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B. LA VALORISATION DES PRODUITS ORGANIQUES PAR MÉTHANISATION (BIOGAZ)

1. Présentation

a) Le biogaz

 Le biogaz est un gaz combustible mélange de gaz carbonique et de méthane qui provient de la dégradation des matières organiques mortes, végétales ou animales, dans un milieu en raréfaction d'air (dit " fermentation anaérobie "). Cette fermentation est le résultat de l'activité microbienne naturelle ou contrôlée. C'est également un gaz riche en méthane, mais qui comporte des éléments difficiles à traiter, notamment les organes halogénés (chlore et fluor) provenant de la décomposition des plastiques et de la présence de déchets toxiques (bidons de lessive, piles...).

Le biogaz est produit à partir de la fermentation. Il existe donc plusieurs sources possibles d'émission avec chacune leurs caractéristiques :

 les boues des stations d'épuration. Le biogaz provient des matières organiques contenues dans les eaux. C'est un gaz riche en méthane, en hydrogène sulfuré, mais aussi en métaux lourds, provenant du recueil des eaux polluées par le lessivage des routes par la pluie:

 Les biogaz industriels ou agricoles (des industries agro-alimentaires, du lisier de porc) ;

 les biogaz des unités spécifiques de méthanisation liée au compostage. Normalement, il n'y a pas de biogaz en cas de compostage, puisque ce dernier nécessite, au contraire de la méthanisation, un traitement avec apport d'air. Mais il existe aujourd'hui des procédés mixtes qui permettent de produire à la fois de l'amendement organique et du biogaz ;

 le biogaz de décharge. Les décharges produisent spontanément du biogaz car les déchets fermentescibles y sont régulièrement déposés L'émission peut durer plusieurs dizaines d'années, d'abord à un rythme croissant, puis décroissant. Le processus peut être accéléré en humidifiant la matière, auquel cas le potentiel de production peut être récupéré entre 5 ou 10 ans. Sans installation particulière autre que le captage des gaz dans les alvéoles, on peut ainsi récupérer 60 m3 de méthane par tonne enfouie (système utilisé à Saint-Étienne).


Composition du biogaz

 

Méthane (CH4)

45 à 65 %

 

Gaz carbonique (CO2)

25 à 45 %

 

Eau (H2O)

6 %

 

Oxygène (O2)

 
 

Hydrogène sulfuré (H2S)

traces

 

Organo-halogénés (chlore, fluor)

 
 

Métaux lourds

 

Il s'agit donc d'un gaz naturel relativement toxique (lié notamment à la décomposition des plastiques, des lessives...). Le gaz carbonique, et surtout le méthane (qui a un effet 35 fois plus toxique que le gaz carbonique) contribuent notamment à l'effet de serre. Ils doivent être au maximum éliminés. Ce gaz, relativement toxique quand il se dégage spontanément, peut néanmoins être utilisé comme source d'énergie. D'où l'idée de contrôler et d'organiser de façon industrielle la fabrication de ce biogaz : la méthanisation.

 La méthanisation ou le processus industriel de fabrication de biogaz

La méthanisation est la production d'un gaz à haute teneur en méthane qui provient de la décomposition biologique des matières organiques.

La production industrielle de biogaz consiste à stocker la matière organique (en l'espèce les déchets) dans une cuve hermétique ou " digesteur ", ou " méthaniseur ", dans laquelle les matières organiques sont soumises à l'action des bactéries. Un brassage des matières, éventuellement un apport d'eau, mais surtout un chauffage, accélèrent la fermentation et la production de gaz qui dure environ deux semaines. La production peut alors être de 500 m3 de gaz par tonne de déchets.

b) La valorisation du biogaz

 Les différents procédés

L'arrêté du 9 septembre 1997 relatif aux décharges de classe II impose la captation du biogaz de décharge, et la recherche de solutions de valorisation, ou à défaut, sa destruction par voie thermique. La valorisation n'est toutefois possible que pour les grandes unités. Plusieurs procédés peuvent être utilisés :

 le torcharge. Il s'agit simplement de brûler le gaz. Ce n'est pas une voie de valorisation proprement dite, mais c'est un moyen de sécurité qui, de plus, limite l'impact du biogaz sur l'effet de serre ;

 la combustion sous chaudière. Il s'agit de brûler le gaz pour en tirer de la chaleur, éventuellement utilisable par un établissement à proximité. La décharge de Crozin produit 3 millions de m3 de biogaz, valorisés chez un industriel ;

 la production d'électricité. Le biogaz, comme toute énergie, peut se transformer en électricité. Le biogaz doit cependant comporter au moins 40 % de méthane, et avoir un débit minimum de 500 m3/heure. La production d'électricité peut être couplée avec celle de chaleur dans le cas de co-génération37(*).

