Analyse de la composition du biogaz en vue de l'optimisation de sa

Analyse de la composition du biogaz en vue de

loptimisation de sa production et de son exploitation

dans des centres de stockage des dechets menagers

Matgorzata Meres

To cite this version:

Matgorzata Meres. Analyse de la composition du biogaz en vue de loptimisation de sa pro-duction et de son exploitation dans des centres de stockage des dechets menagers. Sciences delenvironnement. Ecole Nationale Superieure des Mines de Saint-Etienne; Universite JagielloneCracovie, 2009. Francais.

HAL Id: tel-00793654

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00793654

Submitted on 22 Feb 2013

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Cette thse a t galement rdige en polonais N dordre 372

THESE

prsente

Ecole Nationale Suprieure des Mines de Saint-Etienne, France

et

Universit Jagiellone de Cracovie, Pologne

pour obtenir le grade de

Docteur

Spcialit : Sciences et Gnie de lEnvironnement

ANALYSE DE LA COMPOSITION DU BIOGAZ

EN VUE DE LOPTIMISATION DE SA PRODUCTION

ET DE SON EXPLOITATION DANS

DES CENTRES DE STOCKAGE DES DCHETS MNAGERS

par

Magorzata MERES

Soutenue le 19 septembre 2005

Jury :

M. Patrick GERMAIN rapporteur

M. Adam JUSZKIEWICZ rapporteur

M. Roman NEY rapporteur

Mme Elbieta SZCZEPANIEC-CICIAK examinateur

M. Pascal FORMISYN examinateur

M. Konrad SZAFNICKI examinateur

Mme Krystyna FLAK invite

M. Christian CYRKLEWSKI invit

ISBN 2-9507146-4-1

Moim Rodzicom

A mes Parents

To my Parents

Je souhaite remercier :

Madame Elbieta Szczepaniec-Ciciak

pour la qualit de son encadrement et sa disponibilit,

Monsieur Pascal Formisyn

pour le suivi rgulier de cette tude,

lintrt et lesprit critique quil a su manifester,

et Monsieur Konrad Szafnicki

pour la qualit de son encadrement,

sa disponibilit, sa sympathie et ses prcieux conseils.

Monsieur Herv Vaillant,

la Socits Satrod et Elyo,

ainsi qu

Monsieur Krzysztof Piejko,

Miejskie Przesibiorstwo Oczyszczania Sp. z o.o.

pour la qualit de leur collaboration.

A tous les membres du Centre SITE

pour lambiance et laccueil quils mont rserv,

tous les membres de Zesp Kriogeniki i Bada Powietrza

pour la chaleureuse ambiance de travail quils ont su crer,

ainsi qu Madame Marta Tor et Madame Alicja Tardy

pour leur sympathie et hospitalit.

A mes Parents et mon Frre

pour lamour, la patience, laide et leur confiance en moi,

et mes Amies :

Basia G., Kasia S., Kasia F., Kasia B. et Patrycja S.

pour le soutien et la prsence dans les moments difficiles.

Rsum

RESUME

Rsum

Ce travail rsulte de la collaboration entre le Centre SITE de lcole Nationale

Suprieure des Mines de Saint-Etienne, France et la Facult de Chimie de lUniversit

Jagiellone Cracovie, Pologne (thse en cotutelle), ainsi quavec deux partenaires

industriels : socits Satrod et Elyo que grent le Centre de Stockage et la valorisation du

biogaz Borde-Matin, et Miejskie Przedsibiorstwo Oczyszczania Cracovie (lEntreprise

Municipale dAssainissement) qui gre le Centre de Stockage Barycz.

Cette thse a pour objectif essentiel de comprendre et dexpliquer la dynamique des

processus lis la production du biogaz. Le comportement du biogaz dans la masse des

dchets (transferts, composition, variations) et les relations vis--vis dun ensemble de

paramtres extrieurs (paramtres mtorologiques et dexploitation, interventions

doprateurs) sont tudis, afin de proposer une aide loptimisation de lexploitation et de la

valorisation du biogaz.

La valorisation du biogaz est une technologie permettant de recueillir et de traiter le

biogaz issu des dchets organiques fermentescibles en vue de produire de lnergie tout en

prservant lenvironnement grce la rduction des missions de gaz fort effet de serre tel

que le mthane, llimination des odeurs et des risques dexplosion. Une des mthodes de la

valorisation du biogaz est la production dlectricit dans des groupes lectrognes constitus

des moteurs biogaz coupls des gnratrices lectriques. Pour une efficacit optimale de

cette valorisation, il est trs important que la production du biogaz et sa composition soient

stables. Cependant, il y a beaucoup de facteurs qui influent sur la variation de la concentration

de composants du biogaz, en particulier les paramtres mtorologiques (prcipitations,

pression atmosphrique, temprature et humidit), lge et les types des dchets, les mthodes

denfouissement.

Lensemble de ce travail a permis une tude trois niveaux ( court terme, moyen

terme et dun point de vue global) de la dynamique des processus de production et de

comportement du biogaz sur des Centres de Stockage (CDS) des dchets mnagers en

fonction de diffrents paramtres extrieurs (mtorologiques, dexploitation). Plusieurs types

de modles ont t proposs, selon lhorizon de temps envisag. Les modles court terme

(heures, jours) peuvent avoir un intrt dans la gestion au jour le jour alors que les

modles globaux peuvent constituer un outil daide la dcision dans la gestion des sites

sur un horizon de plusieurs annes.

Mots cls : Valorisation du biogaz, Centre de Stockage, Modlisation, Optimisation,

nergie renouvelable, Dveloppement durable

Abstract

This PhD thesis results from collaboration between Centre SITE, Ecole Nationale

Suprieure des Mines de Saint-Etienne, France and Faculty of Chemistry, Jagiellonian

University in Cracow, Poland (international thesis), as well as with two industrial partners:

society Satrod and Elyo which manage landfill site and landfill gas utilization at Borde-Matin,

and Miejskie Przedsibiorstwo Oczyszczania in Cracow (Municipal Company of Purification)

which manages landfill site Barycz.

This PhD thesis aims to understand and explain the process dynamics of the landfill gas

(LFG). In order to propose an assistance to the optimisation of the LFG exploitation and

using, the behaviour of LFG in the mass of the waste (transfer, composition, influences and

variations) and the relationships with external parameters (meteorological and exploitation

parameters, operators interventions) have been investigated.

Landfill gas utilization implies collecting and processing of LFG generated during

anaerobic fermentation of organic waste. LFG utilization aims at energy production and

environment protection by reduction of greenhouse gas emissions (methane), elimination of

odours and explosion hazard. One of the techniques of LFG utilization implies the production

of electric energy in power units consisting of LFG engines coupled with electricity

generators. In order to reach optimum efficiency of using the biogas it is of big importance

that LFG production and composition be constant. However, a lot of factors are able to affect

or afford the concentration of the different LFG components and the volume of its production.

These are, among others, meteorological parameters (precipitation, atmospheric pressure,

temperature and air humidity), the age and type of the waste as well as the method of its

disposal.

This work investigates the LFG generation process dynamics at different landfill sites in

relation to various external parameters (meteorological and operational). Various types of

models have been studied according to the time horizon concerned: short-, mean-term and

global view. The short-term models (hours, days) could have an interest in the management

from day-to-day whereas the global models could provide a decision making assistance to

the landfill management on the horizon of several years.

Key Words: Landfill gas utilization, Landfill site, Modelling, Optimization,

Renewable energies, Sustainable development

Streszczenie

Prezentowana rozprawa doktorska powstaa w wyniku wsppracy pomidzy Centrum

SITE Ecole Nationale Suprieure des Mines w Saint-Etienne, Francja i Wydziaem Chemii

Uniwersytetu Jagielloskiego w Krakowie, Polska (doktorat midzynarodowy en cotutelle),

a take z dwoma partnerami przemysowymi: spkami Satrod i Elyo, ktre zarzdzaj

skadowiskiem odpadw komunalnych i utylizacj biogazu w Borde-Matin (Francja) oraz

Miejskim Przedsibiorstwem Oczyszczania Sp. z o.o. w Krakowie, ktre zarzdza

skadowiskiem Barycz.

Gwnym celem niniejszej pracy byo zbadanie wpywu rnych parametrw

zewntrznych (meteorologicznych i eksploatacyjnych, interwencji operatorw) na dynamik

procesu produkcji i utylizacji biogazu na skadowiskach rnicych si midzy innymi

wielkoci, iloci zdeponowanych odpadw i dostpnej do utylizacji mocy opaowej,

intensywnoci odgazowania a take warunkami klimatycznymi.

Utylizacja biogazu jest technologi pozwalajc na zbieranie i przetwarzanie biogazu

pochodzcego z odpadw organicznych zdolnych do fermentacji w celu produkowania

energii, redukcji emisji gazu cieplarnianego (metanu), eliminacji odorw oraz zagroenia

wybuchem. Jedn z metod utylizacji biogazu jest produkcja energii elektrycznej w zespoach

prdotwrczych skadajcych si z silnikw na biogaz poczonych z generatorami prdu.

Aby uzyska optymaln wydajno utylizacji bardzo wane jest, aby produkcja i skad

biogazu byy stae. Istnieje jednak wiele czynnikw wpywajcych na wahania ste

skadnikw biogazu, midzy innymi parametry meteorologiczne (opady, cinienie

atmosferyczne, temperatura i wilgotno powietrza), wiek i typ odpadw oraz sposb ich

skadowania.

Celem szczegowym dysertacji byo opracowanie modeli dla trzech horyzontw

czasowych (krtko, rednio i dugoterminowych), przedstawiajcych dynamik produkcji

i zachowania si biogazu na skadowiskach odpadw komunalnych w zalenoci od rnych

parametrw zewntrznych. Modele krtkoterminowe (godziny, dni) mog mie zastosowanie

w codziennym zarzdzaniu skadowiskiem, natomiast modele globalne mog stanowi pomoc

w podejmowaniu decyzji przy kierowaniu skadowiskiem na przestrzeni wielu lat.

