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La méthanisation, un processus naturel

Des bactéries dégradent de la matière organique en différents composés dont le méthane. Ce processus qui s’effectue en l’absence d’oxygène se rencontre naturellement dans les fosses à lisier, les tas de fumier non composté les décharges à ordures, les marais et … dans l’estomac  des ruminants.

La méthanisation est contrôlée dans un méthaniseur où l’on place les bactéries en présence de substrat à digérer en quantité et qualité optimale, c’est une ration. D’une manière générale, les conditions de milieu sont contrôlées de manière à favoriser le développement des 180 souches bactériennes environ qui interviennent dans la digestion. Ainsi le pH est neutre, la température est maintenue au niveau favorable à la souche bactérienne retenu, la présence d’élement toxique est évitée (détergent, oligo-éléments à dose trop élevée, antibiotiques, bactéricides, métaux lourds etc). Toutes les matières ne sont pas envisageables dans un méthaniseurs.

Les substrats

Les matières lignifiées (bois) ne sont pas dégradées et ne seront donc pas introduites. Les autres seront choisies selon leur potentiel méthanogène et leur coût. Une ration précise est établie et ne peut varier que graduellement. Toutes les matières n’ont pas le même potentiel méthanogène

Methanisation agricole

·        L’introduction d’effluents d’élevage sera bien entendu retenue. Leur mobilisation est très aisée sur une exploitation d’élevage mais leur potentiel de production de méthane est peu élevé (lisier environ 10 M3 de méthane /t de matière brute, fumier 30 à 40 m3).

 

Ensuite peuvent être ajoutés d’autres produits de l’exploitation :

  •         des menues pailles et d’autres peuvent être ajoutées
  •         des cultures intermédiaires
  •         des cultures principales dans une limite règlementaire
  •         Des matières extérieures à l’exploitation  peuvent également être introduites
  •         Déchets d’industries alimentaires
  •         Déchets de table et de cuisine
  •         Boues de station d’épuration

Chaque produit suit une réglementation sanitaire particulière qui détermine le niveau d’autorisation sanitaire et le fonctionnement de l’installation.

Les procédés :

Selon le taux de matière sèche de la matière introduite, la température de fonctionnement et le mode de renouvellement de la matière, différents procédés existent.

On trouve principalement des installations par voie liquide, mésophile et continue mais il existe 6 installations mésophile par voie sèche discontinue en Bourgogne Franche Comté.

Les installations par piston (la matière est poussée horizontalement par des palles) peuvent s’assimiler à un processus voie sèche en continue.

 

Le digestat

« Rien ne se perd, rien ne se crée »  a dit Lavoisier.

Les éléments contenus dans les intrants se retrouvent dans le digestat (à moins qu’ils ne soient tombés au fond s’il s’agit de sable par exemple). Seul du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et su souffre sont retirés. En effet, le biogaz est composé de 50 à 60% de CH4 (méthane), de gaz carbonique (CO2) et de sulfure d’hydrogène (H2S) 2 % tout au plus. Ainsi les éléments fertilisants présents dans les substrats seront présents dans le digestat.


  • L’azote est davantage présent dans le digestat sous forme ammoniacale par conséquent. Les apports de digestat aux cultures sont à réaliser au plus proche des besoins de la plante car il se trouve presque dans la forme absorbable par les plantes (la nitrification est assez rapide). Cet aspect induit donc des changements de pratique d’épandage d’effluents d’élevage surtout s’il s’agissait auparavant de substrats solides (fumier).

o    Plus précisément l’azote minérale (ammoniacale) est davantage contenu dans la fraction liquide que la fraction solide du digestat ce qui peut inciter à une séparation de phase et donc une gestion séparée.

  • L’introduction dans le digesteur de substrats extérieurs à l’exploitation constitue autant de gain d’éléments fertilisants ce qui contribue à réduire l’utilisation d’engrais et améliore le coût de la fertilisation. Cet aspect est à mettre à l’actif de l’activité méthanisation.
  • La matière organique digérée dans le méthaniseur est la fraction « fraîche »de la matière organique par opposition à la matière organique « résistance » celle qui met un certain temps à se dégrader dans le sol et constitue la base de l’humus. A priori, la méthanisation ne concoure donc pas à la réduction du taux d’humus dans les sols puisque cette part de la matière organique se dégrade rapidement. En l’occurrence, l’humification de la matière organique est un phénomène long et extrêmement complexe qui ne peut être apprécié sans un examen approfondi.
 

La valorisation du biogaz

Le biogaz comprend 50 à 60% de méthane selon les substrats méthanisés.

1 m3 de méthane contient autant d’énergie qu’un litre de fioul, il peut être valorisé de différente manière sur le site de l’installation, par brûlage, injection dans le réseau de gaz ou valorisation dans un moteur thermique le plus souvent associé à une génératrice d’électricité.