Le pouvoir calorifique d'un mètre cube de biogaz épuré (après traitement, évacuation de l'eau, de l'acide sulfuré...) est équivalent à celui d'un litre de fuel domestique.

 Les demi réussites

Outre sa mauvaise image, sa composition instable dans le temps en fonction de la nature des déchets, variable selon les mois et l'année, sa toxicité intrinsèque, les rares expériences d'exploitation industrielle ont plus ou moins échoué, notamment les expériences de biogaz de ferme. Concernant les biogaz de décharge, une seule entreprise a vraiment essayé de s'implanter sur ce créneau en 1988. Elle a survécu avec difficultés.

Encadré n° 10

L'expérience Valorga à Amiens

___

Le procédé Valorga est une filière complète du traitement des ordures ménagères avec tri de déchets, méthanisation de la part fermentescible, compostage des résidus de fermentation, incinération du refus de tri, mise en décharge des résidus obtenus. Le procédé a été appliqué à Amiens en 1988

Valorga a connu des difficultés importantes liées :

 à l'abandon de l'incinération des refus de tri, les fours en place n'étant alors pas capables de résister au pouvoir calorifique élevé de ceux-ci ;

 à l'abandon de la coopération avec Gaz de France. Le biogaz a été injecté dans le réseau de gaz naturel après purification, mais est désormais uniquement brûlé pour alimenter en vapeur les industriels proches ;

 à la valorisation nulle du compost qui contenait trop de résidus ayant échappé au tri, le rendant impropre à la commercialisation ;

 et surtout, à un mauvais créneau. Valorga a tenté cette valorisation sur un gisement d'ordures ménagères brutes, alors que la méthanisation est adaptée aux seuls fermentescibles.

La solution est de trier à la source, de façon à n'introduire dans l'usine que des matières fermentescibles (déchets de cuisine et de jardin...). En France, la collecte séparative des fermentescibles n'en est qu'à son tout début.

En 1998, la société a été rachetée par une société allemande. La capacité de traitement de l'usine est de 86.000 tonnes, et devrait passer à 100.000 tonnes. Ce procédé de biocompostage se développe aussi à l'étranger : aux Pays-Bas (une usine en 1994), en Allemagne (deux usines en 1998), en Suisse (une usine en construction) et en Belgique (projets).

2. Perspectives

Les échecs techniques et économiques des expériences anciennes sont liés par définition aux conditions techniques et économiques de l'époque. Une amélioration de la productivité, l'apparition de nouveaux process, les conditions financières qui ont radicalement changé, pourraient inciter à appréhender différemment le gisement que représente le biogaz.

a) Un gisement presque totalement inexploité

Concernant les seules ordures ménagères et assimilées, le biogaz peut être produit à partir de tous les déchets organiques fermentescibles (restes de repas, épluchures...), mais aussi des invendus de grandes surfaces (fruits avariés, produits périmés...) et des déchets de restauration collective. L'avantage par rapport au compostage est que la méthanisation n'entraîne que très peu d'odeurs (puisque le traitement se fait dans une cuve hermétique). La méthanisation est cependant un peu plus chère.

Le biogaz de décharge n'est, en outre, qu'une petite partie du gisement potentiel qui se présente comme suit.


Le gisement de biogaz en France

 

Nombre de sites actuels

Production actuelle (tep1/an)

Nombre de sites potentiels

Croissance potentielle (tep1/an)

Stations d'épuration urbaines

150

65.000

200

150.000

Stations d'épuration industrielles

64

64.000

400

800.000

Décharges

5

11.000

140

300.000

Méthanisation des déchets solides (IAA...)

1

1.900

270

1.000.000

Digesteurs agricoles

10

100

1.000

100.000

Total

230

150.000

2.000

3.250.000

1 tep = tonne équivalent pétrole

Source : Centre d'information sur l'énergie et l'environnement

Ainsi les ressources valorisables sont de 3,25 Mtep/an, toutes ressources confondues, ce qui équivaut à 11 % de la consommation nationale de gaz naturel. Sur cette masse, 10 % pourrait venir du biogaz de décharge.

b) Des nouvelles techniques prometteuses

 Les nouvelles techniques de production

 L'hydropulpeur. L'hydropulpeur est développé par une société allemande. Il s'agit d'une méthanisation après traitement liquide composé de trois étapes :

 un prétraitement mécanique au cours duquel les sacs papiers (le procédé est en vigueur en Allemagne, et les déchets fermentescibles sont collectés en sacs papiers) sont ouverts par un broyeur, et les plus gros éléments sont éliminés ;

 le passage dans l'hydropulpeur. Il s'agit d'une cuve métallique équipée d'une hélice centrale qui entraîne l'éclatement des cellules végétales. Les déchets sont mélangés à l'eau formant une pulpe liquide. Les déchets légers sont éliminés par flottation (plastiques, textiles), et extraits par peigne hydraulique. Les déchets lourds (verre, cailloux...) décantent au fond du " pulpeur " et sont évacués par un sas. Cette phase de " pulpage " et de décantation permet d'éliminer les indésirables. Les flottants sont pressés et incinérés. Les lourds inertes sont mis en décharge ;

