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La méthanisation

La méthanisation en STEP

L'épuration des Biogaz

Le captage du CO2

Les siloxanes

 

Le procédé VABHYOGAZ

Le biométhane - Enjeux et
solutions techniques
(Par ENEA)

Valorisation chimique du
CO2
- Etat des lieux 2014
- Bénéfices énergétiques
et environnementaux
- Evaluation économique
de 3 voies chimiques
(Par ADEME)

Etude du traitement des
siloxanes par adsorption
sur matériaux poreux:
application au traitement
des biogaz (Par HAL)

Outil d'aide à l'injection du
biométhane dans les
réseaux de gaz naturel

Panorama de la filière
biogaz, biométhane et de
ses acteurs (Par ATEE)

Etude de marché de la
méthanisation et des
valorisations des biogaz
(ADEME/GRDF 2010)

 

 

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La méthanisation
Des biogaz au biométhane

La méthanisation est un processus naturel de dégradation biologique de la matière organique dans un milieu sans oxygène due à l’action de multiples micro-organismes (bactéries).La biométhanisation est aujourd’hui une des principales techniques pour valoriser une part importante des déchets fermentescibles.
Si la phase de production de biogaz brut est relativement simple, une ou plusieurs étapes de traitement (nettoyage, raffinage) sont nécessaires pour permettre l’utilisation du biogaz produit, que ce soit sous forme de simple biogaz, du bio-méthane ou de bio-hydrogène.

 

 


Installation de méthanisation à Telaviv

Parmi les constituants indésirables présents dans le biogaz à traiter, on peut citer les siloxanes et l’hydrogène sulfuré (H2S) comme faisant parti des plus problématiques.


Pourquoi méthaniser nos déchets ?

La méthanisation, encore sous-utilisée aujourd'hui, apparaît comme une réponse à la double problématique de la gestion des déchets et du développement des énergies renouvelables.

Quel est le bilan CO2 d'une unité de méthanisation ?

Chaque m3 de biogaz produit évite le rejet dans l’atmosphère de 2,3 kg de CO2 responsable du réchauffement climatique.
Un projet de méthanisation de 2 MW électrique permet d’éviter l’émission d’environ 9 000 t de CO2 dans l’atmosphère.
En général, cela génère une économie de CO2 car les matières sont traitées sur place.
Sur l’ensemble, le transport additionné ne dépasse pas 10 % du bilan carbone.

Cependant, il faut avoir présent à l’esprit que chaque m3 de biogaz produit contient 6 Kg de CO2 qui est rejeté à l’atmosphère, soit lors de la purification en biométhane, soit dans l'utilisation du biogaz sans purification.

La méthanisation ?

Elle peut avoir lieu naturellement dans certains milieux tels que les marais ou peut être mise en œuvre volontairement dans des unités dédiées grâce à un équipement industriel.
Toute les matières organiques sont susceptibles d’être ainsi décomposées (excepté des composés très stables comme la lignine) et de produire du biogaz, avec un potentiel méthanogène toutefois très variable.
La méthanisation convient particulièrement aux substrats riches en eau, contenant de la matière organique facilement dégradable, et facilement pompables pour permettre un fonctionnement en continu.

Les déchets méthanisés peuvent être d’origine :

  • Agricole : déjections animales, résidus de récolte (pailles, spathes de maïs …), eaux de salle de traite, etc...
  • Agro-industrielle : abattoirs, caves vinicoles, laiteries, fromageries, ou autres industries agro-alimentaires, chimiques et pharmaceutiques, etc...
  •  Municipale : tontes de gazon, fraction fermentescible des ordures ménagères, triée à la source (biodéchets) ou non (TMB), boues et graisses de station d’épuration, matières de vidange, etc...

La co-digestion d’un mélange de déchets organiques est à préconiser pour permettre des économies d’échelle et optimiser la production de biogaz.