  • Brûlage

Le biogaz peut être brûlé dans une chaudière dont les brûleurs ont été préalablement adaptés. Cependant, ce mode de valorisation est rarement retenu compte tenu du prix de revient du kWh thermique  du biogaz et de celui des énergies fossile. Toutefois il est rendu quasiment obligatoire par le mode de rémunération en injection dans le réseau : le digesteur doit être chauffé à partir de biogaz (à moins qu’il ne le soit par récupération de chaleur fatale).

  • L’injection

Après épuration, le méthane peut être injecté dans le réseau de distribution de gaz (GrDF) ou plus rarement dans le réseau de transport (GRT). En préalable, le débit doit être d’au moins 50 m3/heure, une canalisation doit être installée à proximité, à quelques km tout au plus. Les conditions de consommation de gaz doivent être vérifiées sur cette ligne notamment en ce qui concerne la période  estivale (environ le dixième de la consommation maximale). Une étude de GRDF est requise et déterminera également si un bouclage avec un autre réseau est nécessaire et à quel coût.

  • La cogénération

Un moteur thermique spécialement conçu à cet effet transformera l’énergie du méthane en énergie mécanique. Actuellement, il existe peu de véhicule en mesure d’utiliser le bio-méthane comme carburant car les contraintes de purification-compression-distribution sont très importante. Cependant cette option se développe avec des poids lourd utilisant du gaz « de ville » (bientôt des tracteurs pour le gaz de campagne?).
Actuellement, la consommation de biogaz par un moteur conduit à actionner une génératrice électrique qui produit du courant alternatif 50 Hz, 220V injecté dans le réseau électrique. Peu de génératrice sur le marché actuel ont une puissance inférieure à 60 kW (soit la puissance correspondant à un élevage laitier de 120 VL en lisier + suite). Quant à la turbine brûlant du biogaz, elle n’existe qu’à des puissances conséquentes et ne permet qu’un spectre étroit de valorisation de la chaleur.



Types de projets - repères :

  1. Petit projet agricole ou la méthanisation à la taille de la ferme    

environ 3 000 tonnes de matière

  •     principalement les déjections issues d’un élevage
  •     30 à 60 kWé + chauffage de 3 ou 4 maisons


- Sécurité de l’approvisionnement
- Simplicité du montage de projet et fonctionnement
- Investissement plus faible en montant total mais élevé en rapport de la puissance
-> Rentabilité délicate (nécessité d’aides)

          2. Projet agricole

Multi-partenaires et/ou multi-sources et/ou multi-débouchés - moins de 20 000 tonnes de matière

  •     déjections de plusieurs exploitation + co-substrats
  •     chauffage d’une dizaine de maisons ou bâtiment industriels
  •     D’autres débouchés chaleur à trouver : séchage, collectivité…

-     Participation de plusieurs exploitations, éventuellement de collectivités
-     Projet pouvant être encore porté par une exploitation mais parfois par un groupe d'exploitations
-     Valorisation de chaleur à trouver
-     Meilleure rentabilité (mais moins d’aide)

        3. Projet territorial : plus de 800 kW élect., multi-sources


-    Substrats de diverses sources
-    Construit autour d’une valorisation de la chaleur (industriel, collectivité)
-    Recherche de rentabilité maximale
-    Complexité montage projet, logistique
-    D’éventuels problèmes d’acceptation
-    Sécurisation de l’approvisionnement important
-    Plan d’épandage conséquent

Autorisation :

  •    Permis de construire : un permis de construire est obligatoire pour toute installation de méthanisation
  •    Installation Classée Pour l’Environnement (ICPE)

 - Selon le tonnage journalier < 30 t/jour, 30 à 60 t /jour ou  >60 t/jour l’installation relèvera de la procédure Déclaration, enregistrement ou autorisation
- Selon la nature d’un seul élément, l’installation pourra relever de la procédure Autorisation (cas des déchets de table et de cuisine, boues de station d’épuration par exemple)

  •    Epandage : un plan d’épandage doit être établi.
  •    Logique produit Logique déchet du digestat

Selon la composition des substrats:


- Avec le respect d’un cahier des charges notamment au niveau des intrants et du méthaniseur, le digestat sera considéré comme un produit fertilisant, vendable en vrac uniquement, par cession directe entre l’exploitant de l’installation et l’utilisateur final pour des usages en grandes cultures et sur prairies.
- Sinon, le digestat est considéré comme un déchet ce qui implique en particulier que le producteur est responsable de ses effets sur l’environnement. Un plan d’épandage est obligatoire.
- Par homologation ou normalisation (procédure longue et chère), le digestat peut être qualifié de produit commercialisable.