Biogaz


Biogaz

Le biogaz est le gaz produit par la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène. Cette fermentation appelée aussi méthanisation se produit naturellement (dans les marais) ou spontanément dans les décharges contenant des déchets organiques, mais on peut aussi la provoquer artificiellement dans des digesteurs (pour traiter des boues d'épuration, des déchets organiques industriels ou agricoles, etc.).

Le biogaz est un mélange composé essentiellement de méthane (typiquement 50 à 70%) et de dioxyde de carbone, avec des quantités variables de vapeur d'eau, et de sulfure d'hydrogène (H2S). On peut trouver d'autres composés provenant de contaminations, en particulier dans les biogaz de décharges.

L'énergie du biogaz provient uniquement du méthane : le biogaz est ainsi la forme renouvelable de l'énergie fossile très courante qu'est le gaz naturel qui, lui, contient essentiellement du méthane mais aussi du butane, du propane et d'autres éléments. On peut aussi utiliser le terme biométhane.

On distingue trois plages de production de biogaz en fonction de la température.

  • 15-25 °C : psychrophile
  • 25-45 °C : mésophile
  • 45-65 °C : thermophile

Ce sont les digesteurs mésophiles qui sont les plus utilisés (à 38 °C) dans les zones tempérées.

La récupération du biogaz produit par les décharges est d'autant plus intéressante que le méthane est un gaz à effet de serre bien plus puissant que le dioxyde de carbone (CO2) produit par sa combustion.

Sommaire

Sources de biogaz

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

  • Les décharges : leur teneur en biogaz est plus ou moins élevée en fonction de l'étanchéité du mode d'exploitation. En France, la récupération du biogaz de décharge est obligatoire depuis des années. Sa valorisation énergétique devrait être une obligation. La simple destruction en torchère n'est qu'un pis-aller. C'est ainsi plusieurs milliers de m³/h de méthane qui pourraient être récupérés et utilisés sur les grandes décharges (1 m³ méthane = 1 litre d'essence !)
  • 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 4 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 fond des lacs et marais : le biogaz y est produit naturellement par les sédiments organiques qui s'y accumulent. L'utilisation du biogaz du lac Kivu a été entrepris il y a plus de 40 ans et maintenant développé à grande échelle.

Effet de serre

Le biogaz est constitué essentiellement de méthane (CH4) dont l'effet de serre est très important. Sa combustion produit du dioxyde de carbone, qui est aussi un gaz à effet de serre, mais dont l'impact est moindre. En effet, un kilogramme de méthane (CH4) a un Potentiel de réchauffement global (PRG) 23 fois supérieur à un kilogramme de dioxyde de carbone.

Cependant, l'utilisation de biogaz n'accroît pas en soi globalement l'effet de serre dans l'atmosphère dans la mesure où le carbone produit (méthane et dioxyde de carbone) a lui-même été absorbé préalablement par les végétaux dont ce biogaz est issu lors de leur croissance. L'utilisation de biogaz s'inscrit dans un cycle ; sauf si elle s'inscrit dans une surexploitation de la biomasse, elle ne fait que restituer du carbone qui avait été ôté de l'atmosphère, contrairement à la combustion de gaz dit « naturel ».

Utilisations et avantages

Le biogaz est un biocarburant présentant de nombreux avantages :

  • réduction des émissions de gaz à effet de serre, comme indiqué ci-dessus.
  • réduction de certains microbes dans les effluents agricoles (coliformes notamment[1]) ;
  • substitut à d'autres énergies exogènes (fossile et nucléaire), source de revenus pour l'exploitant qui économise sur ses dépenses énergétiques et/ou, de plus en plus vend son énergie.
  • diminution de la charge en carbone des déchets végétaux. Une fois digérés, les déchets sont moins nocifs pour l'environnement; le risque d'une pollution biologique ou organique est en outre largement amoindri, et la fermentation diminue le pourcentage de matière sèche, permettant de diminuer le volume à transporter et épandre.
  • Il peut aussi être injecté sur le réseau de gaz naturel. C'est la solution qui offre le meilleur rendement énergétique, si le réseau est assez proche du point de production. Cette solution se heurte aux réticences des groupes gaziers, comme l'a été l'injection d'électricité renouvelable pour EDF. En France, l'Afsset a récemment conclu que l'injection de biogaz épuré dans le réseau ne posait pas de problème sanitaire particulier[2].

