Biogaz

Le biogaz est le gaz produit par la fermentation de matières organiques en l'absence d'oxygène. C'est un gaz combustible composé essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone. Il peut être brûlé sur son lieu de production pour obtenir chaleur et électricité ou purifié pour obtenir du biométhane utilisable comme gaz naturel pour véhicules ou injectable sur le réseau de distribution de gaz naturel.

Unité de stockage de l'usine de biogaz de Güssing (Burgenland, Autriche).
Vue aérienne d'une installation mixte de production d'énergie photovoltaïque et de biogaz.
Stockage des digestats (utilisables comme amendements agricoles) de l'unité production de biométhane (à partir de biodéchets provenant préférentiellement de ménages berlinois) en fonctionnement depuis 2013.

La méthanisation se produit spontanément dans les marais (gaz des marais), les rizières, les grands réservoirs ou barrages hydroélectriques tropicaux, les décharges contenant des déchets ou matières organiques (animales, végétales, fongiques ou bactériennes). On peut la provoquer artificiellement dans des digesteurs (en particulier pour traiter des boues d'épuration et des déchets organiques industriels ou agricoles).

Composition

Le biogaz est principalement composé de méthane (50 à 70 %), mais aussi de dioxyde de carbone (CO2) et de quantités variables de vapeur d'eau et de sulfure d'hydrogène (H2S), voire d'autres composés ("contaminants"), notamment dans les biogaz de décharges[1]. Parmi les impuretés figurent[2] :

Sa teneur en ces différents éléments, et donc sa valeur énergétique, dépend de la durée et qualité du processus de fermentation, du type d'installation et beaucoup de la nature de la matière fermentescible utilisée (et en particulier de ses proportions en carbone, hydrogène, oxygène et azote ou contaminants indésirables). Par exemple une matière fermentescible riche en carbone et hydrogène produit un biogaz contenant jusqu'à 90 % de méthane, alors que de la cellulose plus pauvre produira un biogaz à seulement 55 % de méthane (et 45 % de gaz carbonique)[2].

Production

Intrants
Station d’épuration produisant du biogaz, Genève.

Le biogaz résulte de la méthanisation ou digestion anaérobie de déchets fermentescibles[5]. Les sources les plus courantes de biogaz proviennent des rejets de matière organique :

  • cultures végétales ;
  • décharges : leur teneur en biogaz est plus ou moins élevée en fonction de l'étanchéité du mode d'exploitation. La collecte sélective des déchets putrescibles permet une méthanisation plus rapide qu'en décharge standard en utilisant des bioréacteurs spécifiques (digesteurs)[5]. La récupération du biogaz de décharge est doublement intéressante car le méthane libéré dans l’atmosphère est un gaz à effet de serre bien plus puissant que le dioxyde de carbone (CO2) produit par sa combustion ;
  • boues des stations d'épuration : la méthanisation permet d'éliminer les composés organiques et permet à la station d'être plus ou moins autonome en énergie ;
  • effluents d'élevages : la réglementation rend obligatoire les équipements de stockage des effluents (lisier, fumier) pour une capacité supérieure à 6 mois. Ce temps de stockage peut être mis à profit pour la méthanisation des effluents. Il s'agit des déjections animales mais aussi des autres déchets agricoles : résidus de culture et d'ensilage, effluents de laiteries, retraits des marchés, gazons etc.[6] ;
  • effluents des industries agroalimentaires et restauration collective[7]. Le but est principalement d'éviter le rejet de matières organiques trop riches ;
  • fond des lacs et marais  : le biogaz y est produit naturellement par les sédiments organiques qui s'y accumulent. L'utilisation du biogaz du lac Kivu a été entreprise il y a plus de 40 ans et maintenant développée à grande échelle.

La nature des intrants (matières organiques digérées) a un impact non négligeable sur la qualité du produit final. On peut évaluer cette qualité à travers le potentiel méthanogène des matières premières.

Procédé
Schéma du procédé de méthanisation.

