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Le processus de méthanisation : fonctionnement, utilité et avantages

Envie de mieux consommer, passez à l’énergie verte

La méthanisation est procédé qui permet de donner une nouvelle vie à de nombreux types de déchets en les transformant en une source d’énergie : le biométhane ou biogaz. Il peut être utilisé pour la production d’électricité, de chaleur ou encore comme carburant pour certains véhicules.

Les matières organiques telles que les déchets alimentaires, les boues des stations d’épuration ou encore les lisiers et fumiers ne sont plus perdues, mais valorisées grâce à un processus comportant plusieurs étapes.

La technologie de la méthanisation est prometteuse dans le domaine du développement durable, de la réduction des émissions de gaz à effet de serre et du gain en autonomie énergétique : elle permet de valoriser les déchets organiques et de produire une énergie propre et renouvelable. Le développement d’unités de méthanisation représente toutefois certaines contraintes techniques qu’il est important de prendre en compte.

Nous verrons que le procédé rencontre un franc succès en France, avec pas moins de 1 000 unités de méthanisation créées depuis 2011.

 

La méthanisation : une définition

La méthanisation repose sur un procédé biologique au cours duquel des micro-organismes dégradent de la matière organique. Son principe est similaire au compostage : la seule différence réside dans le milieu où s’accomplit la dégradation.

  • Milieu aérobie pour le compostage (présence d’oxygène)
  • Milieu anaérobie pour la méthanisation (absence d’oxygène)

Action du digesteur

Le processus de méthanisation s’accomplit à l’intérieur d’un digesteur. Cette cuve étanche au gaz et isolée thermiquement permet de chauffer les déchets organiques à une température définie. Par exemple, les digesteurs de boues urbaines ont une température de consigne comprise entre 35 et 40°C, alors que d’autres types de digesteurs chauffent les matières organiques à 55°C.

Les intrants nécessaires à la méthanisation

Les intrants désignent la matière première nécessaire au processus de méthanisation. L’arrêté du 24 juin 2014 (1) définit les différentes familles d’intrants qui peuvent être utilisés pour la production de biométhane :

  1. Les biodéchets (essentiellement les déchets alimentaires de matière organique pouvant être décomposés) ménagers ou provenant de la restauration
  2. Les autres déchets ménagers (emballages, journaux, textiles…)
  3. Les déchets organiques agricoles : déchets végétaux et effluents d’élevage (résultat du mélange des déjections animales avec leur litière)
  4. Les déchets organiques provenant de l’agroindustrie
  5. Les boues résultant du traitement des eaux usées

 

Les déchets dangereux, caractérisés ainsi à cause des risques qu’ils représentent pour l’environnement ou la santé à travers leurs effets directs ou indirects à court, moyen ou long terme, ne peuvent pas être utilisés dans le procédé de méthanisation

Le fonctionnement d'un méthaniseur

1. Collecte et transport des intrants

Après collecte, les intrants sont transportés jusqu’à une unité de méthanisation. Ils sont ensuite triés, stockés, conditionnés et introduits dans le digesteur.

2. Méthanisation et épuration

Il existe deux méthodes de méthanisation :

  • Le méthaniseur par voie liquide est utilisé pour les intrants ayant une teneur en matière sèche inférieure à 20 % (c’est la méthode la plus utilisée)
  • Le méthaniseur par voie solide concerne les intrants ayant une teneur en matière sèche comprise entre 20 et 40 %

 

La méthanisation par voie liquide dure de 40 à 60 jours et comprend quatre étapes :

  1. Hydrolyse : les molécules complexes des matières organiques sont transformées en molécules simples grâce à l’action des molécules d’eau. C’est l’étape la plus longue.
  2. Acidogenèse : 30 à 40 fois plus rapide que l’hydrolyse, l’acidogenèse transforme les molécules simples en acides gras volatils.
  3. Acétogenèse : les composés issus de la phase précédente sont transformés en précurseurs du méthane : acétate, dioxyde de carbone et hydrogène.
  4. Méthanogenèse : la production de méthane s’accomplit finalement par deux voies. Certaines bactéries combinent l’hydrogène et le dioxyde de carbone, quand d’autres “cassent” les molécules d’acétate.

 

L’épuration permet ensuite de séparer les molécules de méthane de celles de dioxyde de carbone et d’hydrogène sulfuré. Il existe différents procédés : 

  • Adsorption : l’application de pressions comprises entre 4 et 7 bars permet aux molécules de biogaz de venir se fixer sur un absorbant.
  • Absorption : l’épuration est réalisée grâce à l’introduction d’un solvant sur lequel viennent se fixer les différents gaz solubles.
  • Épuration cryogénique : elle permet de séparer les différents composés gazeux en atteignant leur température respective de liquéfaction. Le méthane possède en effet la température de liquéfaction la plus basse (-162°C contre -61°C pour l’hydrogène sulfuré et -78°C pour le dioxyde de carbone).
  • Séparation membranaire : une membrane synthétique permet de séparer les différents composés. Le dioxyde de carbone et l’hydrogène sulfuré vont traverser la membrane plus rapidement que le méthane.

