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La méthanisation (ou digestion anaérobie) est le processus naturel biologique de dégradation de la matière organique en absence d'oxygène. Il se retrouve dans les sédiments, les marais, les rizières, ainsi que dans le tractus digestif de certains animaux : insectes (termites) ou vertébrés (ruminants…). La matière organique dégradée se retrouve principalement sous la forme de biogaz (à plus de 90 %). Le reste est utilisé pour la croissance et la maintenance des micro-organismes. On peut affirmer que « La maîtrise de la méthanisation, processus microbiologique naturel, permet de produire du méthane à partir d'éléments polluants. »
L'homme cherche à comprendre le phénomène, à le maîtriser pour accélérer le processus en vue de répondre à des besoins spécifiques comme la transformation de la matière organique des déchets (solides ou liquides) en vue de produire du gaz utilisé comme énergie.
La méthanisation joue un rôle important dans le cycle du carbone et pourrait contribuer aux modifications climatiques. Les grandes quantités de méthane présentes sous forme d'hydrate de méthane dans les pergélisols et dans les sédiments marins, pourraient si elles étaient relarguées brutalement accélérer le réchauffement climatique.
La méthanisation est assurée grâce à l’action concertée de microorganismes appartenant à différentes populations microbiennes en interaction constituant un réseau trophique. On distingue classiquement trois phases successives :
L'hydrolyse et l’acidogénèse
L’acétogenèse
La méthanogenèse
L'hydrolyse et l’acidogenèse
La matière organique complexe est tout d'abord hydrolysée en molécules simples.
Cette décomposition est réalisée par des enzymes exocellulaires et peut devenir l'étape limitante dans le cas de composés difficilement hydrolysables tels que la cellulose, l'amidon ou les graisses. Ensuite, ces substrats sont utilisés lors de l'étape d'acidogenèse par les espèces microbiennes dites acidogènes, qui vont produire des alcools et des acides organiques, ainsi que de l'hydrogène et du dioxyde de carbone.
L’acétogenèse
L'étape d'acétogenèse permet la transformation des divers composés issus de la phase précédente en précurseurs directs du méthane : l’acétate, le dioxyde de carbone et l’hydrogène. On distingue deux groupes de bactéries acétogènes :
-Les bactéries productrices obligées d’hydrogène, anaérobies strictes, également appelées OHPA (« Obligate Hydrogen Producing Acetogens »). Elles sont capables de produire de l’acétate et de l’H2 à partir des métabolites réduits issus de l’acidogenèse tels que le propionate et le butyrate. L’accumulation d’hydrogène conduit à l’arrêt de l’acétogenèse par les bactéries OHPA. Ceci implique la nécessité d’une élimination constante de l’hydrogène produit. Cette élimination peut être réalisée grâce à l’association syntrophique de ces bactéries avec des microorganismes hydrogénotrophes.
-Les bactéries acétogènes non syntrophes dont le métabolisme est majoritairement orienté vers la production d’acétate. Elles se développent dans les milieux riches en dioxyde de carbone. Les bactéries « homo-acétogènes » font partie de ce groupe, elles utilisent l’hydrogène et le dioxyde de carbone pour produire de l'acétate. Elles ne semblent pas entrer en compétition pour l’hydrogène avec les Archaea méthanogènes hydrogénotrophes et sont présentes en quantité beaucoup plus faible dans les biotopes anaérobies.
La méthanogenèse
La méthanogenèse est assurée par des micro-organismes anaérobies stricts qui appartiennent au domaine des Archaea . Cette dernière étape aboutit à la production de méthane. Elle est réalisée par deux voies possibles : l'une à partir de l'hydrogène et du dioxyde de carbone par les espèces dites hydrogénotrophes, et l'autre à partir de l'acétate par les espèces acétotrophes (dites aussi acétoclastes). Leur taux de croissance est plus faible que celui des bactéries acidogènes.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O.
CH3COOH → CH4 + CO2.
Conditions physico-chimiques
La méthanisation est un processus biologique complexe qui nécessite la mise en place de certaines conditions physico-chimiques pour lesquelles la réaction biologique est optimisée. Les Archaea méthanogènes sont des organismes anaérobies stricts. Elles se développent de façon satisfaisante lorsque le potentiel d'oxydo-réduction par rapport à l'électrode normale à l'hydrogène (Eh) du milieu est très bas (-300 mV).
Conditions de température
régime mésophile :
La méthanisation a généralement lieu en régime mésophile (30 à 40 °C).
régime thermophile :
Le régime thermophile se passe entre 45 à 60 °C, dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8 avec un optimum entre 6,5 et 7,2.
Conditions de milieu physico-chimique :
Les Archaea méthanogènes ont des besoins en oligo-éléments particuliers comme le fer, le molybdène, le nickel, le magnésium, le cobalt, le cuivre, le tungstène et le sélénium. La pression partielle d'hydrogène doit rester en dessous de 10-4 bar en phase gazeuse.
