MÉTHANISATION EN INDUSTRIE ET SUR STATION D ÉPURATION Intérêts et grandes étapes d un projet

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1 Crédits photos : Région Alsace, Stadler/Région Alsace MÉTHANISATION EN INDUSTRIE ET SUR STATION D ÉPURATION Intérêts et grandes étapes d un projet Contact : Région Alsace Virginie WOLFF virginie.wolff@region-alsace.eu ADEME Alsace Jonathan MULLER jonathan.muller@ademe.fr Programme energivie.info

2 Table des matières Page 1. Introduction 2 2. Etat de la filière et enjeux pour l'alsace 2 3. Présentation de la filière Déchets traités Technologies 6 4. Intérêt de la filière Valorisation du digestat Valorisation du biogaz 6 5. Les facteurs de succès d'un projet L'inscription dans une logique territoriale La qualification du gisement La garantie des débouchés La faisabilité technique 8 6. Les étapes d'un projet Démarches administratives Contexte réglementaire Les éléments économiques Coûts Revenus liés aux produits Les tarifs d achat d électricité Les tarifs d achat du biométhane injecté sur le réseau Aides 12 1

3 1. Introduction La présente fiche a pour vocation de renseigner les porteurs de projets de type industriels ou exploitants de STEP dans le cadre de la mise en œuvre d'une méthanisation de leurs déchets et effluents. 2. Etat de la filière et enjeux pour l'alsace La méthanisation des déchets ne concerne en Alsace à ce jour qu'un faible nombre de sites (cf. carte suivante). 2

4 Carte des installations en fonctionnement (Etat au 01/07/2012) 3

5 Pourtant, l'enjeu énergétique régional lié à cette filière méthanisation est important : 86 millions Nm 3 /an de méthane, soit plus de 74'400 TEP/an, dont : 70 millions Nm 3 /an de méthane pour l'agriculture, 8.3 millions Nm 3 /an de méthane pour les collectivités, 8 millions Nm 3 /an de méthane pour les industriels. La carte suivante présente la répartition des gisements localisés géographiquement. L'ensemble des gisements est présenté dans le tableau suivant (localisés et non localisés). Carte de répartition des gisements 4

6 Les gisements des industriels sont détaillés dans les tableaux suivants. Effluents vinicoles - matière - collecte global Tonnage mobilisable 100 % 20 % 20 % 7'000 IAA animales 53 % 75 % 39 % 10'434 IAA végétales 74 % 95 % 70 % 95'900 Total 113'684 Synthèse de la mobilisation possible pour les déchets des IAA - matière - collecte global Tonnage mobilisable Restes de repas 90 % 50 % 45 % 13'931 Huiles Alimentaires Usagées (HAU) 50 % 50 % 25 % 584 Graisses 50 % 50 % 25 % 1'557 Commerce et artisanat (GMS, boulangeries) 100 % 50 % 50 % 5'799 Total 21'871 Synthèse de la mobilisation possible pour les restes de repas, HAU, graisses, déchets du commerces et de l'artisanat - matière - collecte global Tonnage mobilisable Boues industrielles 38 % 100 % 38 % 24'625 Synthèse de la mobilisation possible pour les boues d'épuration industrielles Dans ce contexte, les STEP et les industriels ont un rôle à jouer afin de développer la filière méthanisation. Plusieurs stratégies sont envisageables : Digestion spécifique pour les boues d'une STEP, éventuellement codigestion d'autres substrats (exemple : déchets liquides agroalimentaires à forte DCO), pour accroître la production de biogaz. En effet, les boues étant faiblement méthanogènes, la codigestion peut s'envisager parfois sur des installations existantes, sans modification du volume des digesteurs existants, Digestion sur une STEP d'autres boues de STEP voisines. Sur une STEP de grande capacité, on peut accepter des boues liquides de petites STEP après avoir traité les aspects réglementaires avec la DREAL, 5