Pour produire le biogaz de façon artificielle, il est souvent nécessaire de modifier les matières premières (pré-traitement), par broyage par exemple. Leurs conditions de stockage doivent être contrôlées pour limiter la déperdition de matière organique. La fermentation dans le digesteur peut se faire dans trois plages de température différentes :

  • 15−25 °C : psychrophile
  • 25−45 °C : mésophile
  • 45−65 °C : thermophile

Les digesteurs mésophiles (à 38 °C) sont les plus utilisés dans les zones tempérées. Après la fermentation, le résidu solide peut être stocké dans un post-digesteur où on récupère à nouveau du gaz combustible.

Co-produit

La fermentation des intrants produit aussi un résidu plus ou moins visqueux, nommé digestat. Riche en azote, potassium et autres nutriments essentiels, partiellement hygiénisé du fait de la fermentation à haute température, il peut être épandu sur les sols agricoles comme engrais[8]. Il est débarrassé de nombreux pathogènes et de la totalité des semences de « mauvaises herbes » qu'il pouvait contenir[9].

Il peut aussi être composté pendant quelques mois et devient alors du méthacompost.

Usages

Le biogaz est un gaz renouvelable qui peut être transformé en différents vecteurs énergétiques : chaleur, électricité ou biométhane. La chaleur seule est obtenue en brûlant le gaz dans des chaudières à gaz qui doivent être adaptées à la plus faible proportion de méthane dans le biogaz que dans le gaz naturel, et dont le rendement atteint au plus 90 %[10].

Le biogaz pourrait aussi être transformé en carburant liquide par procédé Fischer-Tropsch[11] ou en graphite et hydrogène, technologie à l'étude en Australie[12].

Cogénération

La combustion dans un moteur à gaz ou une petite turbine permet de produire de l'électricité injectée sur le réseau, et souvent de la chaleur en cogénération[10], mais une trigénération (production de froid) est aussi possible.

Le rendement d'exploitation d'une cogénération chaleur-électricité est au mieux de 75 à 85 %, soit 15 à 25 % de pertes[13]. L'utilisation de la chaleur est souvent saisonnière et requiert une certaine proximité avec les utilisateurs et la création d'un réseau de distribution. Il est également possible de fournir du froid grâce à des procédés d'absorption de chaleur.

Dans le monde agricole, la chaleur peut servir pour les serres (avec enrichissement en CO2).

Injection de biométhane

Le biogaz peut être épuré pour en éliminer le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène : on obtient ainsi du biométhane que l'on peut injecter dans le réseau de distribution du gaz naturel. Le procédé est plus récent que la production d'électricité et permet d'atteindre un rendement d’exploitation de 90 %.

La consommation de gaz est aussi saisonnière mais en général l'injection est possible sur les réseaux toute l'année, à part dans certains cas, quelques jours ou semaines en été, où la consommation est plus faible et donc le réseau est saturé[14]. Par l'injection, la production de biométhane en été trouve un débouché que ne trouve pas toujours la chaleur de cogénération.

Effet de serre

Le biogaz est constitué essentiellement de méthane (CH4) dont l'effet de serre est très important. Sa combustion produit du dioxyde de carbone, qui est aussi un gaz à effet de serre, mais dont l'impact est moindre. En effet, un kilogramme de méthane (CH4) a un Potentiel de réchauffement global (PRG) sur 100 ans, 23 fois supérieur à un kilogramme de dioxyde de carbone.

Utiliser du biogaz n'accroît pas l'effet de serre si le carbone produit (méthane et dioxyde de carbone) a lui-même été absorbé préalablement par les végétaux dont ce biogaz est issu, lors de leur croissance et si cette utilisation s'inscrit dans un cycle court de carbone et si elle ne contribue pas à surexploiter de la biomasse (elle ne fait alors que restituer du carbone qui avait été ôté récemment de l'atmosphère, contrairement au gaz naturel).

Critiques

Reporterre souligne les nombreux risques que représentent, à ses yeux, les grands méthanisateurs, sa préférence allant aux petits méthanisateurs à l'échelle d'une ou deux fermes[15],[16],[17],[18]. Les organisations professionnelles des énergies renouvelables d'Europe ont adressé à la Commission européenne en juin 2018 un manifeste « Small is beautiful » préconisant de reconnaître les avantages des installations de petite taille en maintenant leur priorité d'injection sur le réseau et en les exemptant des obligations d'équilibrage[19].