Les utilisations du biogaz sont par exemple :

  • combustion dans un moteur à gaz ou une petite turbine, pour produire de l'électricité injectée sur le réseau (plus de 4 000 installations en Allemagne), et souvent de la chaleur en cogénération, mais une trigénération est possible.
  • alimentation de centrale thermoélectrique, cimenterie, chaufferie collective, etc. quand il en existe près de la source;
  • chauffage et enrichissement en CO2 de serres;
  • carburant pour véhicules GNV, en substitution au gaz naturel fossile du réseau classique. Il alimente des flottes captives (autobus, bennes à ordures, véhicules de service) (voir biogaz carburant), ou même les véhicules individuels (Suisse et Suède).
  • reformage du méthane pour former de l'hydrogène renouvelable (dit « biohydrogène ») ; comme pour l'injecter dans le réseau, il faut alors extraire le CO2, l'eau, les composés soufrés du biogaz pour obtenir un gaz composé à plus de 96 % de CH4 substituable au gaz naturel fossile. Pour les autres applications, un gaz contenant 60 % de méthane est largement suffisant, donc le purifier serait une dépense inutile. On se contente alors d'enlever les impuretés qui présentent des problèmes de pollution, de corrosion ou d'odeur, notamment les composés soufrés.

Efficacité

Les études de l'IFEU montrent, qu'en Allemagne, l'utilisation de biogaz pour la cogénération locale avec un moteur à gaz est plus efficace vis-à-vis de l'effet serre, de l'injection dans les réseaux et de la maintenance nécessaire. Cependant cette étude évalue l'énergie fournie à l'équivalent de 5000 litres de fuel par hectare et par an. Remplacer les énergies fossiles et nucléaire par du biogaz nécessiterait à peu près toute la surface de l'Allemagne[3].

Le rendement d'exploitation d'une cogénération chaleur-électricité est au mieux de 70 %. Soit 30 % de pertes. En France l'électricité est produite sans GES ou presque, ce qui n'est pas le cas en Allemagne. L'utilisation de la chaleur est saisonnière et requiert une certaine proximité avec les utilisateurs et un réseau de distribution couteux.

L'injection, elle est autorisée dans une certaine limite, notamment pour les fumiers équins, donne un rendement d'exploitaion de 90 %. Soit 10 % de pertes. La consommation de gaz est aussi saisonnière mais présente un étiage supérieur en été du fait des cuisines, la production de biométhane en été trouve un débouché que ne trouve pas la chaleur de cogénération.

Fontainebleau, accompagnée par l'Ecole Supérieure des Mines met en route une méthanisation-injection de 30.000 tonnes/an de fumiers de cheval sous le nom de projet : EQUIMETH.

Au Mali, des projets pilotes ont été menés dans des zones isolées, pour mesurer comment le biogaz pouvait produire de l'énergie à usage domestique dans une optique durable. L'expérience a montré qu'avec la formation d'artisans locaux pouvant prendre en charge la production des équipements nécessaires (gazomètre, digesteur) et la formation des familles à l'entretien des équipements, le biogaz peut être une alternative viable à l'utilisation des combustibles ligneux pour la cuisson des repas et améliorer les conditions de vie par d'autres apports en énergie (réfrigération notamment). La pression sur les ressources ligneuses a diminué et le compost produit a été utilisé pour fertiliser les sols. Un appui financier reste nécessaire pour la mise en place du système (équipements, installation, formation)[4].

Arti, une organisation non-gouvernementale en Inde, développe un simple digesteur d'1m3 (surélevé) pour les Tropiques qui utilise les déchets de la cuisine (riches en amidon et sucres) pour produire le biogaz. 1 kg de déchets produit 400 litres de méthane en 6 à 8 heures, ce qui suffit pour environ 15 à 20 min de cuisine[5].

Biogasmax : l'énergie des déchets pour un transport urbain environnemental

Biogasmax est un projet européen du 6e Programme Cadre de Recherche et Développement FP6 – 6e PCRD (2000-2006) de la Commission Européenne. Il fait partie des initiatives de l'Europe pour réduire sa dépendance aux carburants fossiles. Partant d'expériences existantes en Europe, il promeut des techniques et des réalisations prouvant l'intérêt de l'utilisation du biogaz comme carburant pour le transport terrestre, sur la base des gisements disponibles dans les zones urbaines en Europe.