La méthanisation aboutit à la production :

  • d’un produit humide riche en matière organique partiellement stabilisée appelé digestat.
    Il est généralement envisagé le retour au sol du digestat après éventuellement une phase de maturation par compostage;
  • de biogaz, mélange gazeux saturé en eau à la sortie du digesteur et composé d’environ 50 % à 70 % de méthane (CH4), de 20 % à 50 % de gaz carbonique (CO2) et de quelques gaz traces (NH3, N2, H2S).

En moyenne, 100 m3 de biogaz contiennent 70 m3 de méthane pur (biométhane) utilisables comme source d’énergie et environ 60 Kg de CO2.
Ainsi ces 70 m3 de biométhane (soit 600.000 kcal) sont l’équivalent de 70 litres de fioul.



Figure: 70 m3 de biométhane sont l’équivalent de 70 litres de fioul


En moyenne, 10 tonnes de biogaz  produit par méthanisation fournit 7 tonnes de méthane et 3 tonnes de CO
2.

Le biogaz a un Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) de 5 à 7 kWh/Nm3 . Cette énergie renouvelable peut être utilisée sous différentes formes :

  • combustion pour la production d’électricité et de chaleur,
  • production d’un carburant,
  • injection dans le réseau de gaz naturel après épuration.

En l'état actuel des procédés biologiques de méthanisation permettant de valoriser des matières organiques en produisant des biogaz, les intérets environnementaux mis en avant sont avant tout:

Diminution des GES (gaz à effet de serre) comme CH4 (méthane) et CO2 (gaz carbonique)

Parmi ces GES, le dioxyde de carbone représente environ 70% des gaz à effet de serre d'origine anthropique.
Il est principalement issu de la combustion des énergies fossiles (pétrole, charbon) et de la biomasse dont la méthanisation.

Cette réaction de méthanisation produit également un résidu, appelé digestat, qu’il est ensuite possible de valoriser en tant que fertilisant pour l’agriculture. 
Le biogaz produit par la méthanisation peut être valorisé de différentes manières :

  • par la production d’électricité et de chaleur combinée dans une centrale en cogénération ;
  • par la production de chaleur qui sera consommée à proximité du site de production ;
  • par l’injection dans les réseaux de gaz naturel après une étape d’épuration (le biogaz devient alors du biométhane) ;
  • par la transformation en carburant sous forme de gaz naturel véhicule (GNV)

Le biogaz est le résultat de la méthanisation ou digestion anaérobie de déchets fermentescibles. Les sources les plus courantes de biogaz (contenant le biométhane) proviennent des stockages de matière organique volontaires ou involontaires :

  • Les cultures.
  • Les décharges : leur teneur en biogaz est plus ou moins élevée en fonction de l'étanchéité du mode d'exploitation.
  •  La collecte sélective des déchets putrescibles permet une méthanisation plus rapide qu'en décharge en utilisant des bioréacteurs spécifiques (digesteurs).
  • Les boues des stations d'épuration : la méthanisation permet d'éliminer les composés organiques et permet à la station d'être plus ou moins autonome
    en énergie.
  • Les effluents d'élevages  : la réglementation rend obligatoire les équipements de stockage des effluents (lisier, fumier) pour une capacité supérieure à 6 mois.
    Ce temps de stockage peut être mis à profit pour la méthanisation des effluents. Il s'agit des déjections animales mais aussi des autres déchets agricoles:
    résidus de culture et d'ensilage, effluents de laiteries, retraits des marchés, gazons etc. ;
  • Les effluents des industries agroalimentaires peuvent aussi être méthanisés. Le but est principalement d'éviter le rejet de matières organiques trop riches,
    et peut s'accompagner d'une valorisation énergétique ;

Le biométhane est une source d'énergie alternative, renouvelable et propre. Il contribuera à porter à 23% la part des énergies renouvelables dans la consommation totale d'énergie, objectif gouvernemental que s'est fixé la France pour 2020.