Selon The Shift Project, la production de 70 TWh de biogaz nécessite entre 8 700 et 14 000 unités de méthanisation, ce qui pose déjà un problème d'acceptabilité sociale[20], en particulier en ce qui concerne le retour au sol des digestats[21], la présence de pathogènes, ou les fuites de méthane[22]. Or l'association négaWatt prévoit une production de biogaz à hauteur de 134,3 TWh/an autour de 2050[23]. Selon Jean-Marc Jancovici, il n'est pas possible de remplacer le gaz naturel par le biogaz, car « le gisement n’est absolument pas suffisant. On produira bien-sûr du biogaz, mais pas assez pour maintenir la consommation actuelle, ni même sa moitié, et peut-être même pas son quart »[24]. L'association écologiste Alsace Nature s'oppose au risque de pollution de la nappe phréatique rhénane et à l'empreinte en carbone élevée d'une noria de camions d'une unité de méthanisation prévue à Munchhouse[25],[26]. La Confédération paysanne dénonce les dérives d'une « méthanisation industrielle »[27].

La transition énergétique pourrait conduire à industrialiser la campagne à une vitesse inédite. Ainsi, d'après Reporterre, « on n’a plus le droit de retourner les prairies [considérées] comme pièges à carbone, [mais] jamais on n’en a retourné autant que depuis les débuts de la transition énergétique! »[28] pour alimenter les digesteurs destinés à produire du biogaz.

Réglementation et historique

La consommation mondiale de biogaz (souvent sous forme de biométhane) aurait progressé en moyenne de 3,5 % par an de 1965 à 2000, pendant que la demande globale en énergie primaire n'augmentait en moyenne "que" de 2,4 % par an[29]. Il pourrait devenir un combustible non-fossile dominant au XXIe siècle, comme l'a été le pétrole au siècle précédent et le charbon au XIXe siècle[2].

Dans le monde, l'utilisation du biogaz au niveau domestique est très répandue, notamment en Asie[30].

Au Mali, des projets pilotes ont été menés dans des zones isolées, pour mesurer comment le biogaz pouvait produire de l'énergie à usage domestique dans une optique durable. L'expérience a montré qu'avec la formation d'artisans locaux pouvant prendre en charge la production des équipements nécessaires (gazomètre, digesteur) et la formation des familles à l'entretien des équipements, le biogaz peut être une alternative viable à l'utilisation des combustibles ligneux pour la cuisson des repas et améliorer les conditions de vie par d'autres apports en énergie (réfrigération notamment). La pression sur les ressources ligneuses a diminué et le compost produit a été utilisé pour fertiliser les sols. Un appui financier reste nécessaire pour la mise en place du système (équipements, installation, formation)[31].

Arti, une organisation non gouvernementale en Inde, développe un simple digesteur de 0,5 m3 (surélevé) pour les Tropiques qui utilise les déchets de la cuisine (riches en amidon et sucres) pour produire le biogaz. 1 kg de déchets produit 400 litres de biogaz en 6 à 8 heures, ce qui suffit pour environ 15 à 20 minutes de cuisine[32].

Europe

Un rapport publié fin 2015 par l'EBA (European Biogas Association ou Association Européenne du Biogaz) révèle que les sites de production en biogaz ont nettement progressé comptabilisant 17 240 sites (+18 % par rapport à 2013). L'EBA estime à 14,6 millions le nombre de foyers européens alimentés au biogaz. L'Allemagne est le leader européen sur le marché du biogaz[33].

En 2016, pour l'injection de biométhane dans les réseaux, l'Allemagne devance largement les autres États-membres avec en 2016 déjà 165 unités injection de biométhane (10 TWh/a), devant la Grande-Bretagne (50 sites et 2 TWh/a), les Pays-Bas (25 sites et 0,9 TWh/a), loin devant la France. Le Danemark, l'Autriche, la Suède et la Suisse ont tous entre 10 et 20 sites de production fournissent de 130 à 360 GWh/an. La France a 19 sites et produit seulement 82 GWh/a. L'Espagne n'autorise ou n'encourage pas l'injection dans le réseau. C'est en Norvège qu'est inaugurée en 2018 la plus grande usine de biogaz au monde, d'une capacité de 3 000 Nm3/h, produits à partir de déchets de l'industrie papetière et de la pêche[34]. En 2018, l'Italie encadre l'injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel, pour un usage orienté vers le transport[35].

