Production de Biogaz L Allemagne leader incontesté. La France demeure incontestablement en retrait!

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1 Production de Biogaz L Allemagne leader incontesté. La France demeure incontestablement en retrait! Actualisation janvier 2009

2 Processus de production de biogaz BIOMASSE Matière organique fraîche (déjections, déchets d verts, végétaux) v Hydrolyse et acidification Matière organique soluble Acétogénèse Acide acétique Méthanogénèse Biogaz + digestat 2

3 Biogaz : composition, production, utilisation Le biogaz est un mélange contenant principalement du méthane (50 à 70%), du dioxyde de carbone, de l eau, de l azote, de l hydrogène sulfuré et de l oxygène. Du fait d une forte concentration en méthane, le biogaz est un bon fournisseur d énergie (1m 3 de biogaz a un pouvoir calorifique de 6 kwh soit l équivalent de 0,6 l de fuel). Le biogaz est obtenu par fermentation anaérobie de matières organiques d origine végétale ou animale. La dégradation des substances organiques se déroule en plusieurs étapes sous l action de populations bactériennes (Cf. schéma ci-contre). Ce processus s observe fréquemment dans certains milieux naturels comme par exemple les marais («gaz de marais»). Il peut être initié artificiellement dans des enceintes closes (digesteurs) où sont associés des substrats organiques solides ou liquides et des cultures bactériennes. Les différentes réactions fermentaires sont alors contrôlées et optimisées. Électricité Chaleur Biogaz (dont méthane) m Moteur à gaz Matières premières res Digesteur Post-digesteur Stockage du digestat Installation de méthanisation m (principe et fonctionnement) Épandage du digestat Le rendement en biogaz dépend de la nature du substrat fermenté (composition et teneur en eau), de la durée de fermentation et des conditions de fermentation. En règle générale, la durée totale de fermentation varie entre 60 et 80 jours (digesteur et post-digesteur). Un brassage régulier doit avoir lieu pour homogénéiser le substrat et favoriser la production de biogaz. Enfin, l activité bactérienne est optimale lorsque la température est de 38 C et le ph compris entre 7,5 et 8. 3

4 Rendement en biogaz selon le type de matière organique Source : IUSE - Allemagne L épandage du digestat Source : Fachverband biogas 4

5 Le choix de la biomasse qui va être fermentée est important. Pour maximiser la production de méthane, il est souhaitable d utiliser des produits riches en graisses, en hydrates de carbone et en protéines. Les produits ligneux (bois, branchage) ne sont pas utilisables car non dégradés par les bactéries. Outre le type de matière organique utilisé, le mode d incorporation (fréquence et quantité) est un élément crucial pour le bon fonctionnement de l installation. Une alimentation du digesteur mal gérée et déséquilibrée peut engendrer un dysfonctionnement du complexe bactérien voire un blocage du digesteur en cas d acidose (ph < 7). Un digesteur en acidose doit être vidangé et il ne redevient vraiment productif que 12 à 15 semaines plus tard! Même si elles sont peu méthanogènes, les déjections animales sont intéressantes à utiliser car elles permettent de régénérer les populations bactériennes (bactéries présentes dans le lisier). S agissant des matières organiques végétales issues de l agriculture, l ensilage de maïs obtient le meilleur rendement en biogaz à l hectare. Il devance la betterave et se positionne donc comme une culture énergétique leader. Culture Rendement brut (t/ha) Rendement en gaz (m 3 /t) Rendement en gaz (m 3 /ha) Pommes de terre Grain de blé Epis de maïs Blé, plante entière Herbe Betterave fourragère Ensilage de maïs Source : IUSE - Allemagne Au terme de la fermentation des matières organiques, on obtient un digestat qui, après maturation, s apparente à un compost liquide, plus fluide que du lisier et quasiment inodore. Sa valeur fertilisante étant intéressante (forte proportion d azote ammoniacal), il peut remplacer partiellement ou en totalité l engrais minéral. En utilisant un séparateur de phase, il est possible d obtenir un produit solide qui s emploie comme un amendement de fond et un produit liquide utilisable comme un engrais liquide. 5