Ce projet d’une durée de 4 ans tendra à prouver la fiabilité technique et à poser les bénéfices environnementaux, sociétaux et financiers. Sur la base de démonstrations grandeur nature, le projet permettra d'optimiser les procédés industriels existants et d'effectuer des recherches sur des nouveaux. En plus de sa valeur technique, Biogasmax a une fonction d'éclaireur afin de réduire les barrières à l 'entrée, qu'elles soient techniques, opérationnelles, institutionnelles ou réglementaires. Les connaissances acquises seront diffusées sur l'ensemble de l’Union Européenne, spécialement dans les nouveaux états membres.

De fait, ce projet ne part pas d'une situation vierge ; ses membres participent à des projets innovants dans ce domaine, depuis longtemps pour certains. Il s'agit donc d'un projet européen de preuve et non d'intention.

Biogasmax regroupe des villes telles que Lille en France, Stockholm et Göteborg en Suède, Rome en Italie, Berne en Suisse, Torun et Zielona Gora en Pologne. Le projet s'est entouré de compétences pointues, en Allemagne (ISET à Kassel pour les aspects d’épuration et de concentration du biogaz, l’Université de Stuttgart pour l’analyse du cycle de vie du biométhane-carburant), de supports de transfert de compétences, ainsi que d'un ensemble de partenaires publics et privés dans les pays concernés : opérateurs de gestion des déchets et de l’énergie principalement.

La plupart des expériences les plus abouties actuellement qui concernent l'utilisation du biogaz comme carburant sont représentées au sein de Biogasmax, ce qui donne un cadre de communication et d'action extrêmement prolifique.

Biogasmax représente une mise en perspective des expériences : chaque ville a situé sa stratégie propre et ses objectifs comme il est indiqué sur le site Web du projet ([1]). Un échange intense s'effectue entre les partenaires, qui se traduit par un certain nombre de résultats et de rapports techniques mis à disposition sur le Web. Cette visibilité des résultats s'accompagne aussi de documents stratégiques sur l'évolution du biométhane (biogaz adapté à la carburation des moteurs), sa participation à la prise en compte du changement climatique et l'assistance à sa prise en compte dans les métropoles urbaines. Ces échanges, fructueux de l'intérieur, se propagent ainsi à l'ensemble de la communauté intéressée, au fur et à mesure du projet et aussi à travers d’opérations ponctuelles de dissémination.

Avec l'acquisition des meilleures pratiques, les partenaires de Biogasmax sont capables de fédérer les meilleurs participants et de promouvoir la réflexion et les actions concernant cette démarche.

Pour plus d'information sur le projet européen Biogasmax, voir le site [2]. Les news et les téléchargements sont régulièrement mis à jour.

Bibliographie

  • Biométhane, Edisud/énergies alternatives, collection « Technologies douces », 1979, Bernard Lagrange. 2 tomes :
1. une alternative crédible, (ISBN 2-85744-040-5) 1
Ce premier tome sur le biométhane présente successivement la matière organique comme source d'énergie, les systèmes intégrés, la géopolitique du biométhane et les bioconversions comme technologie appropriée.
2. principes. techniques utilisations, (ISBN 2-85744-041-3) 2
Ce deuxième tome sur le biométhane présente la fermentation méthanogène, la digestion en continu comme moyen d'épuration, la digestion en discontinu et la production de biométhane, le gaz et ses applications, l'utilisation des effluents de la digestion.
  • Bertrand de La Farge, Le Biogaz. Procédés de fermentation méthanique, 1995, éd. Masson, 237 p.

Notes et références

  1. Phitsanu Tulayakul et al. , Comparative study of heavy metal and pathogenic bacterial contamination in sludge and manure in biogas and non-biogas swine farms  ; Journal of Environmental Sciences Volume 23, Issue 6, June 2011, Pages 991-997 ; doi:10.1016/S1001-0742(10)60484-6 (Résumé)
  2. Avis de l'Afsset du 29 octobre 2008 : « Biogaz : L’Afsset rend un avis favorable pour l’injection de certains types de biogaz dans le réseau de gaz naturel »
  3. Article Kabasci, Fraunhofer Institute
  4. Production et usage de biogaz dans 4 communes de la région de Kayes (Mali)
  5. Arti biogaz digesteur (Inde)

Voir aussi

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