 

3. Injection et valorisation

Une fois l’épuration terminée, le digestat et le biogaz sont séparés. Ce dernier peut être utilisé directement sur les sites implantés à proximité de l’unité de méthanisation, ou subir un traitement plus poussé afin de devenir du biométhane.

Le digestat

Il s’agit du résidu issu du processus de méthanisation : cette matière solide ou pâteuse représente entre 70 et 80 % de la masse d’intrants introduite dans le digesteur. Le digestat constitue une alternative viable et écologique aux engrais de synthèse et peut donc être utilisé comme fertilisant.

La nature des intrants et les modalités de la méthanisation permettent de créer différents types de digestats. Ils se distinguent selon leur teneur en azote et leur proportion de matière sèche. 

Le biogaz

Il peut être utilisé directement par le biais de la cogénération, qui transforme le biogaz en électricité et en chaleur. Parmi les différentes applications, citons le chauffage des bâtiments publics ou le séchage du foin pour les agriculteurs. 

La cogénération est une méthode intéressante pour exploiter le biogaz, mais elle est limitée aux sites implantés à proximité d’une usine de méthanisation. Pour rejoindre les réseaux de distribution, le biogaz doit subit des traitements plus stricts.

Le biométhane

Le biométhane est une version épurée du biogaz obtenue après différentes phases de traitement et de contrôle :

  • Odorisation : à l’état naturel, le gaz ou le biogaz n’ont aucune odeur, ce qui peut être dangereux en cas de fuite ! Il convient donc d’introduire un additif chimique (le tétrahydrothiophène ou THT) pour lui donner l’odeur caractéristique du gaz ménager.
  • Contrôle qualité : certaines spécificités techniques sont vérifiées (densité, pouvoir calorifique, teneur en soufre et en CO2…).
  • Régulation de la pression : elle permet au biogaz d’être consommé en priorité par rapport au gaz naturel.
  • Comptage : il s’agit simplement de calculer la quantité de biogaz injectée dans le réseau de distribution.

 

Schéma d'une usine de méthanisation

Schéma d'un méthaniseur
Schéma issu d'un document de l'ADEME : https://librairie.ademe.fr/produire-autrement/5026-la-methanisation-en-10-questions-9791029718694.html

Les avantages de la méthanisation

La méthanisation offre de nombreux avantages dans le domaine de l’énergie renouvelable et de la gestion des déchets. En transformant les matières organiques en biogaz et en digestat, elle permet de produire de l’électricité, de la chaleur et un fertilisant naturel tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre.

Traitement et valorisation des déchets

La méthanisation permet de récupérer une grande variété de déchets organiques provenant de différentes industries telles que l’agriculture, l’industrie ou encore le secteur résidentiel. La grande quantité et la diversité des déchets exploitables constituent l’un des principaux atouts de la méthanisation.

D’un autre côté, la méthanisation permet de valoriser ces déchets en produisant de l’énergie renouvelable. En effet, à une époque où l’on cherche de plus en plus de sources d’énergie alternatives, la méthanisation s’avère être une solution locale et durable pour produire de l’énergie.

Respect des objectifs en matière de développement des énergies renouvelables

La Loi de transition énergétique pour la croissance verte (2), promulguée le 17 août 2015, a pour objectif de faire entrer la France dans une démarche de préservation de l’environnement, de lutte contre le dérèglement climatique et de renforcement de son indépendance énergétique.

La méthanisation, qui valorise les déchets en les transformant en énergie renouvelable, est totalement en phase avec les objectifs de cette loi.

Solution d'avenir pour l'agriculture

Les agriculteurs ou les coopératives agricoles peuvent devenir des acteurs de l’énergie renouvelable en mettant en place des unités de méthanisation sur leurs exploitations. Le fait d’avoir le statut de producteur d’énergie leur permet :

  • De valoriser les déchets issus de leurs exploitations
  • De diversifier leurs activités et d’obtenir un complément de revenu, en vendant la totalité du biogaz ou le surplus qu’ils n’utilisent pas par le biais de la cogénération
  • D’utiliser le digestat en lieu et place des engrais chimiques
  • De créer des emplois
  • De développer du lien social avec d’autres corps de métiers et institutions (métiers de l’énergie, collectivités, etc.)

Cercle vertueux pour les territoires

La valorisation des déchets produits localement est au centre d’un système économique circulaire. La création d’une filière de méthanisation joue un rôle crucial dans ce processus en permettant de transformer les déchets ménagers, les boues des stations d’épuration et les biodéchets de la restauration collective en une source d’énergie renouvelable et locale.

Cette énergie est ensuite injectée dans les réseaux de distribution de gaz naturel pour approvisionner les établissements publics, les logements, les résidences et les autobus. Ainsi, d’ici 2025, les flottes de transport public des collectivités devront rouler exclusivement avec des carburants propres, dont fait partie le biogaz naturel pour véhicules (BioGNV).