6 Générateur fonctionnant au méthanem Source : IUSE - Allemagne 6

7 Les utilisations du biogaz Le méthane issu du biogaz est utilisé comme source énergétique dans de nombreuses applications. Certaines d entre elles sont largement développées et l offre industrielle et commerciale est solidement établie. Il s agit notamment de : la production de chaleur sous forme d eau chaude ou de vapeur, la production d air chaud pour le séchage, la production d électricité par moteur ou turbine à gaz, la production combinée d électricité et de chaleur par cogénération. D autres filières sont en phase de développement, cela concerne principalement la production de biocarburants. D après les résultats de certains travaux de recherche, le biogaz issu d un hectare de maïs permet de produire suffisamment de carburant pour faire parcourir à une automobile km. Biogaz et environnement La production et l utilisation du biogaz ont un impact positif sur l environnement. En effet, le biogaz se substitue très fréquemment aux énergies fossiles ce qui contribue à réduire les émissions de gaz à effet de serre, responsables en partie du dérèglement climatique. Au cours de leur transformation, les matières organiques végétales utilisées directement ou indirectement pour produire du biogaz émettent la même quantité de CO 2 que celle absorbée pendant leur croissance ou leur production. Dès lors, l utilisation de la biomasse, continuellement renouvelable, engendre un processus de cycle. L émission de CO 2 est maîtrisée et stabilisée. De plus, dans le cas des effluents d élevage, la production de biogaz permet de limiter considérablement les rejets de méthane qui est l un des principaux gaz à effet de serre (l effet du méthane est 25 fois plus important que celui du CO 2 ). 7

8 La filière biogaz allemande en quelques chiffres : installations produisant du biogaz ont été répertoriées à la fin de l année 2007 en Allemagne (dont installations agricoles). La puissance électrique totale provenant de ces installations atteint mégawatts. L Allemagne comptera installations de biogaz en Avec la production de biogaz, l Allemagne dispose, à ce jour, d un potentiel énergétique annuel équivalent à 30 millions de tonnes équivalent pétrole. Aujourd hui la filière biogaz allemande permet une réduction des émissions de gaz à effet de serre de l ordre de 6 millions de tonnes équivalent CO 2. En 2020, la réduction atteindra 60 millions de tonnes équivalent CO 2. Le secteur du biogaz allemand a investi 800 millions d euros dans la construction d installations et a créé plus de emplois. Le chiffre d affaires de la branche biogaz devrait augmenter pour atteindre 7,5 milliards d euros en 2020 et emplois seront alors générés. Près des 2/3 du chiffre d affaires du secteur biogaz revient directement aux régions (Länder). L électricité produite à partir du biogaz engendre un surcoût minime pour le consommateur final de 0,001 /kwh. 8

9 Biogaz : le contexte allemand La bioénergie est une énergie renouvelable très développée Outre-Rhin. Les principales applications sont la combustion de la biomasse solide dans des chaufferies et la fermentation de matières bioénergétiques liquides ou solides dans des installations de production de biogaz. La combustion du biogaz collecté permet de générer de la chaleur et de l électricité par cogénération. Le secteur allemand fait figure de leader mondial dans le domaine de la production de bioénergie. Les compétences des entreprises allemandes en matière de conception, de construction, de mise en service et de maintenance des installations de production de biogaz sont unanimement reconnues. De même, la longue expérience dans la gestion commerciale et la biologie des processus fermentaires sont un gage de succès pour l exploitation et la rentabilité des installations germaniques. Un cadre réglementaire qui encourage le développement de la bioénergie. La législation allemande encourage le développement de la bioénergie de manière décisive grâce, principalement, à trois outils de promotion : La loi sur les énergies renouvelables (Erneuebare Energien-Gesetz), Le Programme d incitation de marché en faveur des énergies renouvelables, Un système de déduction fiscale pour l emploi des biocarburants. 9

10 Source : Fachverband Biogas Bilan et perspectives du nombre d installations et de la production électrique générée par le biogaz en Allemagne Bilan et perspectives économiques de la filière biogaz en Allemagne 10

