralement la valeur énergétique du biogaz obtenu avec ce procédé en Chine. Donc les avantages relatifs à l'évacuation des déchets et l'amélioration des conditions d'hygiène contribuent fortement à relever la valeur économique de procédé.

TABLEAU 37
Exemple type de calcul d'une installation de biogaz destinée à l'irrigation par pompage