La méthanisation, en tant que bioprocédé, peut être mise en œuvre dans un appareil digesteur, pour dépolluer des rejets chargés en matière organique tout en produisant de l'énergie sous forme de méthane. La méthanisation permet de traiter des rejets aussi divers que les eaux usées, les boues de stations d’épuration, les déjections animales, les déchets de l’industrie agro-alimentaire, les déchets de cuisine, les ordures ménagères, les déchets agricoles, etc.
La méthanisation avec valorisation du biogaz produit (production d'énergie thermique et/ou électrique par combustion directe du méthane ou dans des moteurs thermiques) a toute sa place parmi l'ensemble des diverses solutions de production d'énergie renouvelable en permettant d'atteindre deux objectifs complémentaires : produire de l’énergie tout en réduisant la charge polluante des déchets et des effluents organiques et également, selon la nature du produit de départ, produire un digestat stabilisé utilisable comme fertilisant ou amendement organique.
Aujourd’hui les principales applications industrielles bénéficiant des apports de la méthanisation pour le traitement de leurs rejets sont identifiées par l’Agence gouvernementale De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME) comme étant : la digestion agricole (déjections animales), la digestion des déchets solides ménagers et assimilés (biodéchets), la digestion des boues d'épuration urbaines et la digestion des effluents industriels. Concernant ce dernier domaine d’application, la méthanisation est un traitement très compétitif par rapport à l’épuration aérobie. Elle est appliquée principalement pour traiter les effluents des industries agroalimentaires fortement chargés et les effluents de la fermentation (75 % des digesteurs à forte charge en opération en 2006).
L'utilisation du méthane, produit à partir de la méthanisation des boues de station d'épuration, pour le fonctionnement des bus urbains connaît un essor important dans certaine ville de France comme Lille. L'amélioration et la réduction des coûts des techniques de séparation membranaires des gaz devraient permettre d'envisager la possibilité d'une purification du biogaz sur le site de production.
Réalisations industrielles
Applications agricole
La méthanisation "à la ferme" est très peu développée en France, contrairement à l'Allemagne : seule une dizaine de petites installations sont en service en 2009. Les récents développements de l'affaire des algues vertes montre que cette biomasse peut être traitée en méthaniseurs et valorisée. Pourtant, la méthanisation est considérée comme activité agricole maintenant.
La méthanisation fournit du biogaz que l’agriculteur peut valoriser mais elle fournit aussi un nouveau fumier qui a méthanisé et qui a une teneur en azote plus élevée (le fumier méthanisé a donc de meilleures vertus fertilisantes). Cette pratique pour les agriculteurs est un bon moyen de valoriser les déchets et pourrait se développer, si les réglementations sur les produits pétroliers en France pouvaient évoluer. En effet pour l’instant on ne peut pas utiliser le biogaz pour les véhicules car il faut payer la Taxe Intérieure sur les Produits Pétroliers (TIPP). Un changement à ce niveau pourrait développer de façon exponentielle l’utilisation de cette technique de valorisation.
1 m3 de biogaz produit environ 2 kWh électrique. En cogénération, pour 1 kWh électrique on obtient 1,5 kWh de chaleur
Avantages et inconvénients
Avantages :
- Valorisation énergétique : la méthanisation agricole permet une valorisation énergétique des déchets produits par l’agriculture, comme les co-produits venant de l’agroalimentaire ou les fumiers. Cette valorisation peut être thermique : le biogaz créé est brulé en chaudière. Il peut alors être utilisé pour produire de l’électricité mais il peut aussi être utilisé en cogénération pour chauffer des bâtiments, produire de l’eau chaude ou encore chauffer de l’air. Elle permet donc à l'éleveur d'être autonome en chaleur, pour son exploitation et sa maison d'habitation, dans un contexte d'accroissement du coût des énergies fossiles.
- Production de fertilisant : la méthanisation engendre une production de matières sèches qui peut être utilisé pour fertiliser les sols. En effet, l’azote passe d’une forme organique à une forme minérale et devient plus rapidement assimilable par les plantes.
- Accessibilité : Tous les agriculteurs ayant des déchets organiques peuvent mettre en place un réacteur biogaz.
Inconvénients :
Prix : Le coût d'une installation (individuelle) reste élevé malgré les aides de l'État.
Frein administratif : La complexité administrative freine les lancements de projets.
L'objectif économique d'une telle installation est de garantir une relative indépendance énergétique tout en valorisant un déchet. On supprime donc une partie des frais de la ferme liés à l'énergie (électricité, chauffage). Cependant l'investissement est important et l'unité réclame une attention de logistique et d'entretien qui ont un coût supplémentaire. Les subventions atteignent entre 40 et 60 % du coût global du projet.
Le coût d'une installation est très variable selon sa taille et sa configuration. Il est possible de mieux estimer cette somme grâce aux exemples d'installations existantes . On distingue pourtant une tendance : les tarifs baissent pour des installations plus importantes : ils vont de 8 000 à 9 000 euros/kWe installé pour des projets inférieurs à 300 kW et de 4000 à 5000 euros/kWe installé pour une unité d’1 MW. Les tarifs de rachats de l'électricité par EDF augmentés en juillet 2007 assurent 0,09 euros/kWh, montant pouvant atteindre 0,14 euros/kWh avec les primes.
