les différents digesteurs | stratégies de méthanisation
méthanisation des ordures ménagères | co-méthanisation centralisée | méthanisation à la ferme
Les différents digesteurs (ou méthaniseurs)
Un digesteur, ou méthaniseur, est une enceinte fermée dans laquelle les matières organiques sont soumises à l'action des bactéries. Ce n'est pas un procédé nouveau : la première installation connue date de la fin du siècle dernier et traitait les boues de la station d'épuration d'Exeter en Grande-Bretagne. C'est d'ailleurs cette application qui est aujourd'hui la plus répandue en France où l'on compte plus de 150 méthaniseurs équipant des stations d'épuration urbaines.
La technologie la plus courante et la plus ancienne est celle du digesteur "infiniment mélangé" dans lequel le brassage est assuré par un moyen hydraulique ou, mieux, par recirculation du biogaz. Ce type de digesteur fonctionne généralement vers 35'C (mésophile). Il a connu un certain nombre d'améliorations au cours de ces dernières années. Degrémont, par exemple, le fait précéder d'un "hydropulpeur", cuve métallique équipée d'une hélice centrale qui fait éclater les cellules végétales et met le déchet en suspension dans l'eau recyclée du process (procédé BTA). Les déchets légers (plastiques, textile, ... ) flottent à la surface et sont récupérés par un peigne hydraulique ; les éléments lourds minéraux (verre, cailloux, os, ... ) décantent et sont extraits par le bas. La pulpe liquide ainsi produite passe ensuite dans un hydrocyclone qui enlève les particules fines sableuses et abrasives. En Allemagne et en Autriche, on a vu apparaître des digesteurs de forme ovoïde construits en béton précontraint selon le procédé mis au point par l'ingénieur-conseil suisse Peter Jäger. Cette forme occupe moins de surface au sol, permet un brassage plus homogène et plus régulier, en supprimant les zones mortes ou de fermentation préférentielle, et facilite la décantation.
Entre temps sont arrivés les digesteurs dits de seconde génération qui utilisent la technique des cellules fixées (ou encore "Filtre anaérobie". La vitesse de fermentation étant proportionnelle à la masse de bactéries présentes, elle est limitée dans la technique précédente par le fait que ces bactéries ne peuvent se fixer que sur les parois du réacteur. D'où l'idée - venue de France et d'Irlande - d'augmenter la surface de vie des bactéries en introduisant un support de grande surface spécifique. Chez nous (procédé proposé par exemple par Proserpol), le support est constitué d'anneaux de plastique en vrac et l'arrosage s'effectue par le haut ; aux Pays-Bas, on trouve aussi le procédé UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) dans lequel le support est biologique et le flux ascendant. Les avantages sont identiques, par rapport à l'ancienne technique : fermentation beaucoup plus rapide (quelques heures à quelques jours au lieu de deux semaines), possibilité d'accélérer encore le processus en adoptant la fermentation thermophile, productivité supérieure, multipliée par 4 à 10, biogaz plus riche en méthane (jusqu'à plus de 80%), taille réduite et donc investissement moindre.
Ajoutons que pour certaines matières organiques, le processus doit se dérouler en deux étapes, acidification préalable puis méthanisation proprement dite, qui font appel à des familles de bactéries différentes et qui doivent donc se dérouler dans des cuves distinctes.les stratégies de méthanisation
On imagine facilement un industriel de l'agro-alimentaire ou une station d'épuration urbaine se lancer dans la méthanisation de leurs déchets respectifs. On sait que des industriels peuvent se regrouper pour traiter ensemble leurs déchets par cette voie : c'est l'exemple célèbre de REVICO en France, qui méthanise les vinasses de plusieurs producteurs de cognac (voir Energie Plus n° 97 du 15/12/97). Mais il existe d'autres filières et d'autres stratégies, dont certaines sont encore peu explorées en France.
Méthanisation des ordures ménagères
Il existe désormais de nombreux procédés en course (Kompogas suisse, Dranco belge, BTA déjà cité, Avécon, Biocel, ...), mais le premier d'entre eux est le procédé français Valorga, appliqué dès 1988 à Amiens. Détruisons immédiatement une idée largement répandue, mais fausse : l'usine d'Amiens n'est pas un échec, bien au contraire. Son image reste marquée par les difficultés rencontrées au début de son exploitation (c'était une première mondiale) mais le fait est que l'usine a toujours fonctionné et que ses performances se sont améliorées avec le temps.
Le "procédé Volorga" est en réalité une filière complète et intégrée de traitement des déchets ménagers, qui inclut (ou peut inclure suivant les cas) un tri des déchets à l'entrée, une méthanisation de la part fermentescible, un compostage du résidu de fermentation, une incinération des refus de tri combustibles et une mise à la décharge des résidus ultimes (refus de tri non combustibles, résidus d'incinération). Outre son caractère intégré, l'originalité du procédé repose sur le digesteur sans pièce mobile interne, qui assure l'hydrolyse et la méthanisation dans une seule enceinte et qui permet de traiter des déchets presque secs (digestion en milieu concentré), ce qui réduit l'encombrement, le coût et l'autoconsommation d'énergie des équipements.