Sowa kluczowe : Utylizacja biogazu, Skadowisko odpadw komunalnych, Modelowanie,

Optymalizacja, Energie odnawialne, Zrwnowaony rozwj

Sommaire

Magorzata Meres I

SOMMAIRE

FIGURES, TABLEAUX, PHOTOS

Sommaire

Magorzata Meres III

GLOSSAIRE XIII

INTRODUCTION ET CONTEXTE 1

1. POSITION DE LA PROBLMATIQUE 5

1.1. Les Centres de Stockage (CDS) : exploitation, problmatique et risques 7

1.1.1. Introduction 7

1.1.2. Exploitation de Centre de Stockage (CDS) 16

1.1.2.1.Compactage 16

1.1.2.2.Dgazage 20

1.1.2.3.Valorisation du biogaz 22

1.1.3. Caractristiques du biogaz 26

1.1.3.1.tapes de production du biogaz 26

1.1.3.2.Compositions du biogaz 28

1.1.3.3.Paramtres influenant la production du biogaz 29

1.1.4. Risques induits par la prsence du biogaz dans les CDS 32

1.2. Description des sites retenus 34

1.2.1. Caractristiques des CDS tudis 34

1.2.1.1.Localisation 34

1.2.1.2.Mthodes dexploitation 36

1.2.1.3.Dgazage 40

1.2.1.4.Valorisation du biogaz 42

1.2.1.5.Rsum comparaison 45

1.2.2. Caractristiques climatiques des rgions 46

1.2.2.1.Maopolska (Pologne) 46

1.2.2.2.Loire (France) 47

1.2.2.3.Rsum comparaison 49

2. MTHODOLOGIE DANALYSE ET DE MODLISATION 51

2.1. Introduction lidentification de modles 53

2.1.1. Objectif 53

2.1.2. Identification dun modle de comportement 53

2.1.3. Protocole didentification 53

2.1.4. Rcapitulatif 60

2.2. Analyse en Composantes Principales (ACP) 61

Sommaire

Magorzata Meres IV

2.3. Modles globaux destimation dmission du gaz 64

2.3.1. Prsentation de diffrents modles 64

2.3.2. Rcapitulatif 68

2.4. Acquisition des donnes et des informations 70

2.5. Appareils de mesures 76

2.6. Contraintes et limites des quipements de mesure 83

3. RSULTATS ET INTERPRTATIONS 85

3.1. Exploitation et analyse des donnes 87

3.1.1. Influence des paramtres dexploitation sur la valorisation du biogaz 87

3.1.2. Influence des paramtres mtorologiques sur la valorisation du biogaz 91

3.1.3. Stabilit de la production du biogaz 95

3.1.4. Bilan de fonctionnement de la valorisation 98

3.1.5. Rcapitulatif opratoire 100

3.2. Analyses croises des relations court terme (heures, jours) 101

3.2.1. Modles PLUIE PCIdispo 101

3.2.2. Modle gnral PLUIE PCIdispo 113

3.2.3. Modle DBIT CH4 117

3.3. tude des corrlations moyen terme (mois, anne) 122

3.4. Modles globaux (annes) 126

3.4.1. Modle LANDGEM 126

3.4.2. Modle EPA-modifi 128

3.4.3. Validation de modle EPA-modifi 131

3.5. Rcapitulatif des modles 134

4. CONCLUSION PERSPECTIVES 137

BIBLIOGRAPHIE 141

RFRENCES 155

ANNEXES

1. Exemples des concentrations de plusieurs composants du biogaz 159

2. Les mesures de donnes biogaz effectues sur le rseau de dgazage de CDS Barycz de fvrier 2002 juillet 2002 et doctobre 2002 mai 2003

163

3. Les mesures de donnes biogaz effectues sur le rseau de dgazage de CDS Barycz doctobre 2003 mai 2004

173

4. Exemples des graphes mensuels prpars avec les donnes rcupres Borde-Matin (juillet 2003)

177

Sommaire

Magorzata Meres V

5. Exemples des graphes mensuels prpars avec les donnes rcupres Barycz (mai 2003)

181

6. Code pour lidentification des modles PLUIE PCIdispo 185

7. Code pour lidentification du modle DEBIT CH4 189

8. Rsultats des calculs de corrlations annuelles (ACP), sous forme de la matrice des corrlations, pour les donnes de 2001, 2002, 2003 et 2004

Borde-Matin

193

9. Rsultats des calculs de corrlations (ACP), sous forme de la matrice des corrlations, pour les donnes de 2002 2004 Borde-Matin

199

10. Rsultats des calculs de corrlations (ACP), pour les donnes annuelles de 2002, 2003 et 2004, et pour toutes les donnes (de 2002 2004) pour les

quatre saisons de lanne Borde-Matin

203

11. Rsultats des calculs de valeurs moyennes pour les donnes annuelles de 2002, 2003 et 2004, et pour toutes les donnes (de 2002 2004) pour les


207

12. Rsultats des calculs de corrlations (ACP), sous forme de la matrice des corrlations, pour les donnes de mars juin 2003 Barycz

211

13. Les donnes spcifiques de Borde-Matin utilises pour la simulation de la production du biogaz (crans du logiciel LANDGEM)

215

14. Les donnes spcifiques de Barycz utilises pour la simulation de la production du biogaz (crans du logiciel LANDGEM)

219

15. Code de modle EPA-modifi 223

16. Rsum des donnes spcifiques de Barycz et Borde-Matin utilises pour la simulation de la production du biogaz

227

Figures

Magorzata Meres VI

FIGURES

1. POSITION DE LA PROBLEMATIQUE

Figure 1. volution des quantits des dchets stocks en France 7

Figure 2. Quantits de dchets enfouis selon la nature des dchets, en France, en millions de tonnes

8

Figure 3. volution du nombre de CDS et de leur part (%) par rapport lensemble des installations de traitement

8

Figure 4. La superficie totale des Centres de Stockage (CDS) en Pologne (ha) 9

Figure 5. La quantit de dchets municipaux produits dans diffrents pays (kg/habitant/an)

12

Figure 6. Force de compactage des compacteurs en fonction de leur poids 17

Figure 7. Efficacit de compactage pour un compacteur avec : (A) 2 ; (B) 3 et (C) 4 roues

17

Figure 8. Roues de compacteur : (A) Points de traction souds : ddis aux superficies geles ou pntration difficile ; (B) Points plus : procurant une

meilleure stabilit en terrains pentus. Auto-nettoyants

18

Figure 9. Consquences des passages de compacteur 18

Figure 10. Techniques du compactage des dchets 19

Figure 11. Exemple de rseau de dgazage : (A) Schma gnral ; (B) Photo exemple rel en surface

20

Figure 12. Puits vertical de collecte du biogaz : (A) Schma gnral ; (B) Photo exemple rel

21

Figure 13. Puits horizontal de collecte du biogaz 21

Figure 14. Installation de collecte, transport et limination du biogaz (Socit Pro 2) 22

Figure 15. Exemple de station de cognration : (A) Schma gnral ; (B) Photo de la station de cognration de Vienne (38) entoure dune paroi insonorisante

24

Figure 16. Les phases de la dcomposition des dchets 27

Figure 17. Influences des diffrents facteurs sur la production du gaz de dcharge 30

Figure 18. Chemins possibles de la migration du biogaz 33

Figure 19. Progression de lactivit par nature de dchets (Borde-Matin, 1998-2002) 37

Figure 20. Evolution de la quantit des dchets stocks Barycz (1992-2004) 39

Figure 21. Gographie: (A) situation de la rgion Maopolska ; (B) rgion Maopolska 46

Figure 22. Gographie : (A) situation de la rgion Rhne-Alpes ; (B) dpartement de la Loire

47

Figures

Magorzata Meres VII

2. METHODOLOGIE DANALYSE ET DE MODELISATION

Figure 23. Schma dun modle linaire discret 55

Figure 24. Schma dvolution classique de QN(nk) avec deux valeurs candidates pour nkopt

57

Figure 25. Schma dvolution classique de QN(nf) avec deux valeurs candidates pour nfopt

57

Figure 26. Paramtres caractristiques du modle de 1er ordre avec retard : K, , Td illustrs en rponse un chelon

59

Figure 27. Tableau R (n,p) de mesures 61

Figure 28. Schma du calcul de matrice de la corrlation C 62

Figure 29. Cercle des corrlations : 1 et 2 corrlation directe (cjj 1), 1 (2) et 3

corrlation inverse (cjj -1)

63

Figure 30. Schma de la station de traitement du biogaz (daprs ELYO - BIOVALE) 70

Figure 31. Schma de linstallation de dgazage et de collecte du biogaz Barycz 72

Figure 32. Transmetteur du dbit 77

Figure 33. Sonde de temprature 77

Figure 34. Hygromtre 78

Figure 35. Pluviomtre 78

Figure 36. Anmomtre 78

Figure 37. Girouette 78

Figure 38. Analyseur du biogaz GA 94 (Geotechnical Instruments Ltd., Angleterre) : (A) Vue gnral ; (B) Schma

79

Figure 39. Senseur de la temprature 81

Figure 40. Dbitmtre 81

Figure 41. Sonde de temprature 82

Figure 42. Hygromtre 82

Figure 43. Pluviomtre 82

3. RESULTATS ET INTERPRETATIONS

Figure 44. Diminution de PCIdispo provoque par linterruption de fonctionnement des groupes lectrognes (exemple de Barycz)

88

Figure 45. Changement de la concentration en CH4 dans les puits tudis Barycz 89

Figure 46. Changement de la concentration en CO2 dans les puits tudis Barycz 89

Figure 47. Changement de la concentration en CH4 et en CO2 dans les collecteurs ZR et ZB

90

Figure 48. Exemple dinfluence de la temprature sur la PCIdispo en juillet 2003 (exemple de Borde-Matin)

91

Figures

Magorzata Meres VIII

Figure 49. Exemple dinfluence des prcipitations longues (>12h) sur la PCIdispo : (A) en mai 2002 Borde-Matin ; (B) en mai 2003 Barycz

92

Figure 50. Exemple dinfluence des prcipitations courtes (1-3 h) et intense sur la PCIdispo Barycz : (A) en mai 2003 ; (B) en juin 2003

93

Figure 51. Exemple dinfluence de la temprature basse (

Figures

Magorzata Meres IX

Figure 73. Graphe des relations entre les coefficients Ks et les valeurs initiales du dbit Qinit et de la concentration du mthane [CH4]init

120

Figure 74. Graphe des relations entre les coefficients Ks et les amplitudes du dbit Q

et de la concentration du mthane [CH4]