11 Le but de la loi sur les énergies renouvelables est de favoriser la production d électricité à partir des différentes sources de bioénergie de façon à atteindre le seuil minimum de 20% sur le marché de l électricité à l horizon L élément moteur est un tarif minimal garanti durant plus de 20 ans pour toute injection d électricité issue des énergies renouvelables sur le réseau électrique public. Les gestionnaires du réseau s engagent à accepter le courant issu de la bioénergie et à le payer conformément aux tarifs définis par la loi. Le montant de la rémunération dépend de la technologie employée, de la taille de l installation et du type de matière première utilisé. Une rémunération bonus est appliquée dans le cas de la cogénération et de l utilisation de technologies novatrices. Source : ADEME Un secteur économique en pleine expansion. A la fin de l année 2007, on dénombrait installations allemandes produisant du biogaz et délivrant une puissance électrique totale de mégawatts. Selon certaines estimations, cette puissance pourrait atteindre mégawatts en Le secteur du biogaz allemand a investi près de 800 millions d euros dans la construction d installations et créé environ emplois. D ici à 2020, ce secteur pourrait employer, à lui seul, jusqu à salariés. Les régions rurales se trouvent ainsi stimulées par la construction de nombreuses installations appartenant au monde agricole. Le biogaz dope également le marché extérieur allemand. Les exportations de l industrie allemande dans ce secteur s élevaient à 27 millions d euros en 2004 soit 10% du chiffre d affaires (CA). A long terme, la part des exportations pourrait dépasser 30% du CA. 11

12 Allemagne Italie Autriche Suisse Luxembourg Belgique Pays-Bas Source : ADEME France Nombre d installations d à la ferme en Europe (fin 2002) Prix d achat de l électricité Puissance de l installation Prix en /kwh moins de 150 kw 0,1150 0,1133 0,1116 0,1099 de 151 kw à 500 kw 0,0990 0,0975 0,0960 0,0945 de 501 kw à 5 MW 0,0890 0,0877 0,0864 0,0851 de 5 MW à 20 MW 0,0840 0,0827 0,0815 0,0803 Prime pour l utilisation de cultures énergétiques Puissance de l installation Montant de la prime ( /kwh) moins de 150 kw 0,06 de 151 kw à 500 kw 0,06 de 501 kw à 5 MW 0,04 de 5 MW à 20 MW 0 Prime pour la cogénération : 0,02 /kwh Rémunération de l él électricité produite à partir de biomasse (Allemagne) 12

13 Biogaz et agriculture allemande. Près de installations «agricoles» de production de biogaz ont été construites ces quinze dernières années. Les matières premières d origine agricole représentent plus de 80% des substrats utilisés en Allemagne, dont 60% incombent aux cultures de plantes énergétiques. Encouragés par des aides financières pour les cultures énergétiques et par un tarif de rachat de l électricité garanti, les agriculteurs allemands ont trouvé un moyen de diversifier leur revenu tout en profitant des avantages de la bioénergie pour valoriser leurs déjections animales (désodorisation du produit et fluidification facilitant l épandage). Les installations agricoles ont recours à des technologies simples et fiables. Il s agit principalement de digesteurs cylindriques infiniment mélangés ou de digesteurs horizontaux à pistons et brassage mécanique, fonctionnant en milieu liquide (<12% MS). Le biogaz est valorisé par co-génération. L électricité est vendue et intègre le réseau public. La chaleur produite est utilisée sur place pour les besoins de chauffage du digesteur et des locaux annexes en hiver (en été la chaleur excédentaire n est généralement pas valorisée). Deux types de co-générateurs sont utilisés : moteur fuel/gaz pour les petites installations et moteur à gaz pour les installations plus importantes. L hydrogène sulfuré, nocif pour les générateurs, est épuré par voie biologique directement dans le digesteur ou éventuellement dans les stockeurs de digestat. L épandage du digestat suit la même réglementation que le lisier. La co-génération engendre une augmentation constante de la taille des installations de production de biogaz. Afin de rentabiliser leurs installations et de produire plus de biogaz, donc plus d électricité, les agriculteurs allemands pratiquent quasiment tous la codigestion. En d autres termes, aux déjections liquides (lisiers et purins) sont ajoutés des déchets organiques ou des cultures énergétiques (maïs ensilage principalement). Ces coproduits dopent la production de biogaz, et ce d autant plus qu ils sont riches en matière organique biodégradable. Enfin, les différents acteurs de la filière biogaz se sont organisés autour d une structure de communication et de défense des intérêts de la filière : la Fachverband Biogas. Les agriculteurs se mobilisent à travers elle pour obtenir, par exemple, des révisions législatives (depuis le 1 er août 2004, une augmentation des tarifs de rachat de l électricité à partir de cultures énergétiques a été obtenue). Par ailleurs, il existe de nombreux cabinets d études spécialisés qui montent les projets et accompagnent les agriculteurs. 13