7 Utilisation du site de la STEP pour installer une unité de digestion spécifique. C'est le cas du SIVOM du Bassin de l'ehn : on s'appuie sur un concept technique et on profite des synergies (traitement des effluents produits par la méthanisation sur la STEP). 3. Présentation de la filière La méthanisation en STEP ou industrielle concerne différents acteurs d un territoire : collectivités et industriels. Que ce soit pour le traitement d'effluents, de déchets ou de boues d'épuration, ces deux acteurs sont susceptibles de mettre en œuvre un projet de méthanisation. 3.1 Déchets traités Les déchets traités par les industriels ou les STEP industrielles au travers de cette filière peuvent être : Boues d'épuration, Effluents ou déchets d'industries agroalimentaires animales ou végétales, Lies, marcs, Restes de repas, 3.2 Technologies Huiles alimentaires usagées (HAU), Graisses, Déchets de Grandes Surfaces (GMS), boulangeries, Etc. On peut distinguer deux grandes familles de technologies de méthanisation : en "milieu liquide", avec des technologies de transfert et d agitation classiques (pompes de type liquides, agitateurs mécaniques ou bullage), en "solide" ou plus exactement en milieu pâteux à forte teneur en matières sèches, avec des technologies de transfert et d agitation plus spécifiques. Les premières ont l avantage de la simplicité technique (alimentation, agitation, déshydratation en sortie digesteur) au prix de plusieurs inconvénients : un besoin de volume de digesteur plus important à flux organique identique à traiter, de plus grandes consommations énergétiques de chauffage, un traitement seulement possible des déchets fins (graisses, biodéchets prétraités, etc.). Les secondes ne sont pas utilisées en STEP mais peuvent l'être sur des déchets industriels pâteux. Ils permettent un volume de digesteur moins important, une économie de consommation d énergie de chauffage, etc. Toutefois la conduite de ces installations est plus technique. On distingue deux cas de figure : le cas où l industriel a sur son site l installation de méthanisation (plus de 95 % des cas), le cas où l industriel donne son effluent à traiter en dehors de son site sur la zone industrielle à une STEP exploitée par un exploitant propre. Une analyse des technologies par type de gisement est présentée dans le tableau suivant. Les valeurs données concernant les capacités sont à titre indicatif des valeurs minimales d'installations pour la catégorie concernée. 6

8 Type de technologie Type de substrat Digesteur step 500 kgdco/j Digesteurs step 15'000 EH Biodéchets Boues step urbaines ou industrielles IAA déchets solides Lit fixe ou UASB 1 IAA effluents Effluents peu chargés en MES ex. process conserveries et chargés en DCO soluble Infiniment mélangé Limite 10 % MS dans le digesteur produit pompable Limite 10 % MS dans le digesteur produit pompable Ex. vinasses distillerie Synthèse des technologies envisageables en fonction du type de gisement 4. Intérêt de la filière Dans l'industrie, les unités de méthanisation étaient destinées à traiter des effluents ou des déchets avant leur rejet en station d épuration ou dans le milieu naturel. C était avant tout la capacité épuratoire de la méthanisation qui était recherchée par l abattement de la charge organique (DCO) ou dans certains cas, la mise aux normes réglementaires (Directive Cadre Eau). Pour les boues, c'était une réduction de la quantité de boues à traiter qui était recherchée, avec des économies sur la filière aval de valorisation. Aujourd hui, la tendance est à la mise en œuvre de cette filière pour : une réduction des coûts de traitement, une valorisation de l énergie produite à partir de biogaz, une réduction des émissions de gaz à effet de serre. En effet, la méthanisation permet une double valorisation : 4.1 Valorisation du digestat En fonction du type de déchets traités et du mode de traitement, le digestat peut être destiné à différents modes de valorisation : Valorisation agronomique, après différents traitements possibles : déshydratation, séchage, compostage, etc. (à privilégier du fait du retour à la terre de la matière organique), Combustion (en cas de pollution du digestat ou d'impossibilité d'épandage). 4.2 Valorisation du biogaz La production de biogaz sera directement dépendante du type de déchet traité. Une moyenne est proposée par type de déchet dans le graphique suivant. 1 Le procédé UASB ( Upflow Anaerobic Sludge Blanket ) est un procédé à courant ascendant dans un lit de boues anaérobies, encore connu sous la dénomination de procédé à boues granuleuses. Il est réservé aux effluents liquides. 6