120

Figure 75. Graphe de relation entre Q calculs et mesurs in situ et [CH4] 121

Figure 76. Exemple de corrlations trouves pour les donnes de Borde-Matin : (A) PCIdispo et dbit, dpression (calcul pour toutes les donnes : de 2002

2004) ; (B) PCIdispo et temprature (printemps 2004)

124

Figure 77. Corrlations trouves pour les donnes de Barycz (priode : mars juin 2003)

125

Figure 78. Estimations de la quantit du mthane produit Borde Matin rsultats du logiciel LANDGEM

127

Figure 79. Estimation de la quantit du mthane produit Barycz rsultats du logiciel LANDGEM

127

Figure 80. Estimation de la production du biogaz et son volution dans le temps pour le CDS Borde-Matin (anne de fermeture : 2018)

129

Figure 81. Estimation de la production du biogaz et son volution dans le temps pour la partie II de CDS Barycz (anne de fermeture : 2004)

129

Figure 82. Estimation de la production du biogaz et son volution dans le temps pour le CDS Borde-Matin avec diminution de la quantit de dchets stocks

partir de 2005 240 000 Mg/an

131

Figure 83. Estimation de la production du biogaz sur le CDS-B Nontaburi 132

Figure 84. Estimation de la production du biogaz sur le CDS-C Nontaburi 133

Figure 85. Estimation de la production du biogaz sur le CDS-A Nontaburi 133

Figure 86. Illustration synthtique des modles tudis 134

ANNEXES

Figure A-4.I. Exemple des graphes mensuels de la variation des paramtres mto

et des paramtres biogaz Borde-Matin (juillet 2003)

179

Figure A-4.II. Exemple des graphes mensuels de la variation des paramtres mto

et des paramtres biogaz Borde-Matin (juillet 2003)

180

Figure A-5.III. Exemple des graphes mensuels de la variation des paramtres

mtorologiques et des paramtres biogaz Barycz (mai 2003)

183

Figure A-5.IV. Exemple des graphes mensuels de la variation des paramtres

biogaz Barycz (mai 2003)

184

Figure A-13.V. Donnes spcifiques de Borde-Matin utilises pour la simulation de la

production du biogaz (crans du logiciel LANDGEM)

217

Figure A-14.VI. Donnes spcifiques de Barycz utilises pour la simulation de la

production du biogaz (crans du logiciel LANDGEM)

221

Tableaux

Magorzata Meres X

TABLEAUX


Tableau 1. Gestion du biogaz issu de CDS en France (2002) 10

Tableau 2. Production brute de biogaz (en milliers de tep) et taux de valorisation (en %) en nergie finale dans quelques pays de lUnion europenne en 2002

11

Tableau 3. Densit gravimtrique des dchets mnagers 16

Tableau 4. Rpartition des dchets par nature (Borde-Matin, 2004) 36

Tableau 5. Rpartition des dchets stocks CDS Barycz (janvier 2001) 38

Tableau 6. Comparaison des Centres de Stockage Borde-Matin et Barycz 45

Tableau 7. Comparaison de climat de la Loire et de Maopolska 49


Tableau 8. Rcapitulatif de modles destimation dmission du biogaz 68

Tableau 9. Incertitudes typiques influant sur la modlisation de gnration du biogaz 69

Tableau 10. Extraits de donnes notes sous pilotage manuel de fonctionnement de londuleur (14 mai 2004)

83

3. RESULTATS ET INTERPRETATIONS

Tableau 11. Sommes mensuels dnergie maximale et produite Barycz 99

Tableau 12. Rcapitulatif opratoire 100

Tableau 13. Valeurs des estimes des coefficients des polynmes A et B avec leurs carts-types : 22-23 mai 2002

109

Tableau 14. Paramtres du modle pour lvnement pluvieux du 22-23 mai 2002 110

Tableau 15. Caractristiques des modles des vnements pluvieux tudis 111

Tableau 16. Valeurs des estimes des coefficients des polynmes A et B avec leurs carts-types

115

Tableau 17. Paramtres du modle gnral 115

Tableau 18. Les valeurs Ks calcules, les amplitudes et les valeurs initiales de [CH4] et de Q

118

Tableau 19. Valeurs k et L0 pour Borde-Matin, Barycz II et la littrature 130

Tableau 20. Paramtres utiliss pour lestimation de la production du biogaz au CDS Nontaburi

132

Tableaux

Magorzata Meres XI

ANNEXES

Tableau A-1.I. Exemples des concentrations de plusieurs composants du biogaz 161

Tableau A-2.II. Mesures de donnes biogaz effectues sur le rseau de dgazage

de CDS Barycz de fvrier 2002 juillet 2002 et doctobre 2002 mai

2003

165

Tableau A-3.III. Mesures de donnes biogaz effectues sur le rseau de dgazage

de CDS Barycz doctobre 2003 mai 2004

175

Tableau A-8.IV. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes de 2001

Borde-Matin

195

Tableau A-8.V. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes de 2002

Borde-Matin

196

Tableau A-8.VI. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes de 2003

Borde-Matin

197

Tableau A-8.VII. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes de 2004

Borde-Matin

198

Tableau A-9.VIII. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes de 2001

2004

201

Tableau A-10.IX. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes annuelles de

2002, 2003, 2004 et pour toutes les donnes (de 2002 2004) pour les


205

Tableau A-11.X. Rsultats des calculs de valeurs moyennes pour les donnes

annuelles de 2002, 2003, 2004 et pour toutes les donnes (de 2002

2004) pour les quatre saisons de lanne Borde-Matin

209

Tableau A-12.XI. Rsultats des calculs de corrlations pour les donnes de mars

juin 2003 Barycz

213

Tableau A-16.XII. Rsum des donnes spcifiques de Barycz et Borde-Matin utilises

pour la simulation de la production du biogaz

229

Photos

Magorzata Meres XII

PHOTOS


Photo 1. Compacteur 16

Photo 2. Voiture biogaz 25

Photo 3. Vue vol doiseau du Centre de Stockage Borde-Matin 34

Photo 4. Vue vol doiseau du Centre de Stockage Barycz : I-partie rcultive; II-partie en exploitation; III-partie ouverte dernirement

35

Photo 5. Compacteurs en action CDS Borde-Matin : (A) CAT (poids ~37 tonnes) ; (B) Vandel (poids ~44 tonnes)

38

Photo 6. Stockage des dchets sur: (A) le CDS Borde-Matin ; (B) le CDS Barycz 40

Photo 7. (A) Compacteur BOMAG en action sur le CDS Barycz (poids ~ 32 tonnes) ; (B) vacuation des lixiviats

40

Photo 8. (A) Puits et (B) trois collecteurs principaux CDS Borde-Matin 41

Photo 9. Dgazage de dcharge Barycz : (A) puits en partie rcultive ; (B) station de collecte (pompage et compression)

42

Photo 10. (A) Station Biovale ; (B) Moteur Waukesha 43

Photo 11. Torchres 43

Photo 12. (A) Blocs nergtiques CDS Barycz ; (B) Dtail du moteur Deutz 44


Photo 13. (A) la station de collecte intermdiaire avec des vannes de puits de la partie II de Barycz ; (B) les collecteurs ZB et ZR Barycz

73

Photo 14. Panel de contrle des analyseurs Binos et Oxynos 81

Glossaire

Magorzata Meres XIII

GLOSSAIRE

Glossaire

Magorzata Meres XV

Notation Description Unit

A, B

ai, bj

aF

[CH4]

[CH4]init

[CH4]

cjj

G

k

K

Ks

kWhe

L0

m

Mi

n

nf

nfopt

nfmax

nk

nkopt

Patmo

PN

Pc

pci

PCIdispo

PCIM

Q

Qinit

Q

Qm

QCH4

QN

i, j

rij, rij

sj, sj

s

polynmes de degrs respectifs nf et m

coefficients des polynmes A, B (a0 = 1)

coefficient du filtre de 1er ordre

teneur en mthane

teneur en mthane initiale (dans la relation [CH4] vs. Q)

amplitude de la teneur en mthane (dans la relation [CH4] vs. Q)

coefficient de corrlation entre les variables j et j (mthode ACP)

production totale de biogaz au temps t (quation SWANA)

taux de gnration du mthane

gain statique

coefficient de la relation [CH4] sur Q

kilo-watt-heure lectrique

capacit potentielle de gnration du mthane

ordre du polynme B(z-1)

incrment annuel de la quantit de dchets (quation EPA)

ordre du filtre

ordre du polynme A(z-1) (et du modle)

ordre du modle optimal

ordre du modle maximal

retard pur discret (nombre dchantillons de retard)

retard pur discret optimal

pression atmosphrique

pression atmosphrique dans des conditions normales

pression du biogaz au compresseur Barycz

Pouvoir Calorifique Infrieur (volumique)

Puissance Calorifique Infrieure disponible (totale)

PCIdispo simule (modlise)

dbit du biogaz

dbit du biogaz initial (dans la relation [CH4] vs. Q)

amplitude de dbit du biogaz (dans relation [CH4] vs. Q)

dbit du biogaz (valeur reue des mesures Barycz)

taux de gnration du mthane en temps (quation EPA)

critre quadratique norm

carts-types respectifs de coefficients de polynmes ai, bj

la dure moyenne de lactivit j (j ) de lobservation i

lcart-type de la variable j (j)

constante de temps de croissance du 1er ordre (quation SWANA)