14 Usine biogaz de WOTERSEN Source : Fachverband biogas Puissance de l installation : kw Année de construction : 2004 Main-d œuvre : 1,5 personnes Nombre d unité de production de biogaz : 3 Type de digesteur : digesteur infiniment mélangé Montant de l investissement : (part élevée d auto-construction) Coût annuel de maintenance de l installation : Vente d électricité : Valorisation de la chaleur : néant Substrat utilisé : ensilage de maïs à 32% de MS Quantité de substrat consommée quotidiennement : 75 tonnes Valorisation du digestat : épandage sur la culture de maïs (45 m 3 /ha) L usine de WOTERSEN produit du biogaz uniquement à partir d ensilage de maïs (variétés Caussade Semences utilisées : ASTERI CS, SEIDDI CS). La sole totale de maïs nécessaire pour approvisionner l usine dépasse 750 ha. Des contrats avec des agriculteurs ont été contractualisés pour garantir les stocks de maïs. Le prix d achat du maïs est fixé à 17,5 /tonne de matière brute sur pieds. La récolte est assurée par une entreprise qui permet un débit de chantier d ensilage de 30 ha/j. Les digesteurs sont alimentés en ensilage de maïs en continu. Ils produisent du biogaz pour 3 moteurs à co-génération. 14

15 Usine biogaz de HAREN Puissance de l installation : 500 kw Année de construction : 2005 Main-d œuvre : 2 personnes Nombre d unité de production de biogaz : 1 Type de digesteur : digesteur infiniment mélangé Montant de l investissement : Coût annuel de maintenance de l installation : Vente d électricité : Valorisation de la chaleur : séchoir de céréales Substrat utilisé : ensilage de maïs à 32% de MS Quantité de substrat consommée quotidiennement : 25 tonnes Valorisation du digestat : épandage sur la culture de maïs en contrat L usine de HAREN produit du biogaz uniquement à partir d ensilage de maïs (variétés Caussade Semences utilisées : SEIDDI CS, FRANKI CS). La sole totale de maïs nécessaire pour approvisionner l usine dépasse 250 ha. Des contrats avec des agriculteurs ont été contractualisés pour garantir les stocks de maïs. Le prix d achat du maïs est fixé à 25 /tonne de matière brute rendu usine. Le digestat est épandu sur les cultures en contrat. La chaleur est valorisée par un séchoir à céréales. Une réflexion est en cours pour valoriser aussi la chaleur dans un séchoir à bois. Sur le plan énergétique, l installation permet de couvrir les besoins de 900 habitations (électricité + chauffage). 15

16 La génétique g Caussade Semences testée e dans les essais allemands en 2006 SEIDDI CS Moyenne de l essai (10 variétés de maïs indice FAO 250 à 280) Source : Silomaïs Biogasversuch Roßleben 2006 Rendement (t matière brute/ha) 50,22 44,20 Biogaz produit/ha (m3/ha) 9 893, ,1 Teneur en méthane du biogaz (%) La génétique g Caussade Semences testée e dans les essais allemands en 2005 Teneur MS à la récolte (%) Rdt MS (dt/ha) Méthane produit (l/kg par dt de MS) Teneur en méthane du biogaz (%) Rendement méthane (m 3 /ha) FRANKI CS (Maïs) 33,1 152, Super Sile 20 (Sorgho sucrier) 24,9 121, Source : Essais officiels Allemagne 2005 (DLR, RNH, Versuchsbericht Biomasse) SCANDI CS ASTERI CS FRANKI CS SEIDDI CS 16

