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HAL Id: tel-00793654 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00793654 Submitted on 22 Feb 2013 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Analyse de la composition du biogaz en vue de l’optimisation de sa production et de son exploitation dans des centres de stockage des déchets ménagers Matgorzata Meres To cite this version: Matgorzata Meres. Analyse de la composition du biogaz en vue de l’optimisation de sa production et de son exploitation dans des centres de stockage des déchets ménagers. Sciences de l’environnement. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne; Université Jagiellone Cracovie, 2009. Français. tel-00793654 Cette thèse a été également rédigée en polonais N° d’ordre 372 THESE présentée à Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, France et Université Jagiellone de Cracovie, Pologne pour obtenir le grade de Docteur Spécialité : Sciences et Génie de l’Environnement ANALYSE DE LA COMPOSITION DU BIOGAZ EN VUE DE L’OPTIMISATION DE SA PRODUCTION ET DE SON EXPLOITATION DANS DES CENTRES DE STOCKAGE DES DÉCHETS MÉNAGERS par Małgorzata MERES Soutenue le 19 septembre 2005 Jury : M. Patrick GERMAIN rapporteur M. Adam JUSZKIEWICZ rapporteur M. Roman NEY rapporteur Mme Elżbieta SZCZEPANIEC-CIĘCIAK examinateur M. Pascal FORMISYN examinateur M. Konrad SZAFNICKI examinateur Mme Krystyna FLAK invitée M. Christian CYRKLEWSKI invité ISBN 2-9507146-4-1 Moim Rodzicom A mes Parents To my Parents Je souhaite remercier : Madame Elżbieta Szczepaniec-Cięciak pour la qualité de son encadrement et sa disponibilité, Monsieur Pascal Formisyn pour le suivi régulier de cette étude, l’intérêt et l’esprit critique qu’il a su manifester, et Monsieur Konrad Szafnicki pour la qualité de son encadrement, sa disponibilité, sa sympathie et ses précieux conseils. Monsieur Hervé Vaillant, à la Sociétés Satrod et Elyo, ainsi qu’à Monsieur Krzysztof Piejko, Miejskie Przesiębiorstwo Oczyszczania Sp. z o.o. pour la qualité de leur collaboration. A tous les membres du Centre SITE pour l’ambiance et l’accueil qu’ils m’ont réservé, à tous les membres de Zespół Kriogeniki i Badań Powietrza pour la chaleureuse ambiance de travail qu’ils ont su créer, ainsi qu’à Madame Marta Tor et Madame Alicja Tardy pour leur sympathie et hospitalité. A mes Parents et mon Frère pour l’amour, la patience, l’aide et leur confiance en moi, et à mes Amies : Basia G., Kasia S., Kasia F., Kasia B. et Patrycja S. pour le soutien et la présence dans les moments difficiles. Résumé RESUME Résumé Ce travail résulte de la collaboration entre le Centre SITE de l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, France et la Faculté de Chimie de l’Université Jagiellone à Cracovie, Pologne (thèse en cotutelle), ainsi qu’avec deux partenaires industriels : sociétés Satrod et Elyo que gèrent le Centre de Stockage et la valorisation du biogaz à Borde-Matin, et Miejskie Przedsiębiorstwo Oczyszczania à Cracovie (l’Entreprise Municipale d’Assainissement) qui gère le Centre de Stockage Barycz. Cette thèse a pour objectif essentiel de comprendre et d’expliquer la dynamique des processus liés à la production du biogaz. Le comportement du biogaz dans la masse des déchets (transferts, composition, variations…) et les relations vis-à-vis d’un ensemble de paramètres extérieurs (paramètres météorologiques et d’exploitation, interventions d’opérateurs) sont étudiés, afin de proposer une aide à l’optimisation de l’exploitation et de la valorisation du biogaz. La valorisation du biogaz est une technologie permettant de recueillir et de traiter le biogaz issu des déchets organiques fermentescibles en vue de produire de l’énergie tout en préservant l’environnement grâce à la réduction des émissions de gaz à fort effet de serre tel que le méthane, l’élimination des odeurs et des risques d’explosion. Une des méthodes de la valorisation du biogaz