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1 La méthanisation des déchets sources d énergie

2 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 : un mélange gazeux composé majoritairement de méthane : le biogaz, un 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 La digestion - le digesteur 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. 2

3 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... 3

4 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 CO 2 et gaz à effet de serre (GES)! 4

5 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 MATIÈRE ORGANIQUE FRAÎCHE Acidogenèse MATIÈRE ORGANIQUE SOLUBLE Acidogenèse 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 5

6 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. 6

7 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 La logique «produit» Le digestat pourra être considéré comme un produit dans la mesure où il a fait l objet d une homologation ( norme NFU ). Cette homologation est assez lourde et coûteuse à mettre en place. La logique «déchet» Le digestat est directement valorisé par épandage agricole. Logique «produit» Logique «déchet» Plan d épandage Inutile Obligatoire Responsable des Utilisateur Producteur épandages Réglementation Norme (NF U ) Arrêté (ICPE) Mise en oeuvre Lourde et coûteuse Moins lourde et moins coûteuse Traçabilité des épandages Non Oui Digesteur 7

8 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) Méthane (CH 4 ) % Dioxyde de carbone (CO 2 ) % Vapeur d eau (H 2 O) 2-7 % Azote (N 2 ) 0-2 % Hydrogène (H 2 ) 0-1 % Oxygène (O 2 ) 0-2 % Hydrogène sulfuré (H 2 S) 0-2 % 8

9 LES VOIES DE VALORISATION DU BIOGAZ Épuration BIOGAZ Combustion CARBURANT RÉSEAU GAZ DE VILLE CHALEUR 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). La 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 RACHAT EDF CHALEUR VALORISATION DIGESTEUR (20 À 40 %) VENTE (entreprises, collectivités) RÉMUNÉRATION UTILISATION SUR SITE (bâtiments, habitations) ÉCONOMIE D ÉNERGIE 9

10 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. 10

11 Exemple de planning de livraison d une unité de méthanisation (source Chambre Agriculture) Sécurisation d approvisionnement du digesteur : un 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. réfléchissez 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 /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) 11

12 Document édité par le Conseil régional du Centre - Décembre Crédits photos : ARESTEANU Géraldine, FOULON Pascal, BERSSONET Christophe, PALIS William, LERAY Laetitia, Phoivoir.fr et Sources internet- Impression : IDB Beauvallet - Imprimé sur papier PEFC Conseil régional du Centre 9 rue Saint-Pierre-Lentin Orléans Cedex 1 Tél. : Fax :

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