 la digestion de la " pulpe ". Une fois débarrassée des indésirables, la pulpe alimente un " digesteur ", chauffé (35/37° C). La matière reste deux semaines, et permet de dégager deux sous-produits. Tout d'abord, la matière organique génère un biogaz qui peut être valorisé sous forme de production d'énergie (électricité et/ou chaleur) utilisée en autoconsommation (broyeur, chauffage du " pulpeur ") ou revendue. Ensuite, après deux semaines, la pulpe est retirée, puis renvoyée en centrifugeuse permettant de séparer l'eau (recyclée dans le process au niveau de " l'hydropulpeur "), d'une partie solide, le " digestat ". Ce résidu, mélangé avec des structurants (broyats de déchets verts, écorces...), est stabilisé, et forme un compost exempt de toute impureté d'excellente qualité.

 Les " digesteurs" de seconde génération par " filtre anaérobie ". Il s'agit d'augmenter l'efficacité et la longévité des bactéries en leur permettant de se fixer sur des particules mélangées aux déchets. Selon ce procédé, la fermentation serait considérablement accélérée (quelques jours au lieu de deux semaines), et la productivité serait améliorée dans une proportion de 1 à 4, voire de 1 à 1038(*).

 Les recherches sur les utilisations nouvelles

Il s'agit, d'une part de l'injection de biogaz dans les réseaux de gaz naturel39(*), d'autre part, de l'utilisation de biogaz en carburant. Le biogaz doit alors contenir au moins 50 % de méthane, il est épuré, stocké dans des bouteilles et alimente des pompes où viennent s'approvisionner les véhicules techniques des collectivités locales40(*).

Il ne s'agit encore que d'expérimentations qui doivent être confirmées.

c) Un marché émergent

La méthanisation émerge en Europe et même en France, notamment sous l'impulsion des Allemands, très actifs sur ce créneau.

Valorga, société française qui a connu les déboires que l'on sait, a été rachetée, il y a cinq ans, par une société allemande. Depuis, deux usines ont été vendues aux Pays-Bas, une en Allemagne, une est en construction en Suisse, et une est en projet en Belgique.

Même s'il n'existe toujours pas de responsable de la méthanisation à l'ADEME, l'agence s'est cependant engagée à soutenir financièrement la production de 10 MW41(*) (en 2000) et 50 MW (en 2002) d'électricité réalisée à partir de biogaz. Le groupe Vivendi vient d'acheter une licence allemande, et les appels d'offres commencent à sortir : Valence, Amiens, Dunkerque (mai 1999)...

Quelques chiffres permettent de fixer les idées. L'investissement d'une unité complète de méthanisation représente environ 30 millions de francs. L'investissement de simple captage des gaz est de l'ordre de 2 millions de francs. L'investissement d'une unité complète de méthanisation est de l'ordre de 30 millions de francs (pour une unité traitant 20.000 tonnes). Le coût d'exploitation est de 250 francs/tonne (hors amortissement), soit 350 francs tout compris (en incluant l'amortissement et en déduisant les recettes).

Sur le plan énergétique, une tonne de déchets méthanisés produit 300 kW utilisés en électricité, 300 kW en énergie thermique (la proportion entre valorisation thermique et valorisation énergétique dépendant évidemment du contexte local). Une usine traitant 110.000 tonnes produit 10.000 m3 de biogaz par jour, soit l'équivalent de 2,4 millions de litres de fuel par an.

Le sort de cette technologie est totalement lié à la collecte sélective, séparative des fermentescibles. L'expérience Valorga a échoué parce que la société travaillait sur des produits bruts, avec trop d'" indésirables ". Une bonne collecte donnerait toutes ses chances au biogaz.

d) Le traitement : " mécano biologique "

Cette dernière piste n'est pas liée au biogaz et à la méthanisation. Elle concerne plutôt l'amont, c'est-à-dire la mise en décharge. Le recul et même l'arrêt donné aux mises en décharge sont liés à la nocivité induite par l'évolution (la fermentation) des matières organiques. L'idée est donc de rechercher à stabiliser la matière organique pour supprimer tout potentiel toxique. Le déchet organique, d'abord trié par traitement mécanique, puis en quelque sorte " inerté ", pourrait alors être dirigé vers la décharge sans inconvénient. Cette solution est très étudiée en Allemagne. Les Lander, qui se refusent à tout traitement thermique, mais qui sont inquiets devant la perspective de ne plus pouvoir mettre en décharge, cherchent en quelque sorte à réhabiliter la mise en décharge en essayant de limiter la toxicité des déchets et en travaillant sur le contenu (le déchet) plus que sur le contenant (la décharge).

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