Le biométhane est une énergie renouvelable car directement issue des déchets présents sur un territoire. Produit à partir de la fermentation de déchets agricoles, ménagers, industriels ou encore des boues de station d'épuration, le biométhane est un biogaz épuré jusqu'à la qualité du gaz naturel.
Une fois odorisé, contrôlé, compté, et sa pression régulée, il est injecté dans le réseau de distribution. C'est une énergie propre, ses usages sont strictement identiques à ceux du gaz naturel, mais 100% renouvelables.

Le biométhane, une énergie renouvelable aux multiples avantages :

-   Valoriser les déchets pour produire une énergie renouvelable : la production de biométhane s'inscrit dans un cycle vertueux dans lequel les déchets deviennent des ressources pour produire une énergie locale et renouvelable qui se substitue aux énergies conventionnelles ;

-   Réduire les émissions de gaz à effet de serre : les déchets organiques produisent naturellement du méthane en se dégradant. La collecte et le traitement des déchets évitent ces émissions dans la nature et les transforment en énergie propre. Le bilan d'émissions de gaz à effet de serre à l'utilisation de cette énergie est donc quasiment neutre car le CO2 produit par la valorisation du biométhane a préalablement été capté par les matières organiques dégradées 

  La filière biogaz-biométhane

Les utilisations du biométhane sont les mêmes que celles du gaz naturel : eau chaude sanitaire, chauffage, cuissons, besoins industriels, etc. Une des valorisations pertinente encore méconnue est la valorisation en carburant.
L’utilisation de biométhane en carburant dans les transports (on parle de bioGNV) permettrait de réduire les émissions de gaz à effet de serre dans ce secteur.
En outre, étant entendu que le bioGNV et le GNV (gaz naturel pour véhicules) ont la même composition chimique, les véhicules roulant au gaz ainsi que les stations de remplissage peuvent être alimentés par du bioGNV sans modifications techniques.

  La composition des biogaz varie suivant la nature des déchets soumis à la méthanisation


Composants

Ordures ménagères

Boues de station d’épuration

Déchets agricoles

Déchets de l’industrie
 agro-alimentaire

CH4 % vol

50 - 60

60 - 75

60 - 75

68

CO2 % vol

38 - 34

33 - 19

33 - 19

26

N2 % vol

5  -0

1-0

1 - 0

-

O2  % vol

1 - 0

< 0,5

< 0,5

-

H2O % vol

6 (à 40 ° C)

6 (à 40 ° C)

6 (à 40 ° C)

6 (à 40 ° C)

H2S mg/m3

100 - 900

1000 - 4000

3000 – 10 000

400

NH3 mg/m3

-

-

50 - 100

-

Siloxanes mg/m3

20 - 250

Traces

-

-

Organochlorés ou organofluorés mg/m3

100 - 800

-

-

 -

 

Un rapport INERIS (15/12/2009) mentionne des concentrations d'oxysulfure de carbone (COS) de l'ordre de 0,047 à
0,29 mg/m3 dans le biogaz issu de la méthanisation des boues de stations d'épuration.

Les siloxanes proviennent de produits tels que les shampoings déodorants et sont donc présents dans les biogaz de station d‘épuration et de décharges.
Ces substances peuvent causer de sérieux problèmes lorsqu’ils sont brûlés dans des moteurs ou des appareils de combustions (dépôt de silice).



Figure : Effet d'usure des siloxanes sur un moteur
.

Le bilan des installations de méthanisation et les perspectives

Le gisement de biogaz en France

 

Nombre de sites actuels

Production actuelle (tep1/an)

Nombre de sites potentiels

Croissance potentielle (tep1/an)

Stations d'épuration urbaines

150

65.000

200

150.000

Stations d'épuration industrielles

64

64.000

400

800.000

Décharges

5

11.000

140

300.000

Méthanisation des déchets solides (IAA...)