Pays francophones

Un Atlas Bioénergie International (et en France un atlas Biogaz) mettent à jour la carte des installations industrielles de production/valorisation de biogaz (sous forme d’électricité, de chaleur ou par injection directe dans les réseaux de gaz dans les pays francophones) : en 2012, 241 sites de production étaient recensés (publication 2013), en 2013, ils étaient 848 (publication 2014) : 578 en France , 200 en Flandre et Wallonie, 32 en Suisse, 25 au Canada francophone, 9 au Luxembourg, 3 à l'île Maurice et 3 en Tunisie. En 2014, la densité en installation est la plus élevée en Belgique et en Suisse[36]. La France a accueilli le salon Biogaz Europe en mars 2015 à Nantes[37].

Allemagne
Biogaz en Allemagne.

Avec plus de 8000 installations dans le pays, le maïs est majoritairement utilisé (et critiqué, car l'assolement recule au profit de maizicultures intensives posant des problèmes écologiques d'érosion et dégradation des sols, de pollution due aux phosphates ou aux pesticides et de perte grave de la diversité biologique.
A Triesdorf (Bavière) on recherche des plantes aptes à remplacer le maïs : parmi les herbacées la mauve de virginie et le silphium perfolié sont envisagés ; parmi les graminées, le panic érigé et le chiendent allongé issu de Sarvache en Hongrie. Ces plantes sauvages sont 20 % moins productives que le maïs et ne sont envisagées que comme complément à celui-ci[38],[39]. Depuis 2012 la loi allemande impose une certaine diversification des cultures pour réduire la place du maïs.

France

En France, la récupération du biogaz de décharge est obligatoire depuis l'arrêté du [40]. En 2012 le gaz de décharge fournissait en France plus de 70 % de la production d'énergie primaire issue du biogaz dans le pays[41], mais de nouvelles sources de biogaz se mettent en place.

En 2014, la ministre Ségolène Royal lance le projet de 200 « territoires à énergie positive » et un appel à projet 1 500 projets de méthaniseurs en 3 ans en milieu rural[42].

En 2015, les capacités installées se développent à un « rythme stable » selon l'Ademe : « 70 nouvelles unités de méthanisation ont été installées en 2015, pour une capacité de 20 MWe16 » mais les incertitudes sur les tarifs d’achat de l’électricité « impactent fortement l’équilibre économique des unités »[43]. Un comité national biogaz est créé le 24 mars 2014 [44] pour aider les acteurs de la filière à dialoguer ; 4 groupes de travail portent sur :

  • les mécanismes de soutien au biogaz (tarif d'achat cogénération...),
  • les procédures de facilitation,
  • le bio carburant GNV,
  • l'injection de biométhane dans le réseau[45] (c'était une demande du livre blanc du Club biogaz de mai 2014).

La loi Transition énergétique de 2015 fixe un objectif de 10 % de la consommation totale de gaz en 2030, jugé ambitieux par le Syndicat des énergies renouvelables (SER) et les gestionnaires des réseaux français (GRDF, GRTgaz, SPEGNN et TIGF) qui en 2016 ne comptabilisaient que 19 sites d'injection en service en France (mais 200 autres, équivalent à 3,86 TWh sont prévus). La part de ce gaz étant de 0,02 % en 2016, il faut la multiplier par 500. De 0,082 TWh en 2016, la filière espère produire 1,7 TWh en 2018 puis 8 TWh en 2023.

Au début 2018, la France ne compte que 48 sites de production de biométhane à partir de déchets agricoles, qui représentent l'essentiel de la production de gaz vert. Moins de 800 GWh ont été injectés dans le réseau de GRDF l'an dernier, contre plus de 10 TWh (13 fois plus) en Allemagne. Or les projets de nouveaux sites sont nombreux : GRDF en a recensé plus de 860, de quoi porter la production française à 8 TWh[46].