Après plusieurs changements de portage, l'usine d'Amiens appartient aujourd'hui au District du Grand Amiens et la partie méthanisation et compostage est exploitée par la société Valorga Picardie, filiale d'Idex. Elle s'est agrandie plusieurs fois et un quatrième digesteur de 3500 m3 a été ajouté en 1996. Elle traite aujourd'hui 86 000 t/an de déchets en provenance d'Amiens, du district d'Abbeville et du sud du département et sa capacité devrait prochainement passer à 100 000 t/an. Le seul problème technique vraiment grave a conduit à l'abandon de l'incinération des refus de tri combustibles, les fours en place n'étant pas capables de résister au pouvoir calorifique élevé de ces refus. Quant au biogaz, il a commencé par être injecté dans le réseau de gaz naturel après purification mais, GDF n'ayant pas reconduit son accord de coopération, il est désormais brûlé en chaudière pour alimenter en vapeur haute pression des industriels proches (puissance de 5 500 kW).
Il est vrai que les résultats économiques ne sont pas à la hauteur des espoirs initiaux : part plus importante que prévu mise en décharge, valorisation moins intéressante du biogaz, et surtout valorisation nulle du compost qui contient encore des résidus divers ayant échappé au tri, ce qui le rend impropre à une bonne commercialisation. La solution serait de trier les déchets à la source de façon à n'introduire dans l'usine que des matières fermentescibles (déchets de cuisines et de jardin). C'est celle qui a été adoptée pour les deux "unités filles" d'Amiens, l'usine de Tilburg aux Pays-Bas (1994, 52 000 t/an) et celle d'Engelskirchen en Allemagne (1998, 35 000 t/an). Dans la première, le méthane produit est introduit dans le réseau de gaz de la ville ; dans la seconde, il est valorisé sous forme d'électricité (940 kWe). Grâce au tri à la source, toutes deux produisent un compost de haute qualité. En régime de croisière, l'usine de Tilburg produit 4 millions de (n)m3 par an de biogaz à 56% de méthane, contenant très peu d'hydrogène sulfuré, et 31 000 t/an d'amendement organique valorisable en agriculture. Le procédé Volorga a davantage de succès chez nos voisins qu'en France : une unité est en construction à Fribourg (Suisse), d'autres projets sont à l'étude en Belgique (Mons), en Italie et en Espagne.
La co-méthanisation centralisée
L'idée de la codigestion collective et centralisée de biomasses agricoles est née au Danemark et a été mise en application dès 1988 grâce au soutien du gouvernement. Elle consiste à collecter dans le voisinage des lisiers et fumiers agricoles ainsi que des déchets organiques industriels divers, éventuellement des boues de stations d'épuration et des ordures ménagères, et à les méthaniser ensemble. Les fermes qui fournissent la matière première récupèrent une partie du lisier digéré en tant qu'amendement organique, le reste étant vendu comme engrais à des cultures céréalières. Le biogaz produit est valorisé sous plusieurs formes (chaleur, électricité, gaz de réseau).
Prenons l'exemple de l'unité de Lintrup, dans le sud du pays, construite en 1990 par une coopérative regroupant 62 agriculteurs situés dans un rayon de 7 km. Chaque jour, elle reçoit 360 m3 de matières organiques composés de 300 m3 de lisiers (vaches et porcs), 10 m3 de boues de stations d'épuration, 20 m3 de déchets de poissons, 25 m3 de déchets d'abattoirs et 5 m3 de déchets d'industries pharmaceutiques. Le biogaz produit (33 m3 par tonne de déchets traitée) est épuré puis vendu au réseau de chaleur de la ville voisine de Rodding (environ 2,5 F/m3) où il est valorisé sous forme de chaleur et d'électricité. Il assure ainsi 60% des besoins d'électricité et 40% des besoins de chaleur des 4200 habitants. Le digestat "solide"(25 m3/i) est transformé en compost dont une partie est redistribuée aux agriculteurs adhérents et l'autre vendue. Quant aux effluents liquides, constitués de lisier digéré (donc homogénéisé et désodorisé), ils sont eux aussi redistribués en partie aux adhérents, chacun n'en recevant que la quantité qui lui est nécessaire selon le plan d'épandage. Le reste est vendu comme engrais (3 à 5 F/m3 en automne, 12 à 16 F/m3 au printemps).
Le bilan économique de l'opération est mitigé. Avec un investissement de départ de 40 MF et des frais d'exploitation de 3 MF/an, l'installation n'est amortissable en 8-10 ans que grâce à la subvention de 15 MF accordée par le ministère danois de l'Energie. L'essentiel des revenus provient de la vente du biogaz (4 à 5 MF/an) et du coût d'enlèvement que paient les industriels pour se débarrasser de leurs déchets (environ 1 MF/an). Ce bilan, cependant, ne tient pas compte des économies d'engrais commerciaux réalisées par les agriculteurs adhérents, qui ont signé un contrat de dix ans.
