La méthanisation des déchets sources d`énergie - Énergies

La méthanisation
des déchets sources d’énergie
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La méthanisation est un processus biologique de dégradation de la matière
organique, par des bactéries, en absence d’oxygène et à température constante.
Ce processus conduit à la formation de deux produits :
•u
n mélange gazeux composé majoritairement de méthane : le biogaz,
•u
n produit digéré contenant de la matière organique non dégradée, de la
matière minérale (azote, phosphore, potasse…) et de l’eau : le digestat.
Schéma simplifié de fonctionnement d’une unité de méthanisation (source Ademe)
Valorisation de l’énergie
stion -
e
La dig
steur
le dige
Les substrats et co-substrats
Gestion du digestat
Le choix des matières est un point clé d’un projet car il détermine la production
de biogaz.
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LES SUBSTRATS ET CO-SUBSTRATS
• LES SUBSTRATS UTILISABLES
Les déjections animales
Malgré leurs faibles pouvoirs méthanogènes, les fumiers et lisiers, présentent
des caractéristiques physico-chimiques indispensables à l’activité bactérienne.
Le lisier apporte les bactéries nécessaires à la digestion de la matière organique et stabilise le pH du milieu. Le fumier a un taux de matière sèche élevé
et peut servir de support aux bactéries à l’intérieur du digesteur.
Les résidus de culture
Ces résidus (paille, issus de céréales…) présentent souvent une teneur en
carbone intéressante pour la méthanisation.
Les cultures dédiées
Les cultures dédiées (maïs, herbe, sorgho…) ont l’avantage de posséder de bons
potentiels méthanogènes.
Néanmoins leur développement aurait pour conséquence de déséquilibrer les
marchés alimentaires.
Les Cultures Intermédiaires à Vocation Énergétique (CIVE) semblent être un bon
complément permettant de produire de la biomasse en dérobé sans concurrencer la production alimentaire.
Les co-substrats
Ils viennent en complément des substrats précédemment cités dont le potentiel
méthanogène est souvent insuffisant pour assurer la rentabilité du projet.
Ces matières peuvent provenir d’Industrie Agroalimentaire (graisses, huiles…),
de collectivités (tonte de pelouse, boues de station d’épuration…).
• LES SUBSTRATS NON UTILISABLES
Les déchets ligneux
Bois, tailles de haies, branchages...
Les matières inorganiques
Les plastiques...
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Les matières contenant des substances dangereuses
Pour être considéré comme méthanisable, un substrat doit être riche en
matière organique. Mais cela ne suffit pas, il faut également que la matière
organique soit biodégradable dans le digesteur, c’est-à-dire que les bactéries
anaérobies puissent la dégrader et la convertir en biogaz. Cela exclut totalement les produits ligneux comme les produits pouvant contenir des produits
inappropriés (métaux lourds, antibiotiques, siloxanes…).
• LE POUVOIR MÉTHANOGÈNE
Le pouvoir méthanogène est une mesure de laboratoire qui permet d’estimer
la quantité maximale de méthane que l’on peut espérer produire dans un
méthaniseur à partir d’un substrat. Il est révélateur de la teneur en matière
organique du substrat, de sa biodégradabilité et de sa composition chimique.
Pouvoirs méthanogènes de différents substrats (sources multiples)
Déjections animales
Résidus de céréales
Déchets d’IAA
Déchets de collectivités
Coût de transport : dans un projet de méthanisation, l’unité de digestion doit
être positionnée à proximité de la source de valorisation de chaleur (la chaleur
ne se transporte pas !). Le coût d’approvisionnement du digesteur est donc à
prendre en compte aussi bien d’un point de vue financier que vis-à-vis du bilan
CO2 et gaz à effet de serre (GES) !
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LA DIGESTION - LE DIGESTEUR
La méthanisation est une suite de réactions biologiques réalisées par plusieurs
types de micro-organismes. Pour maximiser le rendement de ces réactions
et les catalyser, les matières entrantes sont placées dans une cuve, appelée
« digesteur », dans laquelle les conditions de température et de pH sont contrôlées pour optimiser le processus.
Réactions du processus de méthanisation
Acidogenèse
MATIÈRE ORGANIQUE
FRAÎCHE
Acidogenèse
MATIÈRE ORGANIQUE
SOLUBLE
ACÉTATE ET
HYDROGÈNE
Méthanogenèse
BIOGAZ
DIGESTAT
Qu’est-ce-qu’un digesteur ?
Le digesteur est une cuve étanche dans laquelle un ensemble de substrats
séjourne environ 30 à 50 jours afin de subir une digestion. Il existe différentes
technologies, mais la plus courante dans le domaine agricole est l’infiniment
mélangé ou « voie liquide ».