est la production d’électricité dans des groupes électrogènes constitués des moteurs à biogaz couplés à des génératrices électriques. Pour une efficacité optimale de cette valorisation, il est très 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 paramètres météorologiques (précipitations, pression atmosphérique, température et humidité), l’âge et les types des déchets, les méthodes d’enfouissement. L’ensemble de ce travail a permis une étude à trois niveaux (à court terme, à moyen terme et d’un point de vue global) de la dynamique des processus de production et de comportement du biogaz sur des Centres de Stockage (CDS) des déchets ménagers en fonction de différents paramètres extérieurs (météorologiques, d’exploitation). Plusieurs types de modèles ont été proposés, selon l’horizon de temps envisagé. Les modèles à court terme (heures, jours) peuvent avoir un intérêt dans la gestion « au jour le jour » alors que les modèles « globaux » peuvent constituer un outil d’aide à la décision dans la gestion des sites sur un horizon de plusieurs années. Mots clés : Valorisation du biogaz, Centre de Stockage, Modélisation, Optimisation, Énergie renouvelable, Développement durable Abstract This PhD thesis results from collaboration between Centre SITE, Ecole Nationale Supérieure 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 Przedsiębiorstwo 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 powstała w wyniku współpracy pomiędzy Centrum SITE Ecole Nationale Supérieure des Mines w Saint-Etienne, Francja i Wydziałem Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, Polska (doktorat międzynarodowy – en cotutelle), a także z dwoma partnerami przemysłowymi: spółkami Satrod i Elyo, które zarządzają składowiskiem odpadów komunalnych i utylizacją biogazu w Borde-Matin (Francja) oraz Miejskim Przedsiębiorstwem Oczyszczania Sp. z o.o. w Krakowie, które zarządza składowiskiem Barycz. Głównym celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu różnych parametrów zewnętrznych (meteorologicznych i eksploatacyjnych, interwencji operatorów) na dynamikę procesu produkcji i utylizacji biogazu na składowiskach różniących się między innymi wielkością, ilością zdeponowanych odpadów i dostępnej do utylizacji mocy opałowej, intensywnością odgazowania a także warunkami klimatycznymi. Utylizacja biogazu jest technologią pozwalającą na zbieranie i przetwarzanie biogazu pochodzącego z odpadów organicznych zdolnych do fermentacji w celu produkowania energii, redukcji emisji gazu cieplarnianego (metanu), eliminacji odorów oraz zagrożenia wybuchem. Jedną z metod utylizacji biogazu jest produkcja energii elektrycznej w zespołach prądotwórczych składających się z silników na biogaz połączonych z generatorami prądu. Aby uzyskać optymalną wydajność utylizacji bardzo ważne jest, aby produkcja i skład biogazu były stałe. Istnieje jednak wiele czynników wpływających na wahania stężeń składników biogazu, między innymi parametry meteorologiczne (opady, ciśnienie atmosferyczne, temperatura i wilgotność powietrza), wiek i typ odpadów oraz sposób ich składowania. Celem szczegółowym dysertacji było opracowanie modeli dla trzech horyzontów czasowych (krótko, średnio i długoterminowych), przedstawiających dynamikę produkcji i zachowania się biogazu na składowiskach odpadów komunalnych w zależności od różnych parametrów zewnętrznych. Modele krótkoterminowe (godziny, dni) mogą mieć zastosowanie w codziennym zarządzaniu składowiskiem, natomiast modele globalne mogą stanowić pomoc w podejmowaniu decyzji przy kierowaniu składowiskiem na przestrzeni wielu lat. Słowa kluczowe : Utylizacja biogazu, Składowisko odpadów komunalnych, Modelowanie, Optymalizacja, Energie odnawialne, Zrównoważony rozwój Sommaire Małgorzata Meres I SOMMAIRE FIGURES, TABLEAUX, PHOTOS Sommaire Małgorzata Meres III GLOSSAIRE XIII INTRODUCTION ET CONTEXTE 1 1. POSITION uploads/Science et Technologie/ 2005-meres-maa-gorzata.pdf