-

-

-

% v/v

% v/v

% v/v

-

m3/an

ans-1

-

-

-

m3/Mg

-

Mg

-

-

-

-

-

-

hPa

1013 hPa

kPa

MJ/m3

kW

kW

Nm3/h

Nm3/h

Nm3/h

m3/h

m3/an

%

-

-

-

ans-1

Glossaire

Magorzata Meres XVI

t

ta

ti

Tc

Td

Td+

Te

TN

U

W

Y

z-1

zpi

temps coul depuis le dbut du stockage (quation SWANA)

temps entre le dbut du stockage et le dbut de la production de gaz

age dincrment i (quation EPA)

temprature du biogaz au compresseur Barycz

retard pur (en temps)

retard pur (avec la correction due lcart entre le temps universel et

Paris )

priode dchantillonnage

temprature dans des conditions normales

constante de temps

mesures (signal) dentres du modle

masse totale des dchets stocks (quation SWANA)

mesures (signal) de sorties du modle

oprateur retard (dun pas dchantillonage)

un ple (racine de A(z-1))

ans

ans

ans

C

h

h

h

273 K

h

-

Mg

-

-

-

ACP

CAA

CDS

COV

DB

DF

DIB

EPA

GE

LANDGEM

LIE

LSE

NMOC

NSPS

OM

R1, R2, R3

STEP

SWANA

tep

ZB

ZR

Analyse en Composantes Principales

ang. Clean Air Act

Centre de Stockage

composs organiques volatils

donnes brutes

donnes filtres

dchets industriels banals

ang. Environmental Protection Agency

groupe lectrogne

ang. Landfill Gas Emission Model

limite infrieure dexplosivit

limite suprieure dexplosivit

ang. non-methane organic carbons

ang. New Source Performance Standards

ordures mnagres

trois rseaux principaux de collecte du biogaz Borde-Matin

station dpuration

ang. Solid Waste Association of North America

tonne equivalent ptrole

collecteur du biogaz de la partie II (en exploitation) de CDS Barycz

collecteur du biogaz de la partie I (rcultive) de CDS Barycz

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

%

%

-

-

-

-

-

-

-

-

-

INTRODUCTION ET CONTEXTE

Magorzata Meres 1



Magorzata Meres 3

La mise en dcharge de dchets mnagers et assimils reste le mode dlimination

prdominant en raison de sa simplicit, mais aussi de son cot moindre que dautres mthodes

(par exemple incinration). Le cot de stockage en France varie entre 38 /tonne et 90 /tonne

en fonction de la taille des sites, alors que le cot de lincinration schelonne de 69 /tonne

137 /tonne et varie en fonction de la capacit nominale de linstallation [ADEME 1998]. Le

cot de stockage en Pologne varie entre 20/tonne et 40/tonne. Afin que des dchets

mnagers puissent tre incinrs ils doivent avoir une valeur calorifique suffisante. La valeur

limite est de 5000 kJ/kg. La majorit des dchets en Pologne est difficilement, voire non

incinrable (dchets organiques, cendres, gravats). La proportion de composants combustibles

est en moyenne gale 27,5%, et la valeur calorifique atteinte peine denviron 3500 kJ/kg,

avec un taux dhumidit suprieur 43%. Il est donc ncessaire daugmenter le pouvoir

calorifique en ajoutant des substances combustibles, par exemple lhuile combustible ou le

mazout. Ceci explique, notamment les cots plus levs que ceux lis au stockage [OTZO

2003].

Ds leur mise en dcharge commence la dcomposition chimique et biologique des

dchets mnagers qui aboutit, au bout dun certain temps, lapparition du biogaz,

essentiellement compos du mthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2). Ce dernier doit

tre capt, collect et brl. Le captage et la valorisation du biogaz des dcharges est une

problmatique de plus en plus importante, compte tenu en particulier dune lgislation de plus

en plus restrictive. Les motivations essentielles en sont les suivantes :

- scurit : tant donn sa haute teneur en mthane, le biogaz doit tre capt

efficacement sur les dcharges afin dviter les risques dinflammation et dexplosion,

- rduction de leffet de serre : le CH4 tant 35 fois plus influent sur leffet de serre que

le CO2 [Bates 1998], il faut le capter et brler,

- rduction des nuisances : olfactives et toxiques,

- contribution aux nergies renouvelables : le biogaz tant considr comme une source

dnergie renouvelable, sa valorisation (en chaleur, nergie lectrique, etc.) constitue

une contribution au dveloppement durable.

Les socits impliques dans la valorisation du biogaz doivent prendre en compte des

contraintes conomiques usuelles , i.e. par exemple lamortissement le plus rapide possible

de linvestissement en quipement de valorisation et le retour conomique. Afin datteindre ce

but, il est essentiel de disposer dun biogaz de qualit et quantit les plus levs et stables

possible, i.e. de teneur en CH4 et de dbit idalement - constants. Toutefois, la production du

biogaz et sa qualit sont sous linfluence significative des paramtres environnementaux, tels


Magorzata Meres 4

que la mto (prcipitation, temprature, pression,) et la nature des dchets (proportion des

composs organiques, humidit). Ces paramtres sont dautant plus variables que la

dcharge (Centre de Stockage, CDS) est en fonctionnement.

Ce travail a pour objectif essentiel de comprendre et dexpliquer la dynamique des

processus lis la production du biogaz. Le comportement du biogaz dans la masse des

dchets (transfert, composition, ) et les relations avec un ensemble de paramtres extrieurs

(paramtres mtorologiques et dexploitation, interventions doprateurs) sont tudis, afin de

proposer des outils doptimisation de lexploitation et de la valorisation du biogaz.

Pour atteindre ces objectifs, des mesures, des informations et des connaissances acquises

sur deux Centres de Stockage en fonctionnement (en France et en Pologne) ont t obtenues.

Les aspects dvelopps dans cette thse focaliseront sur les points suivants :

identification dinfluence (tendances) des paramtres mtorologiques et des paramtres

dexploitation aprs avoir pris en compte et/ou sparer les interventions des oprateurs;

tude critique croise des relations court terme (heures, jours) entre les paramtres

mtorologiques et la production et le comportement du biogaz, ainsi quentre sa qualit

(teneur en mthane) et sa quantit (dbit) : estimation et identification de modles

quantitatifs, prise en compte de leurs contraintes et limites ;

tude des relations moyen terme (mois, anne) : recherche des corrlations ;

estimation de la production du biogaz ( long terme : annes) ;

mise en avant et explicitation des relations (corrlations) trouves ;

propositions des futures dmarches doptimisation et dapprofondissement des

connaissances.

Ce manuscrit comporte quatre parties :

La premire partie prsente ltude bibliographique du sujet en dcrivant la

problmatique des Centres de Stockage, les caractristiques du biogaz et les sites retenus.

La deuxime partie introduit la mthodologie danalyse et de modlisation employe

dans le cadre de la thse, ainsi que les contraintes et les difficults rencontres.

La troisime partie du manuscrit montre les rsultats des tudes ralises et leurs

interprtations.

La conclusion, rcapitule lensemble des rsultats et propose des prospectives.


Magorzata Meres 5

1. POSITION DE LA PROBLMATIQUE

1.1. Les Centres de Stockage (CDS) : exploitation, problmatique et risques

Magorzata Meres 7


1.1.1. Introduction

Situation en France

La quantit de dchets stocks en France est en lgre diminution (de 24,9 millions de

tonnes en 2000 23,7 millions de tonnes en 2002). En anne 2002 prs de 50% des dchets

gnrs ont t stocks (mis en dcharge). Cette anne-l, 361 Centres de Stockage (CDS) ont

reu 23,7 millions de tonnes de dchets dont 42% dordures mnagres. Entre 2000 et 2002,

on observe pour la premire fois une diminution sensible des dchets enfouis (Figure 1). On

observe galement une diminution de la quantit dordures mnagres stockes (Figure 2)

[ADEME(a) 2002, ADEME(b) 2002].

Fig. 1. volution des quantits des dchets stocks en France

Cette volution est lie la loi de juillet 1992 qui impose la possibilit de ne mettre en CDS

que les dchets ultimes partir de juillet 2002 [JO 1992]. Les dchets ultimes sont les dchets

issus de diffrents modes de traitement, refus de compostage, refus de tri, ainsi que les

dchets primaires qui nont pas pu tre traits dans des conditions techniques ou conomiques

acceptables. On constate galement la diminution du nombre de Centres de Stockage avec la

fermeture de sites de petite taille non conformes (Figure 3).


Magorzata Meres 8

Fig. 2. Quantits de dchets enfouis selon la nature des dchets, en France, en millions de

tonnes

Fig.3. volution du nombre de CDS et de leur part (%) par rapport lensemble des

installations de traitement


Magorzata Meres 9

Situation en Pologne

La quantit de dchets produits en Pologne a augment de 10% dans des annes 1990-

2001 (de 10,2 millions tonnes 11,1 millions tonnes). Actuellement 95% de ces dchets sont

stocks dans des Centres de Stockage (CDS). En 2001 seulement 2,8% de dchets ont t

composts et 3,1% ont t tris, dont : papier (0,4%), verre (0,77%), plastique (0,12%), mtal

(0,06%) et dautres matriaux (0,04%) [GIOS 2003]. Rcemment on a estim que, sur un

millier de CDS actuellement existants, environ 300 seront ferms jusqu 2006. On observe la

tendance douverture des grandes dcharges et en mme temps de diminution du nombre

total. Jusquen 2006 il sera cre 50 nouvelles dcharges et partir de 2007 jusquen 2014 il y

aura 50 CDS nouveaux tandis que dautres seront ferms [Sieja 2004]. Au cours des dernires

annes (1996-2001) le nombre de CDS a augment de 884 1036. A la fin danne 2001, les

CDS en exploitation avaient une superficie totale de 3206,8 ha soit 580 ha de plus quen 1990

(Figure 4) [GIOS 2003].

Fig. 4. La superficie totale des Centres de Stockage (CDS) en Pologne (ha)

Gestion des CDS

En mme temps, on observe lamlioration des conditions de stockage (mise aux

normes) et le dveloppement de la valorisation du biogaz. En Pologne, en 2000, seulement 96

(moins de 10%) des CDS en exploitation avaient une installation de dgazage, dont 75

mettaient le biogaz dans latmosphre sans valorisation, 5 le brlaient dans des brleurs


Magorzata Meres 10

individuels et 2 dans des torchres. Le biogaz tait valoris en nergie thermique sur 2

dcharges, et en nergie lectrique sur 11 [Grabowski 2002]. La situation de la gestion du

biogaz issu de CDS en France en 2002 est illustre par le Tableau 1 [ADEME(a) 2002].