À l’intérieur du digesteur, les matières en fermentation sont sous forme d’un
« liquide » ne pouvant excéder, pour des raisons techniques, une teneur en
matière sèche de 15 %.
Le digesteur est une cuve cylindrique souvent en béton dont la face interne est
parcourue un réseau de chaleur permettant de fixer la température adéquate
pour le processus de méthanisation et dont la face externe est recouverte d’un
isolant thermique.
Un système de brassage permet d’éviter à la fois la formation de croûte en
surface qui empêche un bon dégazage et la sédimentation des matières en
suspension. Une géomembrane spéciale est placée sur la cuve afin de stocker
le biogaz produit.
Unité de méthanisation du Gaec Beets
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Schéma d’un digesteur infiniment mélangé type
GESTION DU DIGESTAT
Après une période de 30 à 50 jours de digestion, le résidu de la méthanisation
(appelé digestat) contient de la matière organique non dégradable (lignine…),
des matières minérales (azote, phosphore, potasse…) et de l’eau.
Avant d’être épandu dans les champs durant les périodes appropriées, le
digestat est stocké dans une cuve qui est le plus souvent recouverte d’une
géomembrane.
La couverture de la fosse de stockage présente deux avantages majeurs :
• Conserver l’azote
L’azote se retrouve sous forme ammoniacale très volatile ; en couvrant la
fosse, on conserve la qualité agronomique du digestat et on évite des rejets
d’ammoniaque dans l’atmosphère.
• Augmenter la production de biogaz
Certains substrats et/ou co-substrats sont susceptibles de pouvoir encore
être en partie digérés dans cette fosse ; on augmente ainsi la production
d’énergie et on évite des rejets atmosphériques de méthane.
• LES PROPRIÉTÉS DU DIGESTAT
Atténuation des odeurs
Les matières organiques facilement dégradables, responsables des nuisances
olfactives, ont été détruites.
Conservation de la valeur amendante
La fraction ligneuse contribuant à la formation de l’humus n’est pas dégradée.
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Amélioration de la valeur fertilisante
Les teneurs en azote, phosphore et potasse ne changent pas mais l’azote se
retrouve sous forme ammoniacale plus facilement assimilable par les plantes.
Le digestat peut subir un traitement dit de séparation de phase permettant de
produire :
• une fraction solide riche en matière organique et en éléments phosphatés
• une fraction liquide contenant de l’azote ammoniacal et peu de matière
organique liquide.
• LA VALORISATION DU DIGESTAT
2 voies de valorisations possibles
• L a logique « produit »
Le digestat pourra être considéré comme un produit dans la mesure où il
a fait l’objet d’une homologation ( norme NFU 44-051 ).
Cette homologation est assez lourde et coûteuse à mettre en place.
• L a logique « déchet »
Le digestat est directement valorisé par épandage agricole.
Logique « produit »
Logique « déchet »
Plan d’épandage
Inutile
Obligatoire
Responsable des
épandages
Réglementation
Mise en oeuvre
Utilisateur
Producteur
Norme (NF U 44-051)
Lourde et coûteuse
Arrêté (ICPE)
Moins lourde et
moins coûteuse
Oui
Traçabilité des
épandages
Digesteur
Non
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• EXEMPLES DE MATÉRIELS D’ÉPANDAGE
Épandeur à fumier
Injecteurs (phase liquide)
Tonne à lisier avec pendillards (phase liquide)
Enfouisseurs (phase liquide)
VALORISATION DE L’ÉNERGIE
Le biogaz, c’est quoi au juste ?
Le biogaz est un gaz majoritairement constitué de méthane. Le pouvoir
calorifique d’un mètre cube de biogaz est de l’ordre de 6 kWh, ce qui représente
environ 0,6 L de fioul.
Composition du biogaz (source Baver)
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Méthane (CH4)
50-75 %
Dioxyde de carbone (CO2)
25-45 %
Vapeur d’eau (H2O)
Azote (N2)
Hydrogène (H2)
Oxygène (O2)
Hydrogène sulfuré (H2S)
2-7 %
0-2 %
0-1 %
0-2 %
0-2 %
• LES VOIES DE VALORISATION DU BIOGAZ
BIOGAZ
Épuration
CARBURANT
RÉSEAU GAZ DE VILLE
CHALEUR
Combustion
COGÉNÉRATION
TRIGÉNÉRATION
La cogénération
C’est le mode de valorisation le plus utilisé pour les unités de méthanisation
à la ferme. La cogénération consiste à produire, à partir du biogaz, de l’électricité
et de la chaleur. L’électricité est produite grâce à un alternateur entraîné
par un moteur. La chaleur est récupérée au niveau de l’échappement des
fumées et du système de refroidissement du bloc-moteur au moyen d’un fluide
caloporteur et d’échangeurs thermiques.