1

1.900

270

1.000.000

Digesteurs agricoles

10

100

1.000

100.000

Total

230

150.000

2.000

3.250.000

1 tep = tonne équivalent pétrole

Voir la carte des unités de méthanisation et de biogaz en France

Le marché et perspectives du biogaz en France (Source BaroElec) Chiffres clés selon André Wipff

·  294,56 MW Puissance électrique installée fin septembre 2014

· 1 521 GWh Production électrique en 2013 soit plus 3 700 GWh par rapport à 2006
Objectif de production d’électricité à fin 2020 (soit un total de 4 230 GWh)

· 1 640 emplois dans la filière à fin 2013

·  410 millions d’euros Chiffre d’affaires de la filière en 2013

·  294,56 MW de puissance électrique raccordée fin 2014

Issu de la fermentation de matières organiques animales ou végétales, le biogaz est une énergie qui a beaucoup d’atouts.
Ses valorisations énergétiques sont multiples (chaleur, électricité et carburant) et son caractère stockable permet une utilisation en période de pointe de consommation.

Fin septembre 2014, la puissance électrique biogaz raccordée au réseau ERDF en métropole et dans les DOM, répartie sur 312 sites, était de 294,56 MW, ce qui représente une progression de 7 % par rapport aux chiffres de septembre 2013.
La production électrique de la filière en 2013 s’est montée à 1 521 GWh.

La contribution de la filière méthanisation au bilan énergétique national est encore modeste (moins de 2 % des énergies renouvelables consommées dans le pays), mais les pistes de développement du biométhane (biogaz épuré et injecté dans le réseau gazier) et du biogaz carburant donnent de nouvelles perspectives.

Selon l’Ademe, la filière pourrait assurer plus de 14  % de la consommation française de gaz en 2030.
Dans son document “Contribution à l’élaboration de visions énergétiques 2030-2050”, l’agence évalue qu’avec 600 installations de méthaniseurs par an (soit presque deux fois moins qu’en Allemagne), le gisement accessible serait de 6 Mtep primaires en 2030 (soit 20 % de la consommation de gaz estimée pour cette période).

La filière est soutenue par des tarifs d’injection réglementés et garantis :

·  Pour les installations de stockage de déchets non dangereux, les tarifs d’achat du bioméhane injecté sont compris entre 4,5 et 9,5 cent.€/kWh selon la taille de l’installation.

·  Pour les autres unités de méthanisation, les tarifs d’achat du biométhane injecté se composent d’un tarif de base compris entre 6,4 et 9,5 c€/kWh selon la taille de l’installation, auquel peut s’ajouter une prime calculée en fonction de la nature des matières traitées par méthanisation (intrants) utilisés.

Réservé initialement au biogaz issu d’unités de méthanisation agricole, le biométhane s’est ouvert aux stations d’épuration en juin 2014.
À l’avenir, l’injection de biogaz est appelée à devenir l’un des vecteurs de la transition énergétique française.
Le “Groupe de travail injection” piloté par l’Ademe et GrDF a en effet évalué le potentiel de biométhane entre 3 et 9 TWh à l’horizon 2020.
D’ici à 2030, les projections font état de 500 à 1 400 sites d’injection (selon les scénarios bas et haut de la feuille de route méthanisation de l’Ademe), ce qui représentera 16 % de l’alimentation du réseau national de gaz.

Le biogaz en secteur agricole

La méthanisation permet de valoriser tous les déchets agricoles pour les transformer en biogaz.

Cependant, par rapport aux voisins allemands, la France est à la traîne sur la mise en place du procédé.
Alors que l'Allemagne compte 8 000 installations, la France n'en comptabilise que 200. Le gouvernement se fixe comme objectif d'en installer 1 500 dans les trois prochaines années. L'intégration de la filière méthanisation dans l'activité agricole offre d'importantes opportunités :

- Produire de l'énergie renouvelable à partir de déchets, d'effluents d'élevage et de productions agricoles, permettant ainsi leur valorisation énergétique, agronomique et économique, tout en contribuant à l'autonomie énergétique des exploitations agricoles;