Tableau 1. Gestion du biogaz issu de CDS en France (2002)

(donnes de base : 361 sites et 23,7 Mt de dchets mnagers et assimils) [ADEME(a) 2002]

CAPTAGE BIOGAZ

OUI

201 sites soit 55,7%

19,3 Mt soit 81,4%

NON

131 sites soit 36,3%

3,4 Mt soit 14,3%

SANS-REPONSE

29 sites soit 8%

1,0 Mt soit 4,3%

BRLAGE TORCHRE VALORISATION BIOGAZ

178 sites soit 89%

18,4 Mt soit 96%

30 sites soit 15%

7,0 Mt soit 36%

238 GWh vendus

En 2002, la France se positionnait au troisime rang europen de la production de

biogaz renforce par un taux de progression spectaculaire de 58,5 % par rapport 2001. Cela

sexplique par la mise en service de plusieurs nouveaux sites, notamment 12 Centres de

Stockage contrls entre 2001 et 2002. En revanche, le taux de valorisation en nergie finale

du biogaz en France est au-dessous de la moyenne des pays de lUnion europenne (30%

contre 37%). Les pays qui prsentent le meilleur taux de valorisation sont le Danemark et

lAllemagne avec plus de 50% chacun (Tableau 2). La France sillustre surtout par la sous-

valorisation de son potentiel qui est estim 3,5 millions de tep*, soit le plus important

dEurope. Signalons la position de la Pologne, le nouveau membre de lUnion europenne,

qui avec 62 ktep se situe au niveau du Danemark soit au 8e rang europen [EurObservER

2003].

* tep tonne equivalent ptrole


Magorzata Meres 11

Tableau 2. Production brute de biogaz (en milliers de tep) et taux de valorisation (en %) en

nergie finale dans quelques pays de lUnion europenne en 2002

Pays Production

(2001)

Production

(2002)

Croissance,

%

Taux valorisation,

%

Grande-Bretagne

Allemagne

France

Espagne

Italie

Pays-Bas

Sude

Danemark

Pologne

Autriche

Belgique

Grce

Irlande

Finlande

Luxembourg

Portugal

904

600

196

134

153

161

112

73

57

56

45

33

28

18

2

1

952

659

310

168

155

134

115

62

62

59

56

42

28

18

2

2

5,2

9,9

58,5

25,2

1,2

-17,0

2,5

-14,5

8,0

5,0

25,0

28,7

0,0

0,0

0,0

100

31

55

30

26

33

43

21

59

31

40

21

15

33

30

*

*

Total 2653 2824

* le dtail des donnes recueillies ntait pas suffisant

La mise en dcharge de dchets municipaux reste encore le principal mode

dlimination dans le monde. En mme temps laugmentation proccupante de la quantit de

dchets municipaux produits explique les problmes croissants pour trouver des localisations

pour les Centres de Stockage (CDS). La Figure 5 indique la quantit de dchets municipaux

produits dans diffrents pays en 2000/2001 [Krajewski 2002, EPA 2004(a), Recy.net 2000].


Magorzata Meres 12

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Pologne

Rpublique Tchque

Grce

Espagne

Estonie

Japon

Portugal

Hongrie

Luxembourg

Suisse

Italie

Finlande

Grande Bretagne

Slovnie

Chypre

Irlande

Belgique

Allemagne

Danemark

Pays - Bas

France

Autriche

Etats-Unis

Fig. 5. La quantit de dchets municipaux produits dans diffrents pays (kg/habitant/an)

Il est donc ncessaire, dabord de rduire la production des dchets, ensuite de les recycler,

puis de les composter et enfin de rcuprer et valoriser lnergie issue du traitement des

dchets. Cela permettra de prserver les ressources naturelles, de limiter les impacts ngatifs

sur lenvironnement et de matriser les charges financires lies la gestion des dchets.

Les dchets contiennent la biomasse et participent donc la production des nergies

renouvelables. Le recours aux nergies renouvelables est une partie intgrante de la stratgie

de lUnion europenne pour rduire de 8% ses missions de gaz effet de serre par rapport

1990 (conformment au protocole de Kyoto). Produire de llectricit partir du biogaz

pourrait aider la France satisfaire lobjectif fix par la directive sur la production de

llectricit partir des nergies renouvelables. La France devrait passer de 15% dlectricit

dorigine renouvelable actuellement (hydrolectricit, marmotrice, olienne, biogaz, )

21% en 2010, selon les prvisions [ADEME(c) 2002, Dossier 2001, Solagro 2000]. Pour

adapter les normes en Pologne aux recommandations de la Commission europenne, une


Magorzata Meres 13

Stratgie du Dveloppement de lnergie Renouvelable a t labore. Elle a t adopte par

le Gouvernement en septembre 2000 et vote par le Parlement en aot 2001 [Oniszk

Popawska 2003]. Actuellement, lnergie lectrique qui provient des sources renouvelables

constitue environ 2,5% de la consommation en Pologne. Cette contribution provient surtout

de lnergie hydraulique et de la biomasse. Le but de la stratgie est laugmentation de la

proportion des ressources dnergie lectrique renouvelables jusqu 7,5% en 2010 et jusqu

14% en 2020. Ces valeurs ont t estimes sur la base de potentiel des sources dnergie

renouvelable en Pologne et lutilisation de ces sources jusqu prsent [Ciupryk 2004,

Paczosa 2003].

Rglementation

Le dveloppement de lindustrie des CDS (rcupration et drainage du biogaz et des

lixiviats, valorisation du biogaz, ) a impliqu lapparition de plusieurs rglementations qui

sappliquent aux dcharges et particulirement au biogaz, aussi bien en Pologne quen

France :

1. Pologne [Ustawa 2001a, Ustawa 2001b, Ustawa 2001c, Ustawa 1997, Rozporzdzenie

2003(a), Rozporzdzenie 2003(b)]

La loi sur lnergie du 10 avril 1997 (aprs mises jour)

Cette loi fixe les rgles de mise en application de la politique nergtique en Pologne,

les rgles et les modalits dalimentation et dexploitation des carburants et de lnergie, dont

la chaleur, et dactivit des entreprises nergtiques. Elle introduit, entre autres, lobligation

dacheter llectricit produite partir des sources dnergie renouvelable par des entreprises

nergtiques qui produisent llectricit et qui la vendent aux consommateurs.

La loi sur les dchets du 27 avril 2001 (aprs mises jour)

Elle contient des recommandations concernant : la prvention et la rduction de la

production des dchets, la rcupration des matriaux valorisables, llimination des dchets

(sauf stockage), le stockage des dchets dans les conditions minimalisant leur influence sur

lenvironnement et sur la sant des hommes.

La loi sur la protection de lenvironnement du 27 avril 2001 (aprs mises jour)

Cette loi fixe les rgles de la protection de lenvironnement et les modalits

dexploitation des ressources naturelles, en tenant compte des exigences du dveloppement


Magorzata Meres 14

durable. Elle fixe, en particulier, les rgles de la protection des ressources naturelles (air, eau,

terre, minraux, animaux et plantes), de lintroduction des substances ou de lnergie

lenvironnement (entre autres : le stockage de dchets) et des cots dexploitation de

lenvironnement.

La loi sur les emballages et les dchets demballage du 11 mai 2001 (aprs mises jour)

Cette loi, applique aux fabricants et importateurs, induit lobligation de rduire le

volume et la masse des emballages au minimum indispensable et de concevoir et mettre en

place des emballages rutilisables ou recyclables, tels que dfinis dans la Loi sur les dchets

ci-dessus. Les emballages doivent tre produits en utilisant des technologies qui minimisent

lutilisation des substances nocives, surtout des mtaux lourds.

Larrt du 24 mars 2003 au domaine dexigences dtailles concernant la localisation, la

construction, lexploitation et la fermeture des dcharges de diffrents types

Cet arrt induit, entre autres, lobligation de mise en place sur des Centres de Stockage

des dchets biodgradables une installation de dgazage et de valorisation nergtique du

biogaz ou des torchres pour le brler.

Larrt du 30 mai 2003 relatif au domaine dtaill dobligation dachat de llectricit et de

la chaleur issus des sources de lnergie renouvelable et de llectricit produite en

cognration de chaleur.

Il prcise les sources de lnergie renouvelable (notamment lnergie issue du biogaz),

les obligations de rachat de llectricit et de la chaleur issus des sources de lnergie

renouvelable et la proportion minimale de lnergie renouvelable dans lnergie totale vendue

aux utilisateurs.

2. France [ADEME 1999, ADEME 2001, CUE 1999, JO 1992, JO 1997, JO 2000, JO 2001,

MEDD 2002]

La loi sur les dchets du 13 juillet 1992

Cette loi impose la possibilit de ne mettre en CDS que les dchets ultimes partir de

juillet 2002. Or, puisque jusqu cette date, toutes les conditions nont pas t remplies, le

Ministre de lcologie et du dveloppement durable a donn pour instruction aux prfets de ne

pas interdire la mise en dcharge de dchets nentrant pas dans cette catgorie, et de faire le

point sur les actions engages en vue datteindre lobjectif fix par la loi.


Magorzata Meres 15

Larrt du 9 septembre 1997 relatif aux dcharges existantes et aux nouvelles installations

de stockage de dchets mnagers et assimils (aprs mises jour)

Cet arrt confirme lobligation de captage du biogaz dj prvue dans la circulaire et

linstruction technique du 11 mars 1987. Il impose la recherche des solutions de valorisation

de cette nergie, oblige sa destruction par voie thermique pour des raisons de nuisances

olfactives, de scurit et de prvention de pollution atmosphrique, notamment de leffet de

serre.

Directive du Conseil de lUnion europenne du 26 avril 1999

Selon cette directive seules les activits de mise en dcharges sres et contrles doivent

tre menes dans la Communaut. Elle prcise plusieurs dispositions concernant le biogaz, en

particulier la rduction de la quantit de dchets biodgradables stocks en dcharge,

lobligation de capter et valoriser ou brler en torchre le biogaz sur les sites qui reoivent des

dchets biodgradables, la matrise du gaz pour viter la migration.

La loi du 10 fvrier 2000 relative la modernisation et au dveloppement du service public

de llectricit (aprs mises jour)

Cette loi applique EDF (lectricit de France) induit lobligation dacheter

llectricit produite par les installations qui valorisent des dchets mnagers ou assimils

(prix dachat de llectricit produite par la valorisation du biogaz de dcharge : de 4,5 5,7

c/kWh HT selon la puissance, prix de vente aux particuliers en janvier 2003 : ~9,5 c/kWh

HT).