Un cogénérateur possède un rendement électrique de l’ordre de 35 à 40 % et
un rendement thermique de 40 à 45 %, ce qui donne un rendement énergétique global d’environ 80 %. Dans la majorité des situations la difficulté est de
valoriser la chaleur (notamment l’été).
• L a cogénération - Production des deux énergies sources de rémunération
L’électricité produite est rachetée par EDF ou des entreprises
locales de distribution d’électricité dans le cadre de l’obligation d’achat.
La chaleur produite pourra être valorisée de différentes manières :
une part de celle-ci servira à chauffer le digesteur, le reste pourra,
soit être utilisé sur place et ainsi engendrer des économies d’énergie, soit être revendu à un tiers et engendrer une rémunération.
Le taux de valorisation de la chaleur produite est important car il
conditionne le tarif d’achat de l’électricité par EDF sous forme d’une prime
à l’efficacité énergétique.
Valorisation de l’énergie produite
COGÉNÉRATION
ÉLECTRICITÉ
CHALEUR
RACHAT EDF
VALORISATION
DIGESTEUR
(20 À 40 %)
VENTE
(entreprises, collectivités)
RÉMUNÉRATION
UTILISATION SUR SITE
(bâtiments, habitations)
ÉCONOMIE D’ÉNERGIE
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L’injection de biogaz épuré dans le réseau de gaz naturel
La valorisation du biogaz en injection dans le réseau est très peu développée
en France et ne connaît pas encore à ce jour de tarif d’achat fixé. Techniquement
c’est un procédé qui exige une très forte épuration du biogaz pour ne retenir
que du méthane, ce procédé est coûteux en investissement et en fonctionnement.
Pour injecter le méthane produit dans le réseau, il est nécessaire de se trouver
près d’un conduit de gaz avec un débit suffisant pour accepter la production
de l’unité de méthanisation.
La valorisation sous forme de chaleur
Le biogaz peut être directement valorisé sous forme de chaleur grâce à une
chaudière.
Le coût d’investissement est ainsi moins important que pour l’achat d’un
cogénérateur.
Cependant, ce mode de valorisation n’est rentable que s’il existe une forte
demande en chaleur capable d’absorber l’intégralité de la chaleur produite
tout au long de l’année.
Le biométhane carburant
Pour pouvoir être utilisé comme carburant, le biogaz doit contenir au moins
96 % de méthane. Ce qui implique une excellente épuration du biogaz afin de
le débarrasser de l’eau, du soufre, des organo-halogénés, du carbone et des
métaux qu’il pourrait contenir.
Ceci engendre des coûts d’investissement très importants.
LE MONTAGE DE PROJET
La méthanisation est une excellente solution de traitement de déchets, or un
projet méthanisation doit être réfléchi ; l’investissement financier et le temps
de travail pendant la phase de fonctionnement sont importants dès le départ.
En effet l’alimentation du digesteur, le contrôle des paramètres physicochimiques de ce dernier et l’entretien de l’installation représentent une charge
de travail pouvant représenter jusqu’à une heure par jour.
Pour la conception, les démarches administratives et la construction d’une unité
de méthanisation, il faut compter deux à trois ans minimum.
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Exemple de planning de livraison d’une unité de méthanisation (source Chambre Agriculture)
Sécurisation d’approvisionnement du digesteur :
•u
n projet de méthanisation est un engagement de production sur 15 ans
minimum. Les déchets provenant de l’extérieur ne présentent pas souvent de
garantie à si long terme.
• r éfléchissez dès le début du projet à trouver une solution de secours en cas
de perte d’un gisement important !
APPROCHE ÉCONOMIQUE
• COÛTS D’INVESTISSEMENT CONSTATÉS
• En moyenne, l’investissement pour un projet de méthanisation agricole est
de 6 500 €/kWélectrique.
• Un constat global : plus la puissance installée est importante, plus l’investissement ramené au kWe diminue.
Coût moyen d’investissement par projet (source Chambre Agriculture 2010)
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Conseil régional du Centre
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Document édité par le Conseil régional du Centre - Décembre 2011 - Crédits photos : ARESTEANU Géraldine, FOULON Pascal, BERSSONET Christophe,
PALIS William, LERAY Laetitia, Phoivoir.fr et Sources internet- Impression : IDB Beauvallet - Imprimé sur papier PEFC