Méthanisation

La méthanisation est un processus de décomposition de matières pourrissables (putrescibles) par des bactéries qui agissent en l’absence d’air. On nomme ce processus de décomposition « fermentation anaérobie ».  

Ce procédé permet de générer une énergie renouvelable, du biogaz qui comporte entre autres du méthane (CH₄, dans des proportions de 50% à 70%, et du dioxyde de carbone (CO₂) ainsi que du compost (un « digestat » utilisé comme fertilisant). Le biogaz peut être transformé en chaleur, en électricité et en carburant pour véhicules. Le phénomène de méthanisation se produit naturellement dans les gaz des marais, lieu de décomposition de matières végétales et animales où l’on peut observer la formation des bulles à la surface de l’eau. 

On distingue deux types de déchets que l’on peut méthaniser: 

• les effluents liquides :
• les eaux résiduaires, urbaines ou industrielles ; 
• les effluents d'élevage (lisiers) ;
• les boues d'épuration qui sont souvent des boues mixtes composées des boues primaires et des boues biologiques. Les boues primaires sont les dépôts récupérés par une simple décantation des eaux usées et les boues biologiques sont principalement constituées de corps bactériens et de leurs sécrétions ;
• les effluents agro-alimentaires. 

• les déchets solides organiques :
• les déchets industriels : déchets de transformation des industries végétales et animales ;
• les déchets agricoles : substrats végétaux solides, déjections d'animaux ;
• les déchets municipaux : journaux, déchets alimentaires textiles, déchets verts, emballages, sous-produits de l'assainissement urbain.

La méthanisation est un procédé complexe. Le principe est le suivant : les déchets organiques sont stockés dans une cuve cylindrique et hermétique que l’on appelle « digesteur » ou « méthaniseur » dans laquelle ils sont soumis à l’action de micro-organismes (bactéries) en l’absence d’oxygène. Les réactions biologiques mises en jeu par la méthanisation sont complexes mais globalement on repère trois grandes étapes :

• l’hydrolyse et l’acidogénèse : les chaînes organiques complexes (protéines, lipides, polysaccharides) sont transformées en composés plus simples (acides gras, peptides, acides aminés) ;
• l’acétogénèse : les produits de l’acidogénèse sont convertis en acide acétique ;
• la méthanogénèse : l’acide acétique est transformé en méthane et en gaz carbonique.

Une fois méthanisée, la matière résiduelle (digestat) est stockée.

Il existe également un procédé physique, la méthanation, qui, par gazéification de biomasse sèche, généralement du bois, sous l’effet de la température, conduit à la production de méthane, de gaz de synthèse et de CO₂. Ce procédé, dont une version primitive était à la base des gazogènes utilisés pour la traction automobile pendant la Seconde Guerre mondiale, est actuellement en cours de développement pour la production de méthane « vert ».

Processus de méthanisation (©Connaissance des Énergies)

Enjeux économiques

Le biogaz produit par méthanisation est une énergie dont les sources sont assez uniformément réparties dans le monde. Le biogaz peut se substituer au gaz naturel dans tous ses usages actuels : production de chaleur, production d’électricité et carburant pour véhicules. 

Par ailleurs, la matière digérée restante après le processus de méthanisation appellée « digestat » est majoritairement recyclable, notamment sous forme d’engrais. Elle peut donc permettre aux agriculteurs de réaliser des économies substantielles. Le biogaz peut également leur apporter un complément de revenus par la vente de l’électricité issue de sa combustion à des tarifs de rachat préférentiels⁽¹⁾.

Enjeux environnementaux et agronomiques

Si le biogaz est une énergie renouvelable, sa production et son utilisation engendrent toutefois des rejets polluants dans l’atmosphère. Ceux-ci restent moins importants que ceux des énergies fossiles. 

Une fois retraité, le digestat est un produit fertilisant à haute valeur agronomique. Il est très facilement assimilable par les plantes car il est majoritairement constitué d’ammoniac, produit de la transformation de l’azote qui y était contenu avant la gazéification.

La méthanisation permet également, à l’échelle locale, de supprimer le problème du stockage des matières pourrissables (odeurs et concentration d’insectes).