Arrt du 3 octobre 2001 fixant les conditions dachat de llectricit produite par les

installations qui valorisent des dchets mnagers ou assimils en utilisant le biogaz de

dcharge

Cet arrt fixe les conditions dachat de llectricit produite par des installations

concernes par la loi du 10 fvrier 2000, qui valorisent, en utilisant le biogaz de dcharge, des

dchets mnagers ou assimils.


Magorzata Meres 16

1.1.2. Exploitation de Centre de Stockage (CDS)

1.1.2.1. Compactage

Les fermetures des dcharges non conformes la rglementation ont entran une

augmentation des quantits stockes dans les sites autoriss. De plus, les ouvertures de

nouveaux sites de taille importante conformes aux normes en vigueur sont difficiles en raison

de lopposition des populations riveraines (attitude NIMBY Not In My Back Yard). Cette

situation provoque la ncessit de croissance de capacits annuelles des Centres de Stockage

en activit. Les conditions du terrain qui limitent la superficie des Centres de Stockage

obligent lamlioration des technologies de la valorisation et du stockage de dchets. En

consquence le stockage de dchets devient une activit industrielle part entire dun degr

de technicit toujours croissant.

Une des mthodes pour prolonger la dure de vie dun Centre de Stockage en gagnant

de la place pour des dchets est le compactage qui rduit le volume de dchets stocks

(Tableau 3) [Wilson 2003]. Pour le compactage des dchets sur un Centre de Stockage on

utilise des compacteurs (Photo 1).

Tableau 3. Densit gravimtrique des dchets mnagers

Lieu de placement des dchets Densit, Mg/m3

Poubelle 0,15

Camion 0,35

Centre de Stockage (aprs compactage) 0,65 0,80

CDS Borde-Matin 1,10 1,20

Photo 1. Compacteur ( Photo K.Szafnicki, ENSM.SE)


Magorzata Meres 17

Les paramtres suivants influent sur lefficacit de compactage :

1. Force de compactage [Vandel 2003]

La qualit de compactage est directement lie au poids de chaque machine et la largeur

cumule de ses rouleaux. Le rapport : poids en kG sur largeur totale des rouleaux en cm

donne la force de compactage (Figure 6).

POIDS, tonnes

FORCE DE COMPACTAGE

20 25 30 35 40 45 50 55 60

60 kG/cm

65 kG/cm

70 kG/cm

75 kG/cm

80 kG/cm

85 kG/cm

90 kG/cm

95 kG/cm

100 kG/cm

105 kG/cm

Fig. 6. Force de compactage des compacteurs en fonction de leur poids (note : 1 kG ~ 9,8 N)

2. Construction de compacteur [Tana 2003, CAT 2004]

Pour obtenir un compactage efficace il est indispensable de maximiser la superficie de

contact : roues de compacteur dchets. On distingue trois types de compacteurs en fonction

de nombre de roues : 2-, 3- et 4-rouleurs. Des compacteurs avec deux roues peuvent avoir

lefficacit de compactage plus grande de 100% que des compacteurs avec quatre roues

(Figure 7).

(A) (B) (C)

Fig. 7. Efficacit de compactage pour un compacteur avec : (A) 2 ; (B) 3 et (C) 4 roues


Magorzata Meres 18

La Figure 8 montre deux exemples des points de roues de compacteur.

(A) Spcification : Largeur de tambour 1200 mm Diamtre de tambour 1532 mm

Diamtre avec des points 1732 mm

Points par roue 45

(B) Spcification : Largeur de tambour 1200 mm Diamtre de tambour 1532 mm

Diamtre avec des points 1850 mm

Points par roue 25

Fig. 8. Roues de compacteur ( CAT) :

(A) Points de traction souds : ddis aux superficies geles ou pntration difficile ;

(B) Points plus : procurant une meilleure stabilit en terrains pentus. Auto-nettoyants

3. Nombre de passages [TANA 2003]

Les diffrents types des dchets exigent diffrent nombre de passages pour atteindre le

meilleur compactage. La Figure 9 prsente des fonctions gnrales des passages de

compacteur.

(A) talement et compactage

de la nouvelle couche des

dchets

(B) talement et compactage

complet des dchets

(C) Blocage de la surface

compacte grce aux points de

traction

Fig. 9. Consquences des passages de compacteur ( TANA)


Magorzata Meres 19

4. Technique de compactage [BOMAG 2004]

La Figure 10 illustre diffrentes techniques du compactage de dchets.

A. talement en couche fine horizontale (max. 30 cm) = maximum de compactage

B. talement en pente descendante = bon compactage

C. talement en pente montante = bon compactage

D. Comblement (alvole, fosse) = compactage faible

Fig. 10. Techniques du compactage des dchets ( BOMAG)

Ecrasement Etalement Dchargement

Ecrasement brut Dchargement

~ 10 - 20 m Dchargement et compactage

Ecrasement brut Dchargement

~ 10 - 20 m Dchargement et compactage

Ecrasement - Etalement Dchargement

Recouvrement Comblement

Boues, dchets

encombrants


Magorzata Meres 20

1.1.2.2. Dgazage

En raison des risques, des migrations possibles de gaz et de la pollution de

lenvironnement, le captage du biogaz (cest--dire un systme de drainage des gaz interne au

massif de dchets) et son limination contrle sont obligatoires [JO 1997, Rozporzdzenie

2003(a)]. Lors du dgazage, un systme adapt de captage du gaz de dcharge force une

aspiration du gaz en provoquant une lgre dpression lintrieur du corps de dcharge. La

conception gnrale dun rseau de collecte du biogaz est prsente sur la Figure 11 [Billard

2001].

(A) (B)

Fig. 11. Exemple de rseau de dgazage : (A) Schma gnral, (B) Photo exemple rel en

surface ( Photo K.Szafnicki, ENSM.SE)

On distingue deux catgories de collecte du biogaz : un systme puits verticaux et un

systme puits horizontaux [ADEME 2001, Billard 2001, Lemaski 1992] .

Systme puits verticaux

Un puits vertical de collecte du biogaz est prsent sur la Figure 12.


Magorzata Meres 21

(A) (B)

Fig. 12. Puits vertical de collecte du biogaz : (A) Schma gnral, (B) Photo exemple rel

( Photo Satrod)

Les puits peuvent tre creuss ou fors aprs le dpt des dchets ou construits en cours

dexploitation. Lespace entre le tube de captage perfor et le puits doit tre rempli de gravier.

Il est recommand dutiliser les tubes en polythylne en raison de leur rsistance la

corrosion et de leur plasticit. Le tube doit tre quip dun dispositif tlescopique pour

compenser le tassement des dchets. Pour viter les entres dair par le puits, il faut installer

une couche impermabilisante (argile, ) autour de la partie tlescopique.

Systme puits horizontaux

Un puits horizontal de collecte du biogaz est prsent sur la Figure 13 [Billard 2001].

Fig. 13. Puits horizontal de collecte du biogaz


Magorzata Meres 22

Les puits dextraction horizontaux sont installs pendant le dpt des dchets, donc ils doivent

pouvoir rsister la masse dun compacteur ou dun bulldozer. Pour rsister la pression

verticale ces tubes sont entours dune paisse couche de gravier. Ils peuvent remplir deux

fonctions : soit ils constituent le systme principal de collecte du gaz, soit ils constituent

des auxiliaires des drains verticaux auxquels ils sont connects.

Les puits sont connects aux collecteurs qui permettent de transporter le gaz drain, vers

la station de pompage puis la station de traitement. Ces collecteurs doivent rsister aux

agressions chimiques et aux rayonnements ultraviolets, et ils doivent tre flexibles.

La station de pompage aspire le gaz dans le massif de dchets et le refoule vers lunit de

valorisation ou dlimination. Llment central est le compresseur, capable de crer une

dpression en amont et une surpression en aval.

Avant de valoriser ou liminer du biogaz il est ncessaire dliminer les condensats. Ils sont

limins dans un sparateur, stocks dans une cuve de rception, le plus souvent enterre, et

soit envoys vers une station dpuration, soit mis en recirculation dans le massif de dchets

[ADEME 2001].

1.1.2.3. Valorisation du biogaz

Le biogaz collect de la masse de dchets, pur de condensats est enfin achemin vers

lunit dlimination (torchres) ou/et de valorisation. La Figure 14 prsente lensemble dune

installation de collecte, transport et limination du biogaz [Pro2 2003].

Fig. 14. Installation de collecte, transport et limination du biogaz ( Pro 2)


Magorzata Meres 23

Llimination du biogaz est ralise par la combustion dans des torchres. Elle a pour

fonction de convertir les composs inflammables ou toxiques du gaz en composs inertes ou

peu toxiques. Il existe deux types de torchres : les torchres ouvertes ( flamme visible) et

les torchres fermes ( flamme invisible) [ADEME 2001, Billard 2001].

Torchre ouverte

La flamme est visible de lextrieur et le bon droulement de la combustion est constat

par linspection visuelle de cette flamme. La temprature de flamme est basse et la qualit de

combustion est mdiocre. Ce type de torchre accepte dimportantes variations de dbit et de

qualit du biogaz (e.g. teneur en CH4).

Torchre ferme

La combustion seffectue dans une chambre de combustion, la flamme nest pas visible

de lextrieur. La qualit de la combustion se mesure par le taux de monoxyde de carbone

dans les gaz de combustion. La temprature de combustion est plus leve (minimum 900C)

et la dure de brlage plus longue que dans une torchre ouverte, donc la combustion est

meilleure.

Les torchres peuvent tre utilises pour lincinration de la totalit du gaz produit (sans

valorisation), mais aussi pour lincinration de gaz non consomms par lutilisateur final (si

valorisation).

La valorisation du gaz procure une image positive aux installations de stockage de

dchets, qui deviennent ainsi des sites de valorisation nergtique dune nergie renouvelable.

Diffrents types de valorisation sont possibles : la production de chaleur, la production

dlectricit, la purification du gaz en vue de son utilisation comme carburant pour les

vhicules automobiles, la purification du gaz en vue de linjection dans le rseau de transport

ou de distribution de gaz naturel [ADEME 1999, Bereza 1999, Mortgat 1998].

La production de chaleur

La combustion est un moyen de valorisation le mieux adapt au biogaz. Le procd est

simple et nexige pas un grand investissement. La composition du biogaz importe peu,

condition quil comporte au moins 20% de mthane. Ce type dapplication saccommode bien

de gaz haute teneur en H2S, condition que les matriaux constituant les quipements soient

suffisamment rsistants.


