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

biogaz de décharges

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

biogaz et agriculture

Hygiénisation : la fermentation détruit une part importante des germes pathogènes (bactéries,
virus et parasites).
Désodorisation : la fermentation limite fortement les odeurs émises par les déjections animales
lors de leur épandage. Cet intérêt peut se révéler déterminant pour des agriculteurs dont
l’exploitation se situe non loin d’habitations.
Limitation de l’émission de gaz à effet de serre par les fosses de stockage : le méthane,
puissant gaz à effet de serre, est recueilli au cours du processus, puis brûlé.
Limitation des risques de pollution organique : les modifications biochimiques effectuées lors du processus de méthanisation transforment le produit fermenté en un substrat moins polluant.

Ce bilan environnemental favorable contribue à améliorer l’acceptabilité sociale de l'épandage sur les terres agricoles. Par ailleurs, l’agriculteur peut améliorer la gestion de son plan d’épandage. Amélioration de la valeur agronomique des déchets par la fermentation (transformation de l’azote en une forme mieux assimilable par les plantes, l’ammoniac). Réduction des consommations en engrais minéraux : le digestat obtenu après fermentation peut être utilisé comme fertilisant, et se substituer ainsi, au moins en partie, aux engrais achetés par l’exploitant.

Economies d’énergie sur l’exploitation : l’énergie obtenue par la fermentation (chaleur et/ou
électricité) peut être valorisée sur l’exploitation et revente possible de l’énergie produite : l’injection de l’énergie produite sur l’exploitation dans des réseaux énergétiques peut constituer une source de revenus importants pour l’exploitat

biogaz et boues
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.

Dans de nombreuses stations d'épuration, les bassins de décantation anaérobies ou les lagunes profondes produisent d’abondantes quantités de biogaz (méthane, gaz carbonique et sulfure d’hydrogène) qui s’échappent dans l’atmosphère, contribuant ainsi aux émissions de gaz à effet de serre.

Les productions de biogaz atteignent 15 à 25 m3 par 1000 habitants et par jour. S'il n'est pas utilisé, le biogaz est malodorant et polluant. Mais il est très riche en énergie (> 7 kWh/m³) et peut être exploité pour produire différentes formes d’énergie (électricité, chaleur, pompage,…) tout en éliminant les odeurs et la pollution de l'air. Le traitement anaérobie des boues peut s'effectuer soit dans de simples bassins ou lagunes de décantation (de plus de trois mètres de profondeur), soit dans des digesteurs spécialement conçus.

biogaz et carburant

La séquence typique de préparation est la suivante : compression à 15- 20 bar désulfuration et décarbonatation par lavage à l'eau sous pression (perte de 8% du méthane environ) ; déshydratation par procédé PSA (Pressure System Adsorption) ; déshalogénation par passage sur charbon actif, généralement perdu (incinéré) ; enfin, compression à 250-350 bar.

Grâce à une nouvelle méthode, il est possible d'évaluer la teneur en composés organométalliques (siloxanes) du biogaz avant de l'utiliser dans les moteurs à gaz. Le biogaz, produit dans la plupart des pays européens par les décharges et les digesteurs d'épuration, constitue une excellente source d'énergie renouvelable pour la production d'électricité.

Toutefois, les fabricants et fournisseurs hésitent souvent à l'utiliser dans leurs moteurs à combustion parce qu'il contient des éléments trace comme les halogénures d'hydrocarbures et les composés organométalliques qui produisent des acides halogénés et de la silice.

A long terme, ils corrodent les surfaces métalliques du moteur, encrassent les bougies, abrasent les surfaces et perturbent le fonctionnement des soupapes.

Un projet subventionné par la Commission européenne a vu le jour pour souligner les effets négatifs et mettre au point une méthode permettant de mesurer la teneur du biogaz en composés organométalliques.

biogaz et 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-générations. 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 possibilités de valorisation du biogaz dépendent du type de gisement. On constate par exemple que les centres d'enfouissement de déchets s'orientent majoritairement vers la production d'électricité seule du fait de l'absence de débouchés thermiques locaux.

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.

Le procédé industriel va consister à placer les déchets à traiter dans des cuves (ou digesteurs) à l'abri de l'oxygène en maintenant des températures favorables au développement des bactéries de 37°C (digestion mésophile) ou de 55°C (digestion thermophile).

Cette production de biogaz est le résultat d'une combinaison de 4 réactions principales, qui ont lieu dans le digesteur :

- l'hydrolyse, par laquelle les macromolécules organiques complexes se trouvent décomposées en éléments plus simples ; le déchet solide est ainsi liquéfié et hydrolysé en molécules intermédiaires solubles ;

- l'acidogénèse, qui transforme les molécules intermédiaires en acides de faible poids moléculaire (acides gras volatiles, alcools…) par l'action des bactéries spécifiques;

- l'acétogénèse, où les molécules sont ensuite transformées, sous l'effet des bactéries réductrices, en acide acétatique ou en dioxyde de carbone et hydrogène ;

- la méthanogénèse : phase ultime où les molécules issues de l'acétogénèse se transforment en méthane et dioxyde de carbone.

Des évolutions technologiques importantes ont permis d'améliorer le rendement de la transformation notamment en augmentant les surfaces de contact entre les bactéries et l'effluent à traiter ( filtre anaérobie, lit fluidisé) et en maintenant constantes, de manière automatisée, les conditions physico-chimiques du réacteur.

Ces avancées ont permis d'augmenter les capacités de traitement qui se mesurent par la charge appliquée dans les digesteurs en kilogrammes de DCO par m3 de digesteur et par jour, mais aussi de diminuer les temps de rétention (ou temps de séjour) de la matière dans les réacteurs. En termes d'investissements, les volumes de digesteurs nécessaires ont donc beaucoup diminué.