- Substituer de la chaleur, des carburants et engrais d'origine fossile, et réduire les coûts d'intrants pour les exploitations agricoles;

- Améliorer le bilan gaz à effet de serre des exploitations, directement par la réduction des émissions de méthane liées aux effluents d'élevage, et indirectement par la substitution de chaleur, de carburants et d'engrais d'origine fossile;

- Créer des opportunités pour améliorer les cycles de rotation des cultures;

- Ancrer davantage les exploitations agricoles dans la dynamique de leur territoire en apportant un revenu complémentaire à leur activité principale.
Un projet de méthanisation peut être un élément structurant au cœur d'un projet de développement durable d'un territoire rural et permettre une diversification de long terme des exploitations agricoles.

C’est le secteur agricole qui offre les plus grandes perspectives de développement du biogaz en France.
On distingue deux catégories :

  • les méthaniseurs à la ferme qui sont gérés par un agriculteur ou un éleveur,
  • les unités territoriales qui gèrent les déchets de plusieurs sites agricoles et/ou industriels.



Schéma de production agricole du biogaz

Le potentiel de production d'énergie renouvelable par cette technologie est en outre considérable, du fait de son aptitude à valoriser une grande diversité de matières organiques (déchets et productions agricoles, déchets des industries agroalimentaires et des collectivités).
Le potentiel de développement de la méthanisation est variable selon les territoires, en fonction de la disponibilité des ressources méthanisables, des dynamiques et opportunités locales.
Aussi, son développement en tant que complément de l’activité agricole mérite d'être davantage soutenu dans une approche ancrée dans les besoins des territoires et dans le respect de leur diversité.

Fin 2013, on dénombrait 140 unités à la ferme en fonctionnement avec une valeur cumulée du parc de plus de 24 MWe.
Pour 2014, le développement semble linéaire, avec une estimation de 200 unités en fonctionnement à la fin de l’année.
En deux ans, le nombre d’unités opérationnelles est passé de 90 à 200, soit une moyenne de 55 nouvelles unités par an. La puissance moyenne des installations est de 180 kWe, et tend à atteindre les 210 kWe.
La deuxième catégorie du biogaz agricole concerne les installations centralisées ou collectives, de puissance plus importante (1,2 MWe en moyenne).
Elles sont le résultat d’une association entre différents acteurs du territoire, et sont longues à sortir de terre, entre 5 et 7 ans, et moins nombreuses.
Fin 2013, 18 unités étaient en fonctionnement, soit quatre de plus qu’en 2012, pour une puissance installée totale de près de 20 MWe.

Cependant, le développement des différents gisements reste très disparâtre.


Des perspectives de développement différentes

La filière biogaz regroupe deux grandes catégories de technologies de production :

    • La production de chaleur et d’électricité
      Elle représente la majorité des unités : stations d’épuration, déchets de l’industrie agroalimentaire,
      exploitations agricoles, ordures ménagères.
      Il s’agit d’un digesteur anaérobie : une cuve fermée et l’injection de biométhane dans les réseaux de gaz naturel, un autre vecteur de la transition énergétique.
    • Une solution de substitution à la production de chaleur et d’électricité à partir de biogaz existe : le biométhane.
      L’injection de biogaz dans le réseau de distribution GrDF apparaît de plus en plus comme une solution efficace.
      Sur le plan des procédés, il suffit d’épurer le biogaz initialement produit pour le débarrasser de composants indésirables tels que le dioxyde de carbone (CO2), l’hydrogène sulfuré (H2S) ou l’eau pour qu’il devienne totalement opérationnel.
      Sa teneur en méthane est alors plus élevée pour atteindre une qualité similaire à celle du gaz naturel afin d’assurer les mêmes usages :
      cuisson, chauffage, production d’électricité ou carburant pour véhicules.
      Il existe actuellement en France cinq sites d’injection en activité.

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Quelquefois, les plus petits ressorts font mouvoir les plus grandes machines.
(Jean-Paul Marat)

 

 

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