9 Nm3 méthane / t matière brute Potentiel méthanogène moyen Biodéchets Boues urbaines Déchets d'iaa animales Déchets d'iaa végétales Graisses Boues industrielles Substrats Potentiel méthanogène de différents déchets méthanisables Le biogaz produit lors de la phase de fermentation active est entièrement capté et stocké. Après stockage et traitement éventuel, plusieurs voies de valorisation peuvent être envisagées : La valorisation thermique : brûlage du biogaz en chaudière avec valorisation de la chaleur dégagée, La valorisation électrique : transformation en électricité grâce à un groupe électrogène, La valorisation énergétique mixte ou «co-génération» : la production d électricité peut être couplée avec celle de la chaleur, La production de méthane carburant, L injection du méthane épuré dans le réseau de gaz naturel. A noté qu'à ce jour, la réinjection de méthanise issu de la méthanisation de boues d'épuration n'est pas encore autorisée. 5. Les facteurs de succès d'un projet Afin de garantir le succès d'un tel projet, plusieurs facteurs sont à considérer : 5.1 L'inscription dans une logique territoriale La méthanisation, même au niveau d'une STEP, s'inscrit dans une démarche d'aménagement du territoire et peut être amenée à évoluer dans le futur. Aussi, elle doit s'inscrire dans un schéma régional, départemental ou local de gestion des déchets et de l'énergie, afin de conserver la cohérence souhaitée à l'échelle supérieure. De cette manière, le traitement des déchets devra s'effectuer dans le périmètre économique des déchets produits, afin d'éviter des déséquilibres (épandage du digestat), de garantir une pérennité économique (coûts) et environnementale (nuisances liées au transport, bilan des émissions de gaz à effet de serre). 5.2 La qualification du gisement Avant toute chose, une bonne définition du gisement est nécessaire afin de s'assurer : De réunir une quantité de matière apportant un potentiel méthanogène suffisant, 7

10 D'avoir un gisement pérenne (attention aux gisements non captifs, pouvant être attirés par d'autres filières), ceci est valable pour les co-substrats qui pourraient être méthanisés avec des boues de STEP, D'avoir un gisement dont la logistique (y compris collecte) est maîtrisée, afin d'avoir des distances de transport des matières réduites. Dans le cas des boues de STEP, on note quelques cas de boues déshydratées qui sont ensuite digérées après transport mais on peut rencontrer le pompage de boues liquides sur de courtes distances entre deux STEP, D'avoir un gisement bien caractérisé (impacts sur la technique et le bilan financier du projet), D'anticiper des évolutions de ce gisement (quantité et qualité), De s'assurer de la qualité des déchets entrants (besoins de prétraitement, impossibilité d'épandage du digestat), Etc. 5.3 La garantie des débouchés Une analyse approfondie des débouchés est nécessaire afin de s'assurer : D'avoir un débouché énergétique permettant une bonne valorisation du biogaz (notamment la chaleur dans le cas d une cogénération et le biométhane dans le cas de l injection sur le réseau), constante sur l'année, D'avoir des débouchés pour l utilisation du digestat (surfaces agricoles, contraintes spécifiques), De disposer d'une solution alternative à mettre en place en cas de contamination passagère des boues. 5.4 La faisabilité technique Une analyse technique du projet est nécessaire afin de s'assurer : de la technologie à mettre en oeuvre des pré-traitements éventuels : éliminer les matériaux indésirables (inertes, plastiques, métaux ), homogénéiser le substrat avant son introduction en digesteur (broyage par exemple), éventuellement l'humidifier (procédés en voie liquide). des post-traitements éventuels : déshydrater le digestat, compléter sa fermentation et son hygiénisation (maturation), conditionner le digestat en vue de son écoulement final. Des sous-produits à éliminer : Les refus de tri sont les matériaux retirés soit avant, soit après la méthanisation, par différents moyens (tri manuel, granulométrique, gravimétrique, magnétique, etc.) : déchets ligneux, déchets de grande taille, métaux ferreux, inertes, etc., à traiter par d autres techniques (compostage, incinération, stockage en centre d enfouissement, etc.), 8

