Biogaz

vignette|upright=1.4|Unité de stockage de l'usine de biogaz de Güssing (Burgenland, Autriche). vignette|upright=1.4|Vue aérienne d'une installation mixte de production d'énergie photovoltaïque et de biogaz dans le nord-ouest de l'Allemagne. vignette|upright=1.4|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.

Le biogaz est le gaz produit par fermentation de matières organiques. 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, par cogénération, chaleur et électricité, ou purifié pour obtenir du biométhane utilisable comme gaz naturel pour véhicules (bioGNV) ou injectable sur le réseau de distribution de gaz naturel.

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 () et de quantités variables de vapeur d'eau et de sulfure d'hydrogène (), voire d'autres composés (« contaminants »), notamment dans les biogaz de décharges.. Parmi les impuretés figurent : des siloxanes ; des composés organochlorés (dont chlorure de vinyle, dichlorométhane, trichlorométhane et tétrachlorométhane qui sont des substances cancérogènes)Online, 20022003 [Cited: july 18, 2014], cité par Nawfal, M. (janvier 2015), Valorisation catalytique du biogaz pour une énergie propre et renouvelable, université du Littoral-Côte-d'Opale. ; des composés soufrés (mercaptans) ; des composés azotés () ; de l'hydrogène ; divers produits intermédiaires de fermentation (alcools, acides, esters) ; des métaux et métalloïdes. ; quelques microbes anaérobies (éventuellement méthanotrophes).

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).

Production Intrants vignette|Station d’épuration produisant du biogaz, Genève. Le biogaz résulte de la méthanisation ou digestion anaérobie de déchets fermentescibles.. Les sources les plus courantes de biogaz proviennent des rejets de matière organique : cultures végétales : les cultures intermédiaires à vocation énergétique ou CIVE représentent un intrant important dans la méthanisation agricole. 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). 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 () 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 six 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, gazonsBiogaz de déchets de distillerie, sur clarke-energy.com. ; effluents des industries agroalimentaires et restauration collective.. 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 quarante 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 vignette|redresse=1.4|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 différentes de température : : psychrophile ; : mésophile ; : thermophile.

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

Coproduit

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.. Il est débarrassé de nombreux pathogènes et de la totalité des semences de « mauvaises herbes » qu'il pouvait contenir..

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 %..

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

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, 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.. 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 ).

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.. Par l'injection, la production de biométhane en été trouve un débouché que ne trouve pas toujours la chaleur de cogénération.

Rôle dans la transition énergétique Effet de serre Le biogaz est constitué essentiellement de méthane () 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 a un potentiel de réchauffement global (PRG) sur cent ans, 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

Selon l’association Canopée, la valorisation de la matière (par exemple sous forme de compost) doit être prioritaire par rapport à la valorisation énergétique...

Reporterre souligne les nombreux risques que représentent, à ses yeux, les grands méthaniseurs, sa préférence allant aux petits méthaniseurs à l'échelle d'une ou deux fermes..... Les organisations professionnelles des énergies renouvelables d'Europe ont adressé à la Commission européenne en 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 « Small is Beautiful - Call for a De Minimis approach on the framework for small renewables & cogeneration installations », sur cogeneurope.eu, 26 juin 2018..

Selon The Shift Project, l'impact de la méthanisation sur la fertilité des sols reste méconnu. Il se pourrait que cette technique s'avère nuisible. Dans ces conditions, miser sur un déploiement massif de la méthanisation est un pari risqué.. La production de de biogaz nécessite entre et de méthanisation, ce qui pose déjà un problème d'acceptabilité sociale. , en particulier en ce qui concerne le retour au sol des digestats., la présence de pathogènes, ou les fuites de méthane.. Or l'association négaWatt prévoit une production de biogaz à hauteur de autour de 2050. .. 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... La Confédération paysanne dénonce les dérives d'une ..

La transition énergétique pourrait conduire à industrialiser la campagne à une vitesse inédite. Ainsi, d'après Reporterre, pour alimenter les digesteurs destinés à produire du biogaz.

Le biogaz est produit, pour une part non négligeable, à partir de produits comestibles..

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 T. Ohkubo, