Méthanisation

Schéma de la chaîne trophique de la méthanogenèse et ses différentes étapes.

La méthanisation résulte de l'action de certains groupes de micro-organismes microbiens en interaction constituant un réseau trophique. On distingue classiquement trois phases successives[1] :

• L'hydrolyse et l'acidogenèse
• L'acétogenèse
• La méthanogenèse

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'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 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.

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).

La température cible est dite "température de consigne". deux régimes thermiques sont possibles[2] :

1. méthanisation mésophile : La méthanisation a généralement lieu en régime mésophile, c'est à dire de 30 à 40 °C.
2. méthanisation thermophile : Le régime thermophile se passe de 45 à 60 °C, souvent à 55°C, dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8 avec un optimum compris entre 6,5 et 7,2.

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. Le pH a aussi une importance[3].

La méthanisation permet de traiter les effluents liquides, même lorsqu'ils sont chargés en matière en suspension. C'est par exemple le cas des effluents d'élevage (lisiers)[7], et des boues de stations d'épuration (STEP) (souvent des boues mixtes qui rassemblent les boues primaires et les boues biologiques). La méthanisation est également largement appliquée aux traitement des effluents agro-alimentaires[8]. Ces matières de base dont on dispose en général de façon régulière peuvent être complétées de divers déchets organiques, et en particulier de graisses dont le pouvoir méthanogène est fort (issues par exemple d'abattoirs, ou du prétraitement des stations d'épuration). L'état liquide du mélange permet un brassage pour obtenir une bonne homogénéité de la matière et de la température.

La méthanisation des effluents s'est appuyée sur le développement des procédés intensifs dans lesquels la biomasse anaérobie est structurée, en agrégats granulaires très denses (procédés UASB, EGSB)[9], ou sous la forme de biofilms adhérant à des supports dédiés[10].

La méthanisation des déchets solides s'applique à la plupart des déchets organiques. Cette technique s'applique à la fraction fermentescible des déchets qui doit être triée et recueillie par une collecte séparative, avant d'être méthanisée. Selon la provenance, on distingue différents types de déchets :

• Municipaux : déchets alimentaires, journaux, emballages, textiles, déchets verts, sous-produits de l'assainissement urbain ;
• Industriels : boues des industries agroalimentaires, déchets de transformation des industries végétales et animales, fraction fermentescible des déchets industriels banals (DIB) ;
• Agricoles : déjections d'animaux, substrats végétaux solides (dont résidus de cultures, ligneux déchiquetés…) ;
• Littoraux : algues de marées vertes.

On parle généralement de méthanisation solide lorsque les déchets à digérer ont un taux de matière sèche au-dessus de 15 à 20 %.

L'agriculture produit chaque année d'importantes quantités de déchets solides. En France, en 2017, cela représentait 67 millions de tonnes de fumiers de bovins et 25 millions de tonnes de résidus de culture (pailles notamment). La valorisation de ces déchets organiques par méthanisation est délicate compte tenu de leur forte teneur en matière sèche (jusqu’à 90 % pour les pailles) et la présence de composés lignocellulosiques peu ou lentement dégradables[5]. Seule une dizaine d'exploitations ce sont spécialisées dans cette voie. Parmi les pistes récentes explorées par les scientifiques pour améliorer le rendement de la méthanisation, on peut citer la recirculation du lixiviat (liquide résiduel issu des réactions biologiques et chargé de bactéries) au travers des déchets solides stockés[11] et le prétraitement par des bactéries capables de détruire la lignine contenue dans la paroi des pailles qui empêche la dégradation de la cellulose [12]. Concernant ce dernier procédé, un brevet basé sur un inducteur qui stimule l’activité de dégradation de la lignine par les bactéries a été déposé par la société d'accélération de transfert de technologies (SATT) Ouest Valorisation en 2017.

Des expériences ou tentatives de mutualisation de méthaniseurs existent pour, par exemple, co-méthaniser des déchets organiques classiques (issus des ordures ménagères résiduelles et des biodéchets) et des boues de station d'épuration, comme l'envisagent, en région parisienne, les syndicats d’assainissement (Siaap) et des déchets (Syctom) à horizon 2018 (projet de 90 millions d'euros)[13].

Le digestat est le résidu solide et liquide généré par les procédés de méthanisation des déchets. En fin de processus de méthanisation, il est déshydraté et mis en tunnels de maturation étanches et bien ventilés, pour achever la réaction anaérobie et commencer une phase de compostage[14]. Il devient alors un déchet traité et stabilisé qui a une certaine valeur d'amendement organique (riche en azote) et dans une certaine mesure comparable à un compost si on lui a rajouté du carbone ; il 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, en raison de la présence dans ces boues de médicaments à l'état de trace, de métaux lourds et d'autres résidus chimiques nocifs. L'azote des digestats (nitrate) est soluble et risque d'être lessivable et non retenu durablement par le sol.

Des recherches sont menées pour utiliser les nutriments des digestats pour cultiver des micro-algues, elles-mêmes utilisées pour produire des matières premières, notamment des biocarburants ou algocarburants.  C’est le cas du projet Algovalo[15] qui a permis de définir les conditions pour un développement optimal des algues. Le bilan est encourageant, puisque 95% des nutriments ont pu être récupérés au bénéfice des algues.

Après avoir pris un certain retard par rapport à d'autres pays d'Europe du Nord ou à l'Italie, cette filière est en plein développement en  France. Ainsi en 2017, on comptait 80 installations supplémentaires, ce qui porte à 514 le nombre total d'installations, dont 330 à la ferme[29]. Selon le Think Tank France-Biométhane, fin 2017, 44 de ces sites l’ont valorisé sous forme de biométhane injecté sur les réseaux de gaz naturel et « fin 2018, ce sont une petite centaine d’unités qui sont attendues »[30].

Le législateur compte sur la méthanisation (entre autres sources d'énergies dites vertes ou bioénergies) pour remplir les engagements français et internationaux pour le climat et l'énergie, pour décarboner la production d’électricité et pour stabiliser le revenu agricole.

En 2017, la FNSEA et GRTgaz proposaient trois actions conjointes pour le biométhane agricole : 1) favoriser le financement de projet ; mieux accompagner les agriculteurs, et développer la R&D[30].

Début 2018 (le 1er février) un groupe de travail sur la méthanisation, a été installé par le gouvernement ; Présidé par le secrétaire d’État Sébastien Lecornu et associant « les gestionnaires de réseau, fédérations professionnelles, parlementaires, collectivités, associations de défense de l’environnement, établissements bancaires ou encore établissements publics et administration » : cinq commissions techniques restreintes doivent préparer un plan d’action opérationnel avant le Salon de l'agriculture 2018 (24 février-4 mars). Ce plan doit proposer des solutions politiques ou réglementaires à des problèmes anciens pour développer la filière (seront évoqués : Simplification de la réglementation, financement, raccordement et bioGNV)[30].

En 2018 Nicolas Hulot annonce un « Plan de libération des énergies renouvelables » (26 mars) qui devrait s'appuyer sur 15 propositions de soutien à la filière, agricole notamment, faites par un groupe de travail lancé en février par Sébastien Lecornu (secrétaire d'État) : Aides et simplification administrative via un « guichet unique » pour l'instruction des dossiers réglementaires, moindres délais d'instruction (passer de un an à 6 mois), relèvement du seuil applicable à la déclaration des installations classées pour la protection de l'environnement (ICPE) à 100 tonnes par jour (60 t/j aujourd’hui), accès au crédit (pour la méthanisation agricole + complément de rémunération pour les petites installations) ; Permettre les mélanges d'intrants tels que boues de stations d'épuration et biodéchets (point sur lequel la FNSEA émet « de fortes réserves » , préférant une « réglementation ferme qui garantit un épandage fiable, gage d'une production alimentaire de qualité » ; formation (notamment pour les acteurs agricoles) afin de structurer et professionnaliser la filière.

Ceci doit aussi alimenter les travaux de la programmation pluriannuelle de l'énergie (PPE), et de la future « feuille de route » 2019-2023 de la transition énergétique. La FNSEA s'est « réjoui de ces avancées, hormis concernant le mélange de boues d’épuration et de biodéchets »[31]. Elle estime aussi qu’il faudrait permettre aux producteurs agriculteurs « de fixer annuellement leur capacité maximale de production, et non plus mensuellement, et de leur donner la possibilité d'avoir plus de visibilité en contractualisant l'achat de biogaz sur 20 ans, contre 15 ans aujourd'hui » [32].

Les biodéchets et déchets agricoles nécessaires à la méthanisation sont souvent diffus et leur quantité et qualité varie selon le territoire et les saisons. Les valorisations du biogaz sont peu transportables et s’associent mal à l'idée de flux (si ce n'est localement pour l'acheminement des déchets jusqu'à l'unité de méthanisation, puis du biogaz jusqu'aux zones de consommation).

L'implantation d'une unité de méthanisation obéit donc à une logique territoriale d'offre (gisement local de déchet ou d'autres biomasses « méthanisables », proximité d'un réseau de gaz) et de demande (besoin du territoire en gaz, électricité, digestats...).

La volonté politique des acteurs locaux permet alors de développer cette filière qui peut être source de développement local. En effet le plan d'approvisionnement en produits méthanisables n'est généralement rentable que pour de courtes et moyenne distances de transport. La filière met en relation des acteurs fournissant la matière organique, et ceux qui utiliseront le biogaz et le digestat (des collectivités territoriales aux agriculteurs ou leurs groupement, en passant par les industriels, le secteur du traitement des déchets jusqu'aux constructeurs d'usines de méthanisation et ménages consommant l'énergie produite). Ceci suppose une logique territoriale avec en amont, une collecte des substrats organiques nécessaires à la production de biogaz, puis le processus en lui-même, suivi de la transformation des produits et enfin leur valorisation.

Cette logique territoriale se met progressivement en place dans la métropole rennaise dans le cadre de plusieurs projets[33] portés par Irstea. En partenariat avec la société Akajoule et Rennes Métropole, les chercheurs ont élaboré une méthodologie de « diagnostic territorial » de la filière méthanisation. Elle permet de déterminer, compte tenu des contraintes et opportunités territoriales identifiées pour les déchets, l’énergie et l’agriculture, les scénarios les plus adéquats pour l’implantation des unités de méthanisation. « Concrètement, à partir d’informations géoréférencées du territoire (ressources disponibles, lieu de collecte des déchets méthanisables…), le modèle mathématique détermine pour lequel des cinq critères identifiés (traitement des déchets, production d’énergie, qualité des sols, qualité de l’eau, besoin en engrais) la méthanisation est la plus adaptée ». Cette collaboration a permis de constituer la première base de données et d’élaborer un schéma directeur de la filière méthanisation pour la métropole rennaise. Un autre volet important des projets concerne l’analyse des impacts environnementaux (en mobilisant les outils de l’analyse du cycle de vie) et des impacts socioéconomiques liés au déploiement de la méthanisation. « Ce travail a permis notamment d’établir, pour la première fois, une liste d’effets imputables à la filière, tels que la tension sur les matières utilisées pour la méthanisation ou le changement des pratiques agricoles »[34].

En 2017, la filière représentait plus de 1700 emplois directs. Elle pourrait en créer 15 000 d'ici 2020 si les objectifs fixés par le gouvernement en 2010 sont atteints[35].

La France a été le premier pays à se lancer dans la méthanisation des déchets ménagers (en 1988 à Amiens avec Valorga). Depuis 2002, d'autres installations ont été mises en service : Varennes-Jarcy, 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, dont la construction, initialement prévue pour 2010 mais reportée, traitera près de 400 000 tonnes d'ordures ménagères.

Depuis une trentaine d’années, les installations industrielles traitant la biomasse-déchet solide et/ou certaines boues d'épuration ont montré leur rentabilité économique, une fois lancées avec des aides publiques.

Selon leur provenance, les déchets non-triés à la source doivent subir un prétraitement et/ou un post-traitement mécanique (tri mécano-biologique avec séparation, triage, réduction de la taille par broyage, criblage par la taille et/ou pasteurisation). Certaines unités traitent des biodéchets constitués de matières organiques triées à la source. C'est le cas des sites de Lille ou Forbach par exemple.

Des firmes industrielles ont mis en œuvre des solutions de méthanisation industrielle, notamment de méthaniseurs et de systèmes de tri mécano-biologiques. Elles sont situées en France, en Allemagne, en Suisse, en Suède, en Espagne[36] , etc.

Selon la législation française, les installations de méthanisation de déchets non dangereux ou de matière végétale brute (à l'exclusion des installations de méthanisation d'eaux usées ou de boues d'épuration urbaines lorsqu'elles sont méthanisées sur leur site de production) sont des installations classées pour la protection de l'environnement (ICPE). En effet, ce type d'installation est concerné par la rubrique n^o 2781 de la nomenclature des installations classées, qui est divisée en deux sous-catégories[37] :

• Rubrique n^o 2781-1 (« méthanisation de matière végétale brute, effluents d'élevage, matières stercoraires, lactosérum et déchets végétaux d'industries agroalimentaires ») :
  • Les installations ayant une quantité de matière traitées supérieure ou égale à 100 tonnes/jour sont soumises à autorisation préfectorale.
  • Les installations ayant une quantité de matière traitées comprise entre 30 et 100 tonnes/jour sont soumises à enregistrement.
  • Les installations ayant une quantité de matière traitées inférieure à 30 tonnes/jour doivent être déclarées et réaliser un contrôle périodique.
• Rubrique n^o 2781-2 (« méthanisation d'autres déchets non dangereux ») :
  • Les installations ayant une quantité de matière traitées supérieure ou égale à 100 tonnes/jour sont soumises à autorisation préfectorale.
  • Les installations ayant une quantité de matière traitées inférieures à 100 tonnes/jour sont soumises à enregistrement.

Les autorisations ou enregistrements sont délivrés sous la forme d'arrêtés préfectoraux afin d'imposer aux exploitants le respect d'un certain nombre de prescriptions techniques, notamment celles de l'arrêté ministériel du 10 novembre 2009 fixant les règles techniques auxquelles doivent satisfaire les installations de méthanisation soumises à autorisation en application du titre I^er du livre V du code de l'environnement[38] ou celles de l'arrêté ministériel du 12 août 2010 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations classées relevant du régime de l'enregistrement au titre de la rubrique n^o 2781[39].

Les exploitants des installations soumises à déclaration doivent quant à eux respecter les prescriptions techniques de l'arrêté ministériel du 10 novembre 2009 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations classées de méthanisation soumises à déclaration sous la rubrique n^o 2781-1[40].

L'instruction des demandes d'autorisation ou d'enregistrement ainsi que le contrôle du respect des prescriptions techniques par les exploitants sont réalisés par l'inspection des installations classées[41].

La production d’énergies renouvelables dont le biogaz s’est bien développée dans certains pays de l’Union européenne (UE) et on a une croissance depuis ces dernières années car en plus de l’activité première de la production de biogaz (dépollution et traitement des déchets), le biogaz a une activité de production d’énergie.

L’Allemagne et le Royaume-Uni sont les deux pays les plus avancés au niveau du développement de la filière du biogaz ; cette dernière installant la première centrale au monde sur le site de l’ancienne base aérienne de RAF Eye en 1992 ; d’autres pays ont des programmes et des politiques spécifiques en matière de biogaz tels l’Espagne, l’Italie, le Danemark, les Pays-Bas, la Suède, la Pologne, la Suisse ou encore l’Autriche. Depuis les années 2000, l’UE est devenue la principale productrice de biogaz – devant les États-Unis – avec plus de la moitié de la production mondiale. En effet, le développement du biogaz à l’échelle européenne s’est fait par une volonté de certains pays à établir – grâce au livre blanc de 1997 – une stratégie et un plan d’action communautaire en matière d’énergies renouvelables. La production de biogaz répond aussi à d’autres objectifs fixés par l’UE :

• une production en énergie renouvelable de 20 % de la consommation brute d’énergie d’ici 2020 (Directive énergie renouvelable (2009/28/CE))
• un programme de développement des filières renouvelables (Directive européenne énergie renouvelable (2009/20/CE)) ayant conduit à l’adoption d’une feuille de route biogaz dans le plan d’action national des énergies renouvelables qui permet de guider les États.
• une réduction de la mise en décharge des déchets biodégradables (Directive décharge 1999/31/CE), un recyclage et une valorisation des déchets (Directive déchets 2008/98/CE).

• Digesteur
• Épuration des eaux
• Compostage
• Biomasse-énergie
• Biogaz
• Électrosynthèse microbienne

• Laboratoire de biotechnologie de l'environnement (laboratoire de l'INRA)
• Transformer nos déchets en énergie : la méthanisation Irstea (Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture)
• Sur la méthanisation sur le site de l'ADEME
• Raymond Gimilio, « Observatoire indépendant des Déchets de l'Agglomération de Montpellier (ODAM) », sur odam.fr, 12 septembre 2005 (consulté le 29 septembre 2010)
• EnerBioFlex, méthanisation, technologies et atouts.

• Bouix, M. M. (2011), « Préparation d’un déchet ménager pour l’optimisation du potentiel et de la cinétique méthanogène » (Doctoral dissertation, INSA Lyon)

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