11 La fraction liquide excédentaire est celle qui n est pas recyclée par le process lui-même. Lorsqu elle ne peut être valorisée telle quelle comme fertilisant liquide, elle est traitée en station d épuration ou sur site. Ce dernier point montre l'intérêt d'une synergie avec les STEP existantes pour ce type de traitement. 6. Les étapes d'un projet Le déroulé d un projet de méthanisation se découpe en deux grandes phases : la phase décisionnelle ou phase d étude qui va permettre de montrer ou non la faisabilité technico-économique du projet, la phase opérationnelle où se déroulent en parallèle les démarches administratives, le choix des entreprises puis la construction et la mise en service. 6.1 Démarches administratives Que ce soit au stade de l'étude ou de l'investissement, il est important de solliciter les financeurs potentiels qui sauront vous orienter vers des contacts techniques pertinents et vous informer sur les solutions existantes. Ce type de projet peut être le fruit d une démarche collective entre plusieurs agriculteurs. Dans ce cas, il faut définir une nouvelle structure, les apports, les parts, les modalités de gouvernance, les limites de la structure par rapport aux autres activités et les transactions effectuées. Débuter les démarches relatives aux ICPE (Installations Classées pour la Protection de l Environnement) en lien avec la Direction Régionale de l Environnement, de l Aménagement et du Logement ou la Direction Départementale de la Cohésion Sociale et de la Protection des Populations. Déposer une demande de permis de construire qui devra prendre en compte le Plan Local d Urbanisme (ou POS ou Carte Communale) : l unité de méthanisation peut être considérée soit comme un équipement industriel soit comme un équipement agricole si la proportion d effluents agricoles méthanisés est supérieure à 50 %. Pour la valorisation de l électricité produite, il faut obtenir deux contrats : 9

12 un contrat de raccordement qui règle les détails de l acheminement sur le réseau de l électricité produite, un contrat de vente d électricité qui concerne la vente de l électricité produite. Les deux démarches sont interdépendantes et s accompagnent de trois démarches complémentaires : la déclaration d exploiter, le certificat ouvrant droit à l obligation d achat et l identification de l installation par l ADEME. Pour l'injection, il faut obtenir trois contrats : contrat de raccordement entre le producteur et le gestionnaire de réseau, contrat d'injection entre le producteur et le gestionnaire de réseau, contrat d'achat entre le producteur et le fournisseur de gaz naturel. La procédure comprend deux étapes principales : Etude de faisabilité. Cette étude permet de s assurer de la proximité du réseau et de valider que les consommations de gaz naturel sur la zone d injection sont bien en adéquation avec les quantités de biométhane que le producteur prévoit d injecter pour que le réseau ne soit pas soumis à surpression, Etude de raccordement. 6.2 Contexte réglementaire La réglementation applicable à une démarche méthanisation a été éclaircie fin 2009 avec la parution du Décret no du 26 juillet 2010 modifiant la nomenclature des installations classées pour la protection de l'environnement. L installation peut être soumise à déclaration (<30t/j), enregistrement >30t/j et >50t/j) ou autorisation (>50t/j) selon le tonnage de déchets traités. Dans le cas, d une installation soumise à autorisation, une enquête publique devra être menée. Il faut également tenir compte des substrats entrants, de leur classe (végétaux ou non) et de leur type (sous-produits animaux (SPA) ou non) et de la proportion d'effluents agricoles. Critère Choix Implication Classe déchets Agricoles et végétaux Si < 30 t/j : déclaration contrôlée Si > 30 t/j et < 50t/j : enregistrement Si > 50 t/j : autorisation Hors liste Autorisation Type SPA cat 3 Autorisation (dès le premier kg introduit) Prétraitement par hygiénisation SPA cat 2 Autorisation (dès le premier kg introduit) Prétraitement par stérilisation SPA cat 1 Pas de méthanisation possible Proportion d effluents agricoles Non SPA Pas de prétraitement exigé < 50% Unité pouvant être implantée en zone agricole > 50% Unité ne pouvant être implantée en zone agricole Exigences réglementaires vis-à-vis des substrats 10