Les contraintes de la méthanisation

Les contraintes de la méthanisation relèvent principalement de problématiques liées au financement, à l’environnement à la gestion des déchets.

Risques liés à la méthanisation

  • Pollution : en 2020, une défaillance électronique a entraîné le débordement d’un digesteur qui a contaminé en ammoniaque une usine d’eau potable (3).
  • Incendie ou explosion : ces risques sont avérés en cas d’entrée d’oxygène dans le digesteur. Des problèmes de canalisation ou un défaut sur les soudures d’une cuve de méthaniseur peuvent atteindre l’étanchéité globale de l’installation.
  • Fuites : d’après l’Institut national de l’environnement industriel et des risques (INERIS), les fuites concernent entre 1 et 25 % du biogaz produit (4).

Nuisances des unités de méthanisation

  • Nuisances sonores : elles sont liées au transport des déchets, certaines unités nécessitant quotidiennement plusieurs déchargements d’intrants, et au bruit émis par les moteurs de cogénération.
  • Nuisances olfactives : elles sont en principe évitées si l’usine de méthanisation respecte les normes (étanchéité du transport d’intrants, des hangars de chargement et déchargement, et destruction des composés malodorants comme les acides gras et l’hydrogène sulfuré).

Développement d'infrastructures importantes

La mise en place d’une centrale de méthanisation nécessite d’importants travaux, ce qui est particulièrement vrai dans le cadre de la méthanisation à la ferme, qui représente 60% des installations en France. Ce type d’installation nécessite :

  • un espace de stockage
  • des digesteurs de différentes tailles
  • la mise en place des différentes machines 
  • la réalisation de nombreux raccordements

À ces éléments s’ajoutent évidemment les coûts de fonctionnement et d’entretien de l’installation. Pour que le processus de méthanisation se déroule dans des conditions optimales, il est donc nécessaire d’investir du temps et de l’argent, ce qui peut représenter un frein pour les agriculteurs. 

Des contraintes supplémentaires peuvent s’ajouter lorsque les sites sont éloignés du réseau de distribution ou de transport du gaz naturel.

Les usines de méthanisation de grande envergure, qui traitent davantage de déchets, nécessitent des travaux encore plus importants. Ce type de projet peut rencontrer l’opposition des riverains, inquiets des éventuelles nuisances.

La méthanisation en France

La première usine de méthanisation a été créée en 2011. Depuis, le secteur connaît une croissance encourageante, puisque plus de 1 000 autres unités ont vu le jour en une décennie. Les usines de méthanisation se répartissent de la manière suivante :

  • 20 % permettent d’injecter du biométhane dans le réseau de distribution de gaz naturel 
  • 80 % sont dédiées à la valorisation directe du biogaz par le biais de la cogénération

D’après l’Ademe, la proportion de biométhane injecté dans les circuits de distribution devrait atteindre 14 % de la consommation annuelle en 2030 (5).

Des progrès restent à accomplir au niveau de la répartition nationale des unités d’injection de biométhane : près de 50 % d’entre elles sont implantées en Bretagne, dans le Grand-Est et les Hauts-de-France. 

Questions fréquemment posées

Comment fonctionne la méthanisation ?

La méthanisation fonctionne en suivant un processus biologique naturel : sous l’effet de la chaleur et en l’absence d’oxygène, les bactéries transforment la matière organique (biodéchets, effluents agricoles, déchets industriels non dangereux, etc.) en biogaz et en digestat. Afin de valoriser les déchets et produire une énergie verte, ce procédé est industrialisé grâce à la mise en place d’usines de méthanisation.

Quelles sont les étapes de fabrication du biogaz ?

Les étapes de fabrication du biogaz comprennent l’apport en matière première (déchets agricoles et industriels, biodéchets, boues de stations d’épuration), la digestion, et l’épuration afin d’obtenir du biogaz. Des traitements supplémentaires sont nécessaires pour transformer le biogaz en biométhane.

Quels sont les problèmes de la méthanisation ?

À l’instar de tout procédé de production d’énergie, la méthanisation représente certains risques (incendie, explosion, pollution, fuites…) qui doivent être palliés par des installations respectant les normes de sécurité. Par ailleurs, les usines de méthanisation peuvent provoquer des nuisances sonores et olfactives pour les riverains immédiats.

Sources

  1. https://www.legifrance.gouv.fr/jorf/id/JORFTEXT000029135364 
  2. https://www.ecologie.gouv.fr/loi-relative-transition-energetique-croissance-verte-tepcv 
  3. https://france3-regions.francetvinfo.fr/bretagne/finistere/quimper/finistere-fuite-cuve-methanisation-origine-pollution-aulne-1864454.html 
  4. https://www.ineris.fr/sites/ineris.fr/files/contribution/Documents/GuideMethanisation-OK-v7-BD.pdf (p.17)
  5. https://librairie.ademe.fr/cadic/2142/avis_ademe_methanisation_novembre_2016.pdf (p.9)