Les dix premières unités construites ont fait l'objet, en 1995, d'une évaluation technico-économique de la part des ministères danois de l'Energie, de l'Agriculture et de l'Environnement. L'objet ultime de cette étude était de savoir si ces unités allaient pouvoir bientôt se passer de subventions. Ce n'est pas encore le cas, mais le taux d'aide a quand même été abaissé à 20% en 1997. Il convient néanmoins d'ajouter qu'au Danemark, les sources d'énergies renouvelables sont exemptées de taxes et que leurs producteurs perçoivent même une partie des taxes pesant sur les combustibles fossiles, ce qui confère au biogaz une valeur marchande de l'ordre de 1,50 F/m3 (à 65% de méthane). L'étude a montré que les performances des unités allaient croissant, que la production de méthane augmentait et que la productivité (production de méthane par m3 de réacteur et par jour) dépassait largement les chiffres prévus. Ces performances sont cependant liées à la présence des déchets industriels à forte teneur en matières organiques fermentescibles, ce qui pose le problème de la pérennité de leur fourniture. Le gouvernement danois se repose donc la question du "biogaz à la ferme", qui éviterait en outre les transports de matières pénalisants pour l'économie des projets.
La méthanisation à la ferme
Ce fut, en Europe du moins, un rêve des années 70 qui, comme beaucoup d'autres en matière d'énergies renouvelables, a abouti à un échec. En résumé, on a voulu aller trop vite, sans avoir acquis au préalable la culture technique nécessaire. Sur la centaine d'installations construites en France, par exemple, une dizaine seulement ont survécu. La situation est la même dans les autres pays d'Europe ; les programmes internationaux lancés en Afrique et en Amérique Latine n'ont pas eu le succès escompté, malgré un argument convaincant : la production de biogaz devait y ralentir la déforestation et la désertification.
Le biogaz à la ferme ne serait donc qu'un rêve "écolo" ? Ce n'est pas le cas en Chine, en Inde, ni au Népal, où des millions de digesteurs sont en fonctionnement. Il faut dire que la Chine et l'Inde possédaient une culture technique de la méthanisation depuis les années 30 et que les recherches sur ce thème n'y ont jamais été interrompues (le Népal a adopté la technologie indienne. Il faut ajouter que, dans ces trois pays, les gouvernements se sont impliqués en apportant des aides : subventions à l'investissement et prêts à taux préférentiels en Inde et au Népal, allocation de main d'œuvre gratuite en Chine (la "Time Tax"). Le développement de la méthanisation à la ferme s'est pourtant déroulé de façon très différente d'un pays à l'autre.
En Chine, l'affaire a failli tourner court, comme en Europe, et pour la même raison. Les quelque 7 millions d'installations familiales construites au début des années 80 par les paysans eux-mêmes à coût très faible étaient d'une qualité insuffisante et leur durée de vie ne dépassait guère un an ou deux. Depuis la fin des années 80, le gouvernement chinois a rectifié le tir et les digesteurs sont désormais construits par des équipes compétentes et selon des techniques éprouvées. Le programme a pris du retard, mais il se poursuit. Le gouvernement indien s'est montré plus sage. Dans les années 60, il a lancé un programme de recherches avec la Khadi and Village Industries Commission (KVCI) qui a abouti à la mise au point d'unités de méthanisation, certes plus chères que les chinoises, mais de bien meilleure qualité. Ce n'est qu'en-suite, au début des années 80 qu'il a mis sur pied le programme de diffusion en y associant des organismes publics, des sociétés privées et des associations. Cette phase de développement est encore en cours, sous le contrôle de la planification de l'Etat.
Au Népal, c'est un événement extérieur qui a servi de "starting block". La Banque du développement agri-cole (ADB/N) avait lancé un programme en 1977 en coopération avec la société gazière locale, la Gabor Gas Company, avec un succès notoire, mais lent. Mais au début des années 90, une tension politique grave avec l'Inde a raréfié brutalement l'approvisionnement en bouteilles de gaz et en carburant pendant six mois. Le gouvernement des Pays-Bas s'est intéressé au problème et, par le biais de son agence de coopération, la SNV, a cofinancé en 1992 un programme de développement du biogaz à la ferme. L'objectif était la construction de 20 000 unités en 5 ans et il fut largement dépassé. Durant la même période, la filière industrielle s'est constituée (26 constructeurs privés) et un organisme de contrôle de la qualité des équipements a été mis en place. Ce programme a été reconduit, toujours avec le soutien des Pays-Bas, pour la période 1998-2003, avec cette fois un objectif de 100 000 unités à construire.
La technologie utilisée a fait ses preuves : les premières unités construites par KVIC en Inde fonctionnent sans problème depuis plus de 30 ans. Passant outre leur amour propre, les pays européens pourraient s'en inspirer. Bien entendu, les conditions sociales et économiques sont très différentes chez nous. Mais les bonnes raisons ne manqueraient pas de relancer le "biogaz à la ferme" si l'on réfléchissait en termes de protection de l'environnement local (suppression des mauvaises odeurs) et de lutte contre l'effet de serre (transformation du méthane en CO2).
Ce dossier a été publié dans Energie Plus n° 213 du 15 octobre 1998.
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