17 Maïs et biogaz en Allemagne : un partenariat gagnant! L ensilage de maïs est la matière première la plus utilisée dans de nombreuses installations. En Allemagne, plus de 50% des installations construites depuis 1999 fonctionnent avec du maïs. En 2006, ha de maïs ont été absorbés par la filière biogaz. A l horizon 2010, la sole de «maïs biogaz» devrait atteindre ha. L engouement pour l ensilage de maïs s'explique par le bon rendement énergétique de la culture. En effet, 1 hectare de maïs ensilé produit l équivalent de à kwh contre à kwh pour l ensilage d herbe et à kwh pour les céréales. Autre avantage du maïs pour la filière biogaz, sa fermentation n engendre pas de dégagement d hydrogène sulfuré (nocif pour les moteurs). Le biogaz produit n a donc pas besoin d être «épuré». Maïs et biogaz : choix variétal En Allemagne, de nombreux essais sont mis en place chaque année pour mesurer l aptitude des différentes variétés de maïs à produire du biogaz. Les variétés dites performantes sont celles qui ont : - un fort développement végétatif (maximiser le rendement MS/ha), - un taux de matière sèche de 32% à la récolte, - une bonne résistance à la verse, - un stay-green très marqué (limite la part des tissus lignifiés «non méthanisables»), - un excellent état sanitaire (pour éviter d incorporer massivement des plantes colonisées par des champignons pouvant perturber la flore bactérienne des digesteurs). 17

18 Production de biogaz : quelques repères économiques Coût d une unité de production d électricité à partir de biogaz : à /kw, pour une puissance inférieure à 100 kw (par exemple, pour une installation de 40 kw) à /kw, pour une puissance supérieure à 100 kw (par exemple, pour une installation de 500 kw) Coût annuel de maintenance de l installation de production de biogaz : 2 à 2,5% du montant de l investissement Coût annuel de maintenance du générateur : 15 à 20 /kw (soit à /an pour un générateur de 500 kw) Coût annuel de fonctionnement de l installation (électricité) : L installation consomme l équivalent de 6 à 10% de l électricité produite (brasseurs, pompes ). Le coût des matières premières est aléatoire et varie selon le type et l origine des produits employés (déchets, cultures énergétiques ). Temps de travail quotidien pour la gestion et la maintenance de l installation : 2 à 8 heures selon la taille de l installation (approvisionnement des digesteurs, contrôle et surveillance des digesteurs et des générateurs). Les recettes peuvent provenir de la vente d éd électricité,, de la valorisation de la chaleur produite par les générateurs, g d une d redevance liée à la valorisation des déchets d (de 20 à 60 /tonne), En France, des aides à l investissement peuvent être accordées par l ADEME, l les collectivités s territoriales (régions, départements) d ou l Europe. l Ces aides ne sont pas systématiques et sont donc attribuées selon la qualité du projet présent senté. 18

19 La filière biogaz en France : Qu en est-il? Contrairement à l Allemagne, la filière biogaz est encore très peu développée dans l Hexagone. La politique énergétique et environnementale en vigueur dans notre pays était, jusqu à présent, peu favorable au développement de la méthanisation dans le secteur agricole. En effet, à ce jour, au niveau national, le parc des méthaniseurs s élève à peine à 200 unités et le nombre d installations de type «agricole» est marginal. Le processus de méthanisation est surtout employé pour valoriser les boues de station d épuration (30% des boues produites sont méthanisées). L avenir de la filière biogaz semble cependant prometteur du fait d évolutions récentes au niveau politique, économique et technologique. Un arrêté en date du 10 juillet 2006 fixe les nouvelles conditions d achat de l électricité produite par des installations qui valorisent le biogaz. La tarification de l électricité devient plus attractive, elle s accompagne d une prime à l efficacité énergétique et d un contrat d achat contractualisé pour une durée légale de 15 ans. Le contexte énergétique est également plus favorable au développement de la méthanisation. Le coût des énergies fossiles et les incertitudes qui subsistent quant à leur pérennité (épuisement des réserves) rendent la filière biogaz beaucoup plus concurrentielle. Enfin, la méthanisation est une technologie dorénavant bien maîtrisée qui permet l émergence de projets plus performants au niveau du rendement énergétique et de la rentabilité économique. L Allemagne doit être une source d inspiration pour le développement de la filière biogaz française Tarification de l électricité issue de la méthanisation Puissance maximale de l installation Inférieure ou égale à 150 kw Entre 150 kw et 2 MW Supérieure ou égale à 2 MW Prix d achat de l électricité ( /kwh) 0,09 Interpolation linéaire 0,075 - Une prime à l efficacité énergétique de 0,03 /kwh est versée lorsque la valorisation énergétique totale (électricité + chaleur) est supérieure ou égale à 75%. - Une prime à la méthanisation de 0,02 /kwh est versée à la quasi-totalité des installations de production de biogaz. 19

20 Pour en savoir plus sur le biogaz : biogas.de made-in-germany.com