13 Tarif (ct /kwh) A noter que les installations de méthanisation d eaux usées ou de boues d épuration urbaines lorsqu elles sont méthanisées sur leur site de production ne sont pas concernées par cette législation mais sont régies par la Loi sur l'eau. 7. Les éléments économiques 7.1 Coûts Les coûts d'investissements sont variables. A titre d'exemple, la mise en œuvre d'une unité de méthanisation sur une STEP de 60'000 EH correspond à un investissement d'un peu plus de 1.3 millions euros HT pour un gisement de 1'300 tms/an à traiter. Cet investissement comprend le digesteur (1600 m 3, les installations de stockage du biogaz, le génie civil et les automatismes). Les postes de valorisation du biogaz sont à ajouter à cet investissement (épuration, cogénération, livraison et comptage, groupes électrogènes, etc.). 7.2 Revenus liés aux produits Les tarifs d achat d électricité Le texte de référence du tarif applicable aux installations de méthanisation est l arrêté du 19 mai 2011 fixant les conditions d achat de l électricité produite par les installations qui valorisent le biogaz. Le tarif comprend 3 éléments : Un tarif de base fonction de la puissance électrique installée, Une prime à la valorisation de l énergie primaire produite, Une prime pour le traitement d effluent (non applicable dans le cas présent d'un projet industriel ou de boues d'épuration) Tarif de base Base+ prime énergétique Base + Pe + Prime Ef Puissance électrique maximum (kwe) 11

14 Puissance électrique installée Tarif de base [c /kwh] Prime à l efficacité énergétique [c /kwh] Prime aux effluents d élevages [c /kwh] Pmax 150 kw 13,5 0 à 4 2,6 (fonction du taux de valorisation énergétique de Pmax = 300 kw 12,8 1,5 Pmax = 500 kw 12,3 0,9 40% à 75%) Pmax = kw 11,8 0 Pmax kw 11,3 Les valeurs intermédiaires sont déterminées par interpolation linéaire Les tarifs d achat du biométhane injecté sur le réseau Le tarif d achat du biométhane injecté est calculé sur la base des prix indiqués dans l arrêté du 23 novembre 2011 (Arrêté du 23 novembre 2011 fixant les conditions d'achat du biométhane injecté dans les réseaux de gaz naturel). Le tarif se compose de deux éléments : Un tarif de base, qui dépend du débit maximum de biométhane injecté, Une prime aux intrants, dépendant du type d intrants introduits dans le digesteur. 7.3 Aides Plusieurs sources d'aides sont envisageables pour le montage d'un tel projet : Programme energivie.info de l ADEME et la Région Alsace : appel à projets en cours, voir Europe (aides FEDER, ) Agence de l'eau Rhin Meuse : L'Agence de l'eau est un acteur incontournable pour la gestion de l'assainissement et des sous-produits générés, dont les boues d'épuration font partie Conseil Général : financement au cas par cas EPCI : certains EPCI ont des fonds pour ce type de projets de développement d activité économique locale et de production d énergies renouvelables OSEO : Entreprise publique, OSEO exerce trois métiers : l'aide à l'innovation, la garantie des concours bancaires et des investisseurs en fonds propres, et le financement en partenariat. OSEO peut ainsi aider les porteurs de projets d'unités de méthanisation 12

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