Le projet de programmation pluriannuelle de l'énergie (PPE) 2019-2028 publié le 25 janvier 2019 prévoit que le biogaz ne représentera que 7 % de la consommation totale de gaz en 2030, avec un objectif de prix d'achat moyen de 67 €/MWh (euros par mégawattheure) en 2023, soit environ 30 % de moins qu'aujourd'hui, et de 60 €/MWh en 2028[47].

Suisse
Biogaz dans une ferme en Suisse.

En 2013, environ 50 fermes en Suisse produisent du biogaz[48].

Du biogaz est aussi produit avec les boues d'épuration, à la station d'épuration des eaux usées d'Aïre (Genève) depuis 2013[49].

Notes et références
  1. « Gaz de décharge ».
  2. Nawfal M, Valorisation catalytique du biogaz pour une énergie propre et renouvelable (Thèse), Université du Littoral Côte d'Opale, .
  3. mendeleiev.cyberscol.qc.ca/chimisterie/20022003/Mbeaudet.html. [Online] 20022003 [Cited: july 18, 2014.]), cité par Nawfal, M. (2015, January). Valorisation catalytique du biogaz pour une énergie propre et renouvelable. Université du Littoral Côte d'Opale)
  4. Afsset, « Avis et rapport de l'Afsset relatifs à : L’évaluation des risques sanitaires liés à l’injection de biogaz dans le réseau de gaz naturel », .
  5. « Biogaz issus de déchets alimentaires pour cogénération / CHP », sur clarke-energy.com.
  6. Biogaz de déchets de distillerie
  7. (en) Geert De Clercq, « Paris restaurants turn food scraps into biogas », sur .scientificamerican.com (consulté le ).
  8. (en) Phitsanu Tulayakul et al., « Comparative study of heavy metal and pathogenic bacterial contamination in sludge and manure in biogas and non-biogas swine farms », Journal of Environmental Sciences, vol. 23, no 6,‎ , p. 991-997 (DOI 10.1016/S1001-0742(10)60484-6, lire en ligne).
  9. Migros Magazine, numéro 40, 1er octobre 2012, Énergie verte: le produit d'avenir des paysans suisses, par Alexandre Willemin, p.27
  10. Paul Hugues, Stratégies technologique et réglementaire de déploiement des filières bioénergies françaises (thèse de doctorat), Sophia-Antipolis, Ecole des Mines de Paris, , p. 100.
  11. (en) Ikenna J. Okeke et Sudhagar Mani, « Techno‐economic assessment of biogas to liquid fuels conversion technology via Fischer‐Tropsch synthesis », Biofuels, Bioproducts and Biorefining,‎ (DOI 10.1002/bbb.1758, lire en ligne).
  12. (en) Liz Gyekye, « Australia backs tech that converts biogas into hydrogen and graphite », sur Biomarketing sights, (consulté le ).
  13. G. Bastide, « Fiche technique méthanisation », sur ademe.fr, (consulté le ), p. 7.
  14. « Les valorisations énergétiques des biogaz et gaz de synthèse », sur ademe.fr, (consulté le ).
  15. « Méthanisation: la fuite en avant de l’agro-industrie », sur Reporterre, .
  16. « Pour « sauver la planète », l’industrie tue les campagnes », sur Reporterre, .
  17. « La Confédération paysanne demande un moratoire sur la méthanisation », sur Reporterre, .
  18. « Mobilisation en Loire-Atlantique contre « le plus grand méthaniseur » de France », sur Reporterre, .
  19. (en) Small is Beautiful - Call for a « De Minimis » approach on the framework for small renewables & cogeneration installations, cogeneurope.eu, 26 juin 2018.
  20. « Document de travail - Énergie » [PDF], sur The Shift Project, , p. 22.
    6 Mtep correspondent à 70 TWh.
  21. « Dans le Lot, les résidus de la méthanisation polluent les sols », sur Reporterre, .
  22. « Méthanisation : un digestat bien indigeste pour les sols et les eaux », sur Reporterre, .
  23. « Graphique dynmique », sur Association négaWatt,
    Survolez l'image pour afficher une loupe. Zoomez avec la molette de la souris.