Magorzata Meres 24

La production dlectricit

Cette voie ncessite des investissements plus lourds, mais les groupes lectrognes

peuvent aussi fournir de la chaleur (cognration) ce qui permet damliorer nettement la

rentabilit de lopration. Lefficacit maximale en lectricit des groupes lectrognes

fonctionnant au biogaz atteint actuellement 40%. La Figure 15 prsente une station de

cognration [Pro2 2003]. Llectricit ainsi produite peut tre revendue. La composition du

biogaz ncessite au moins 40% de mthane. Le traitement du biogaz envisager dpend de la

solution retenue ( moteurs biogaz , turbine vapeur , ). En gnral il est suffisant de

le dsulfurer et de dshydrater.

(A) Socit Pro 2 (B)

Fig. 15. Exemple de station de cognration : (A) Schma gnral, (B) Photo de la station de

cognration de Vienne (38) entoure dune paroi insonorisante ( Photo K.Szafnicki, ENSM.SE)

La production de biogaz carburant

Les investissements raliser sont onreux lis la ncessit dune purification plus

pousse, mais peuvent tre rapidement (~10 ans) amortis pour les grandes agglomrations.

Composition du biogaz ncessite au moins 50% de mthane. Il est ncessaire de le

dbarrasser, en particulier, de leau, du H2S et du gaz carbonique. La Photo 2 prsente

lexemple dune voiture biogaz pour le transport en commun [Bucksch 1999, Murphy 2004,

Sortir du Nuclaire 2003].


Magorzata Meres 25

Photo 2. Voiture biogaz ( Photo Sortir du Nuclaire)

Linjection dans le rseau de gaz naturel

Le biogaz peut tre inject dans le rseau de gaz naturel condition quil rponde aux

spcifications de qualit du gaz distribu. Il doit donc tre pur de leau, de lhydrogne

sulfur, des composs organo-halogns tels que drivs chlors et fluors, qui peuvent se

transformer en acides trs corrosifs et avoir un impact sanitaire ngatif lors de la combustion.

Vu les surcots gnrs par ce niveau dpuration, cette solution est peu rpandue.


Magorzata Meres 26

1.1.3. Caractristiques du biogaz

Le biogaz est un gaz combustible, compos principalement de mthane et de gaz

carbonique, qui provient de la dcomposition des matires organiques selon un processus de

fermentation anarobie. Il existe plusieurs sources possibles de biogaz [Mortgat 1998]:

- les boues des stations dpuration (STEP). Le biogaz provient des matires organiques

contenues dans les eaux uses. Cest un gaz riche en mthane, en hydrogne sulfur mais

aussi en composs organiques volatils (COV) et en mtaux lourds, provenant du recueil

des eaux pollues par le lessivage des routes par la pluie;

- les biogaz industriels ou agricoles (des industries agroalimentaires, le lisier de porc) ;

- les biogaz des units spcifiques de mthanisation lie au compostage. Normalement, il

ny a pas de biogaz en cas de compostage, puisque ce dernier ncessite, au contraire de la

mthanisation, un traitement avec apport dair. Mais il existe aujourd'hui des procds

mixtes qui permettent de produire la fois de lengrais organique et du biogaz ;

- le biogaz des Centres de Stockage (CDS). Les dcharges produisent spontanment du

biogaz car des dchets fermentescibles y sont dposs, mais ce gaz est trs alatoire dans

sa composition en raison des irrgularits des apports de dchets en quantit et en qualit.

Le biogaz peut tre produit des rythmes diffrents, pendant plusieurs (dizaines)

dannes.

1.1.3.1. tapes de production du biogaz

La dcomposition de la matire organique (biomasse) se droule en deux tapes

essentielles. La premire tape est arobie et la seconde anarobie. La dcomposition arobie

se produit ds lenfouissement des dchets, en prsence doxygne, suivie de la

dcomposition anarobie en absence doxygne, pendant une priode de temps plus longue.

Cette dernire peut tre subdivise en quatre phases.

La dgradation arobie de la matire organique [Chiriac 2001, Gourdon 2002, Lisk 1991]

Cette tape, durant quelques semaines ou mois, implique la dcomposition arobie avec

la consommation de loxygne prsent dans des dchets au moment du dpt. La matire

organique polymrique est dabord dcompose par des microorganismes en oligomres et

monomres qui sont ensuite dgrads avec production de CO2 , dH2O et dnergie. Lnergie


Magorzata Meres 27

libre pendant cette tape est utilise pour laccroissement exponentiel du nombre de

microorganismes (loi de Monod, 1942).

La dgradation anarobie de la matire organique [ADEME 1999, Chiriac 2001, Gourdon

2002]

Cette tape est le mtabolisme prdominant dans les dcharges parce que la pntration

doxygne dans la masse de dchets est trs faible surtout aprs leur recouvrement. On peut

distinguer quatre phases dans la dgradation anarobie : lhydrolyse, lacidognse,

lactognse et la mthanognse qui sont prsentes sur la Figure 16.

Fig. 16. Les phases de la dcomposition des dchets


Magorzata Meres 28

Hydrolyse les macromolcules organiques (polysaccharides, protines, composs

lipidiques) sont hydrolyses en lments plus simples, tels que sucres simples, acides amins,

acides gras courtes chanes, glycrol.

Acidognse les substrats issus de la phase dhydrolyse sont transforms par les bactries en

acides gras volatils, alcools, ammoniac, gaz carbonique et hydrogne.

Actognse les acides gras volatils (autres que lacide actique) sont transforms par les

bactries rductrices actognes en actate, hydrogne et gaz carbonique.

Mthanognse les substrats issus de la phase dhydrolyse sont rduits par les bactries en

mthane et dioxyde de carbone.

1.1.3.2. Compositions du biogaz

Provenant de la fermentation anarobie de la matire organique, le gaz de dcharge est

compos principalement du mthane (~55%) et du gaz carbonique (~40%), et est

gnralement satur en vapeur deau. Il contient galement dautres gaz issus de la

fermentation prsents en traces, (H2S, H2, mercaptans, ) ou les composs qui se trouvent

dans des dchets et qui sont aspirs avec le biogaz (hydrocarbures aliphatiques et

aromatiques, composs halogns, siloxanes, mtaux sous forme volatile, ) [ADEME 2001,

Allen 1997, Christensen 1996] :

Mthane (CH4) cest un gaz inodore et incolore, plus lger que lair. Il est inflammable :

entre 5% et 15% de concentration volumique (v/v) dans lair le mlange gazeux est explosif.

pci* volumique du mthane = 35,88 MJ/m

3, pci massique = 50,04 MJ/ kg.

Dioxyde de carbone (CO2) cest un gaz inodore et incolore, plus lourd que lair. Il nest ni

inflammable ni toxique. En revanche, il diminue la teneur en oxygne ce qui peut provoquer

lasphyxie.

Hydrogne sulfur (H2S) cest un gaz avec une odeur caractristique dite duf pourri

(dtectable partir de 0,7 ppm, partir de 150 ppm il inhibe lodorat), plus lourd que lair. Il

est inflammable et trs toxique. Il provoque nauses, cphales et vomissements. A haute

concentration (>700 ppm) il affecte le systme nerveux central et provoque la mort.

* Pouvoir Calorifique Infrieur

Le pouvoir calorifique massique ou volumique reprsente la quantit dnergie dgage par unit de masse ou de

volume du carburant lors de la raction chimique de combustion complte conduisant la formation de CO2 et

H2O. On distingue le pouvoir calorifique suprieur (PCS) et le pouvoir calorifique infrieur (PCI) selon que leau

obtenue par combustion se trouve ltat liquide ou ltat gazeux [Guibet 2000].


Magorzata Meres 29

Mercaptans (SxHy) ce sont des composes organiques soufrs qui sont trs malodorants et

souvent toxiques.

Composs organiques volatils (COV : hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, composs

halogns) certains COV sont toxiques, en particulier le benzne qui est cancrigne.

En ce qui concerne linfluence sur lenvironnement, les composs halogns sont les

composants traces les plus nocifs. Les composs chlors provoquent la corrosion acclre

des moteurs.

Les exemples des concentrations de plusieurs composants du biogaz sont prsents en Annexe

1 [Allen 1996, Bergier 1999, Gaj 1999 ].

1.1.3.3. Paramtres influenant la production du biogaz

Il y a beaucoup de facteurs qui influent sur la production du biogaz. Selon lEPA (USA :

Environmental Protection Agency) la production du mthane dans une dcharge dpend de

cinq facteurs principaux [EPA 1999 ] :

1. Quantit de matire organique

La quantit de matire organique, telle que les dchets de papier, alimentaires et de

jardin, disponibles pour des micro-organismes qui produisent le mthane, est le facteur le plus

significatif pour la gnration du mthane dans une dcharge. La capacit de production du

mthane dans une dcharge est directement proportionnelle la quantit des dchets

organiques. La gnration du mthane augmente puis se stabilise pendant que la dcharge

continue recevoir les dchets et diminue graduellement aprs que la dcharge cesse de

recevoir des ordures. Cependant, les dcharges peuvent continuer produire du mthane

pendant de nombreuses annes aprs la fermeture.

2. Substances nutritives

Les bactries qui produisent du mthane ont besoin de l'azote, du phosphore, du soufre,

du potassium, du sodium et du calcium pour la croissance des cellules. Ces substances

nutritives proviennent principalement des dchets.

3. Niveau d'humidit

Les bactries ont galement besoin d'eau pour la croissance des cellules et pour les

ractions mtaboliques. Les dcharges peuvent recevoir de l'eau de diffrentes provenances :

de la prcipitation, des dchets, de l'infiltration d'eau de surface, de l'infiltration deau

souterraine et de l'eau produite par dcomposition ainsi que par la rcirculation des lixiviats.


Magorzata Meres 30

4. La temprature

Les tempratures leves (en gnral dans la masse des dchets : 30-40C) dans une

dcharge facilitent la croissance des bactries qui produisent le mthane. La temprature des

dchets dans une dcharge dpend de la profondeur de la dcharge, du nombre de couches

couvrant la dcharge, et du climat (prs de la surface).