Globalement, une installation requiert un investissement compris entre 200 000 et 800 000 euros, le retour sur investissement étant prévu sur une dizaine d'année.
Applications municipales
Depuis une trentaine d’années, les installations industrielles traitant ce type de déchet ont montré leur rentabilité économique. Selon leur provenance, les déchets non-triés à la source doivent subir un prétraitement (tri mécano-biologique) tel que : séparation, triage, réduction de la taille par broyage, criblage par la taille ou pasteurisation.
Fin 2002, 78 unités industrielles de méthanisation de déchets ménagers et assimilés étaient en service en Europe pour une capacité de traitement de 2,3 millions de tonnes de déchets par an. Les nouvelles capacités installées en 2002 s'élèvent à 813 000 tonnes/an.
La France a été le premier pays à se lancer dans la méthanisation des déchets ménagers en 1988 à Amiens. Depuis 2002, d'autres installations ont été mises en service : Varennes-Jarcy (91), Le Robert (Martinique), Calais, Lille, Montpellier, Marseille et une vingtaine d'autres sont à l'étude ou en construction dans toute la France. L'usine de Romainville (93), dont la construction débutera en 2010, traitera près de 400 000 tonnes d'ordures ménagères.
Le « digestat » sortant du digesteur ou réacteur doit être deshydraté et mis en tunnels de maturation étanches et bien ventilés, pour achever la réaction anaérobie et commencer une phase de compostage. Il devient alors un déchet traité et stabilisé. L'amendement organique de ce résidu issu de la méthanisation de déchets fermentescibles est comparable à un compost et peut être utilisé pour des cultures alimentaires ou non alimentaires comme les espaces verts selon la réglementation, la nature des produits traités et les analyses de ce digestat. Les normes NF U 44-051 et NF U 44-095 encadrent la valorisation agronomiques des digestats "urbains" (déchets verts, biodéchets issus des ordures ménagères) et des digestats de boues d'épuration.
Quelques pays possèdent des firmes industrielles qui ont mis en œuvre des solutions de méthanisation industrielle. Parmi ceux ci, on trouve des fabricants de méthaniseurs, des fabricants de systèmes de tri mécano-biologiques.
Et pour le particulier ?
A partir des déchets organiques biodégradables, il est possible de faire du Biogaz pour alimenter une cuisinière, un chauffe eau et un groupe électrogène.
Le biogaz est un gaz produit par la fermentation de biomasse c'est-à-dire de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène (milieu anaérobique).
Le méthane est le principal constituant du biogaz. Il contient aussi du dioxyde de carbone, de l'eau, du sulfure d'hydrogène (H2S) et de l'oxygène.
Le biogaz peut être produit par une culture de bactéries anaérobies (sans oxygène). Comme le composte, les bactéries dégradent la matière organique pour produire de la matière minérale, du dioxyde de carbone mais également du méthane au lieux de la vapeur d'eau.
Différentes techniques existent, plus ou moins complexe pour obtenir du biogaz, en fonction de la quantité de déchet organique disponible. Selon les techniques, la dégradation de la matière organique par méthanisation dure de 3 semaines à 2 ans, suivant le procédé.
La vitesse de réaction va augmenter avec la température. Trois températures sont généralement utilisé, celle de 18°C, celle de 37°C et celle de 55°C.
Schématiquement, trois types de réacteurs sont utilisés : le réacteur fermé (le plus simple), le réacteur continu (le plus classique) et le réacteur piston ou continu en cascade (le plus efficace).
Le gaz doit être récupéré au fur et à mesure, soit dans un ballon externe (une chambre à air par exemple) ou par une cloche au dessus du réacteur (le caractère liquide du réactif assure l'étanchéité). Le poids mis sur la cloche permet d'assurer la pression voulue.
Le biogaz peut être consommé au fur et à mesure, pour la cuisine, faire de l'électricité, chauffer des bâtiments, être réintroduit dans le réseau de gaz naturel, alimenter des voitures pour le gaz naturel.
La présence de souffre peut poser des problèmes d'oxydation et d'odeur. Le souffre peut être éliminé par un lavage à l'eau et ensuite réduit au contact du fer.
L'avantage de la méthanisation par rapport au composte, en plus de produire de l'énergie, c'est de garder l'azote, ce qui évite les pollutions de l'air par l'ammoniac et d'avoir un digestat plus riche en nitrate.
En Egypte, quelques habitants des quartiers pauvres de la capitale ont adopté un système qui permet de produire du gaz de cuisine à partir d’ordures ménagères, et donc de faire des économies tout en préservant l’environnement.
C’est un ingénieur américain, Thomas Henry Culhane, diplômé d’Harvard en anthropologie biologique, qui a eu l’idée d’introduire cette invention indienne en Egypte. A la tête de l’association Solar Cities, il a d’abord installé une trentaine de panneaux solaires sur les toits du Caire pour chauffer l’eau. Puis ce "Géo Trouvetou" de l’écologie, qui a vécu cinq ans dans la capitale égyptienne, a découvert un système individuel de production de biogaz sur YouTube.