En Europe, la méthanisation se développe dans des pays tels que l’Autriche, le Danemark, la Suisse et surtout l’Allemagne, pays le plus avancé dans ce secteur avec près de 7 000 installations (générant près de la moitié du biogaz produit en Europe) en 2011 dont la plus grande usine de méthanisation au monde. De manière générale, la méthanisation est en expansion dans les pays riches (par exemple au Canada), comme en Europe. Dans les pays en développement, certains paysans fabriquent des « digesteurs » à leur façon: des bidons, des sacs en plastique, des tuyaux d'arrosage, etc.

La production énergétique d’une unité de méthanisation traitant 15 000 tonnes/an de déchets permet, en équivalence :

• d’assurer la consommation de carburant de 60 bus urbains⁽²⁾.
• de garantir le chauffage de 700 maisons ou l’eau chaude sanitaire de 3 500 maisons.
• de garantir par cogénération l’électricité spécifique de 1 300 logements, plus l’eau chaude pour 2 000 autres.

L’histoire de la méthanisation débute en 1776 avec la découverte du méthane par Alessandro Volta. Ce comte et savant italien identifie dans les bulles de gaz émises par les vases en putréfaction du lac Maggiore, l’existence de « gaz hydrogène carboné ».

En 1808, le britannique Humphrey Davy démontre la présence de méthane dans les gaz produits lors de la décomposition de lisiers. Soixante ans plus tard, en 1868, l’agronome Jules Reiset repère le dégagement de l’hydrogène photocarboné (gaz des marais), un gaz combustible en étudiant la dynamique de l’azote dans les fumiers.

Cependant, la première application des traitements anaérobiques est mise en œuvre près de 100 ans après sa découverte. En 1897, un premier digesteur est construit par les Anglais en Inde à Matunga (près de Bombay) avec l’objectif de produire du carburant pour véhicule.

Plus tard, entre les deux guerres, de nombreux travaux font progresser la digestion anaérobie des boues des stations d’épuration, en particulier en Grande-Bretagne et aux États-Unis. De nombreux digesteurs entrent en service dans les années 1930-1940 sur des stations d’épuration et la méthanisation connaît un regain d’intérêt durant la Deuxième Guerre mondiale pour suppléer le manque de carburants. Dans la même logique, les différents chocs pétroliers relancent l’activité biogaz. A l’heure actuelle, les contraintes environnementales et les progrès technologiques réalisés donnent un nouvel attrait à ce mode de traitement des déchets organiques. 

Malgré ses atouts, cette technologie nécessite encore des progrès pour être tout à fait efficiente. Le premier point à améliorer est de favoriser l’intégration des installations de méthanisation dans leur environnement. En effet, il faut trouver des débouchés à proximité de ces unités pour écouler la matière organique et l’énergie produites à moindre coût. Ensuite, il faut chercher à affiner la qualité du digestat et du biogaz issus du mécanisme de méthanisation. Une des solutions est de se concentrer sur le tri des matières organiques que l’on peut méthaniser. La qualité du digestat obtenu est tributaire de la nature des déchets organiques traités, mais aussi de la qualité du tri des déchets effectué au départ.

La méthanisation est dans l'incapacité de remplacer l’incinération car elle ne peut pas traiter l’ensemble des déchets actuellement incinérés. En effet, certains matériaux inertes ne sont pas détruits par la méthanisation et peuvent engendrer un dysfonctionnement du procédé.

En France, la filière biogaz s'est significativement développée ces dernières années grâce aux aides publiques dédiées (Fonds Chaleur, revalorisation du tarif d'achat de l'électricité, etc.), notamment dans le cadre du Grenelle Environnement. A fin 2011, près de 200 installations de méthanisation sont recensés dans le pays (dont 40% dans le secteur industriel et près 20% à la ferme).

Selon le Commissariat général au développement durable, la production de biogaz (et sa valorisation sous forme électrique ou thermique) devrait fortement augmenter dans les prochaines années, au regard des nombreux projets en cours et au fort potentiel de la filière. En septembre 2014, le ministère en charge de l'énergie a lancé un appel à projets pour le développement en 3 ans de 1 500 installations de méthanisation⁽³⁾. L'appel à projets sera clôturé le 4 septembre 2017. Il donne accès à différentes aides, notamment de l'Ademe.