5. pH

Le mthane est produit dans un milieu neutre (prs de pH 7). Le pH de la plupart des

dcharges est entre 6,8 et 7,2. Au-dessus du pH 8, la production du mthane est trs faible.

Farquhar et Rovers (1973) ont dvelopp une reprsentation schmatique des facteurs

qui influent sur la production des gaz dans des dcharges. Ceci est dcrit sur la Figure 17, et

illustre comment des facteurs divers peuvent interagir en affectant finalement lmission des

gaz des dchets dcomposs [Farquhar 1973].

Fig. 17. Influences des diffrents facteurs sur la production du gaz de dcharge

Par exemple, avec les facteurs du groupe A, qui concernent lenvironnement microbien

immdiat, les auteurs expliquent que la diminution de la temprature rduirait la production

du CH4. Ceci mnerait laccumulation des acides organiques qui diminuerait lalcalinit et


Magorzata Meres 31

le pH. Ces conditions rduiraient la production du CH4. Le facteur du groupe B :

linfiltration, influe sur la plupart des facteurs dans le groupe A. Plusieurs facteurs du groupe

C peuvent tre influencs par la prparation et le fonctionnement de la dcharge, et aussi ils

peuvent interagir avec les facteurs dautres groupes. Par exemple : des changes entre lair et

les gaz prsents dans des dchets seront influencs par la pression atmosphrique, le

cheminement des gaz et de leau dans la dcharge sera influenc par la disposition et la

porosit des dchets et par des matriaux et des procdures utilises pour couvrir des

dchets.

La plus grande variation de la concentration de gaz peut tre attribue laration et aux

facteurs environnementaux tels que, des variations de la pression atmosphrique, des

prcipitations, de la temprature et de lhumidit du sol.

Une augmentation de lmission du gaz dans une dcharge avec la diminution de la

pression atmosphrique a t observe [Boltze 1997, Christensen 1996, Christophersen 2001,

Galle 2001]. La pression du gaz dans la dcharge dpend du rapport entre le dbit de

production du gaz et le dbit dextraction de ce gaz. Lors dune chute de pression

atmosphrique, le dsquilibre avec la pression du biogaz peut favoriser des fuites de biogaz.

En revanche, il a t constat que lorsque la pression atmosphrique tait haute le dbit du

biogaz pouvait baisser, jusqu 50% de la production habituelle [Lart du dgazage 1996].

La prcipitation, lirrigation, la glace et la couverture de neige, la terre gele et la rose

peuvent diminuer la permabilit la surface, rduisant les fuites de gaz [Boltze 1997].

Cependant, les prcipitations durant plusieurs jours peuvent galement provoquer une

augmentation de la production du mthane par une stimulation directe de la croissance des

bactries et par le rinage des inhibiteurs [Wreford 2000].

Lhumidit fournit leau qui est essentielle pour le processus de la production du gaz

(digestion anarobie) et elle sert de support pour le transport de masse dans la distribution des

lments nutritifs et des bactries. Il a t suggr que la production du biogaz est plus leve

dans les conditions de saturation d'humidit avec la rcirculation des lixiviats, les boues de

station dpuration ou avec la fertilisation (azote et phosphore) dans le cas o lon a

seulement saturation en humidit [Komilis 1999]. La rcirculation des lixiviats implique la

rduction de leur quantit purer, laugmentation de la vitesse de dgradation des dchets et

laccroissement de la production du biogaz [Barlaz 1990, Chan 2002, Christensen 1996, Lisk

1991, Mata-Alvarez 2003 Moreau-Le Golvan 2000].


Magorzata Meres 32

1.1.4. Risques induits par la prsence du biogaz dans les CDS

Les dangers principaux lis la production du gaz de dcharge sont : les nuisances et

les odeurs, linfluence sur le climat global, pollution de leau et du sol, le risque dincendie et

dexplosion.

Nuisances et odeurs [ADEME 2001, Brosseau 1994, Christensen 1996, Lisk 1991]

Le gaz de dcharge contient de nombreux composs malodorants, en particulier les

composs soufrs: hydrogne sulfur (H2S) et mercaptans, tels que le mthyl-mercaptan

(CH3SH), lthyl-mercaptan (CH3CH2SH), etc.

Le biogaz contient galement des composs toxiques : hydrogne sulfur, les mercaptans et

les composs organiques volatils (COV : benzne, chlorure de vinyle, tolune etc.). Les COV

peuvent (avec la prsence des oxydes d'azote issus, par exemple, des vhicules) mener aux

conditions favorables la formation locale de l'ozone - un gaz d'irritant.

Le gaz carbonique nest pas toxique, mais il peut provoquer lasphyxie des concentrations

leves du fait de la diminution du taux doxygne.

Influence sur le climat global [Christensen 1996, West 1998]

Le mthane est un gaz fort effet de serre et peut influencer la couche dozone. Il a le

potentiel deffet de serre global long terme (ang. global warming potential GWP) 35 fois

plus grand que celui du CO2. Ce potentiel deffet de serre plus lev est d une plus grande

capacit du mthane et de ses drivs dabsorption de lnergie infrarouge. Des estimations

suggrent que les missions du mthane issu des dcharges comptent pour 6 13%

dmissions anthropognes globales de mthane (340 millions tonnes par an).

Des composants de trace du biogaz, en particulier chlorofluorohydrocarbures, peuvent

influencer le climat global par la destruction de la couche dozone.

Pollution de leau [Christensen 1996]

Le biogaz migrant par le sol peut diffuser dans des eaux souterraines. Certains de ses

composants (CO2 , benzne) sont hydrosolubles et peuvent polluer ces eaux.

Pollution du sol [ADEME 2001, Christensen 1996]

Le biogaz migrant par le sol peut provoquer lasphyxie des racines et lasschement du

sol. Certains des composants de biogaz sont toxiques pour des plantes (p.ex. H2S, composs

halo-organiques).


Magorzata Meres 33

Incendie et explosion [ADEME 2001, Christensen 1996, Lisk 1991, ygado 1999]

La plage dexplosivit du mthane pur dans lair est de 5% (Limite infrieure

dexplosivit, LIE) 15% (Limite suprieure dexplosivit, LSE). Elle varie lgrement

lorsque dautres gaz sont prsents (CO2, H2O, ). En gnral le gaz de dcharge contient plus

de 30% de mthane et ne constitue donc pas un mlange explosif lui-mme. Il peut nanmoins

former un mlange explosif par exemple dans la canalisation et lintrieur des puits

collectant du biogaz mlang lair, mais aussi en dehors du systme de dgazage (fuites de

gaz dans des locaux mal ventils, migration du gaz en sous-sol). La Figure 18 prsente les

chemins possibles de la migration du biogaz.

Fig. 18. Chemins possibles de la migration du biogaz

1- vers le bas par des couches permables ;

2- par des cavernes et grottes ;

3- le long des racines des arbres ;

4- le long de linstallation sur la dcharge ;

5- vers le haut par des couches permables lair ou aux btiments ;

6- par des couches fissures lair ou aux btiments (par exemple pices en sous-sol) ;

7- par des puits.

1.2.Description des sites retenus

Magorzata Meres 34

1.2. Description des sites retenus

1.2.1. Caractristiques des CDS tudis

1.2.1.1. Localisation

Borde-Matin (France)

Le Centre de Stockage du Vallon de Borde-Matin est situ au sud-ouest de la commune

de Roche-la-Molire, en limite communale de Firminy et du Chambon-Feugerolles, dans le

dpartement de la Loire (Photo 3) [Rapport 2003]. Il a une emprise foncire de 92,2 ha dont

62,5 ha sont classs en Installation Classe pour la Protection de lEnvironnement [Satrod

2000]. Actuellement, la partie en exploitation a une superficie de 35 ha et est situe entre 526

et 533 m daltitude. La couche de dchets stocks a une paisseur de 30 50 mtres. Les

premiers secteurs urbaniss se trouvent au Nord 500 mtres (quartier de Beaulieu-Pontin) et

au sud-ouest 1 km (quartier Bas-Mas) [Rapport 2003]. Le Centre de Stockage Borde-Matin

a t ouvert en 1972, est gr par SATROD (Socit Anonyme TRaitement Ordures Dchets),

spcialise dans le transfert et le traitement des dchets mnagers et assimils par stockage

[Satrod 2000].

Photo 3. Vue vol doiseau du Centre de Stockage Borde-Matin ( Photo Satrod)


Magorzata Meres 35

Barycz (Pologne)

Le Centre de Stockage Barycz Cracovie est situ au sud de la ville, sur la frontire

avec Wieliczka. Il a t localis dans des affaissements rests aprs lexploitation de saumure

(Mine Barycz). Ce Centre de Stockage est situ en partie sur des lvations et en partie dans

des affaissements, dans le bassin du torrent de Malinwka. Les altitudes de terrain de CDS

Barycz sont : de 250 mtres daltitude dans la partie nord-est 280 mtres daltitude dans la

partie sud-ouest [Chwastek 1995]. Il a une emprise foncire de 36 ha divise en trois parties

(Photo 4) : (I) recultive (exploite dans les annes 1974-1991), (II) en exploitation dans les

annes 1992-2004 et (III) ouverte dernirement (en exploitation depuis fvrier 2005). La

couche de dchets stocks a une paisseur : de 8 20 mtres sur la partie I et de 5 20 mtres

sur la partie II. Les premiers secteurs urbaniss se trouvent 500 mtres de dcharge et ils

sont placs dans une zone de la protection, qui est gale 500 m pour les terrains de la

commune Wieliczka et 300 m pour la commune Cracovie [Chwastek 1999]. Le Centre de

Stockage Barycz est gr par Miejskie Przedsibiorstwo Oczyszczania (MPO : Entreprise

Municipale dAssainissement).

Photo 4. Vue vol doiseau du Centre de Stockage Barycz ( Photo MPO, Krakw)

I-partie recultive; II-partie en exploitation; III-partie ouverte dernirement


Magorzata Meres 36

1.2.1.2. Mthodes dexploitation

Borde-Matin (France)

Le volume rsiduel des dchets enfouis est de lordre de 9000 Mm3, avec une moyenne

de dix dernires annes de 380 000 m3 de dchets enfouis par an. La prvision de fin

dexploitation a t estime pour 2017, en tenant compte des incertitudes co

Documents

Analyse de la composition du biogaz en vue de l'optimisation de sa