  24. « Une interview dans le Journal des Activités Sociales de l’Energie en avril 2021 », sur Jean-Marc Jancovici,
  25. « Méthanisation à Munchhouse : projet inacceptable en l’état pour Alsace Nature », sur Alsace Nature,
  26. « Avec 26 unités de méthanisation fin 2021, l’Alsace mise sur une énergie de « merde » », sur Rue89 Strasbourg,
  27. « Agriculture. La Confédération paysanne dénonce « les dérives » de la méthanisation », sur Ouest-France,
  28. « Pour « sauver la planète », l’industrie tue les campagnes », sur Reporterre,
  29. T. Ohkubo, Y. Hideshima, Y. Shudo. s.l. : International Journal of Hydrogen Energy, 2010, Vol. 35, p.13021. cité par Nawfal, M. (2015, January). Valorisation catalytique du biogaz pour une énergie propre et renouvelable. Université du Littoral Côte d'Opale
  30. Page du Club Biogaz référençant des initiatives sur le biogaz dans les pays en développement
  31. Production et usage de biogaz dans 4 communes de la région de Kayes (Mali)
  32. Arti biogaz digesteur (Inde)
  33. http://www.gaz-mobilite.fr/actus/rapport-eba-biogaz-biomethane-europe-2015-1172.html - Rapport EBA 2015
  34. Hugo Lara, « Norvège : la plus grande usine de biogaz au monde inaugurée », sur gaz-mobilite.fr, (consulté le ).
  35. Marc-Antoine Eyl-Mazzega et Carole Mathieu (dir.), « Biogas and Biomethane in Europe: Lessons from Denmark, Germany and Italy », Études de l'Ifri, Ifri,‎ (lire en ligne).
  36. Frédéric DOUARD (2014), Atlas biogaz 2014 des sites francophones de production et de valorisation , 2014-01-24, consulté 2014-02-04
  37. Salon Biogaz Europe 2015
  38. Émission « X:enius », magazine de connaissance d'Arte, mercredi 22 février 2012
  39. Biogaz agricoles et cogénération / CHP, sur le site clarke-energy.com
  40. [PDF] Analyse de la composition du biogaz en vue de l’optimisation de sa production et de son exploitation dans des centres de stockage des déchets ménagers , sur le site tel.archives-ouvertes.fr
  41. Commission du Développement Durable et de l'Aménagement du Territoire.(2013).La biomasse au service du développement durable. Rapport d'information, Assemblée Nationale, Paris. p.22
  42. France : 12 mesures de soutien pour développer la biomasse  ; Enerzine
  43. Ademe (2016) : Lettre stratégique n°4 évolution des marchés de la maîtrise de l'énergie et développement des énergies renouvelables, (PDF, 13 pp) Publication ADEME
  44. Première réunion du comité national Biogaz, Ministère de l'environnement, 26 mars 2015
  45. Fabrégat, Sophie (2015), Un comité national biogaz pour accélérer le développement de cette filière Energies, Actu-Environnement, 31 mars 2015
  46. Gaz vert: le gouvernement donne un coup d'accélérateur, Les Échos, 26 mars 2018.
  47. L'exécutif douche les espoirs de la filière du gaz vert, Les Échos, 25 janvier 2019.
  48. Migros Magazine, numéro 40, 1er octobre 2012, Énergie verte: le produit d'avenir des paysans suisses, par Alexandre Willemin, p.25
  49. « STEP by STEP la station d’Aïre fête ses 50 ans », sur ww2.sig-ge.ch, Services industriels de Genève, (consulté le ).

Voir aussi

Bibliographie
  • Biométhane, Edisud/énergies alternatives, collection « Technologies douces », 1979, Bernard Lagrange. 2 tomes :
1. une alternative crédible, (ISBN 2-85744-040-5) 1
2. principes. techniques utilisations, (ISBN 2-85744-041-3) 2
  • Bertrand de La Farge, Le Biogaz. Procédés de fermentation méthanique, 1995, éd. Masson, 237 p.

Articles connexes

Liens externes
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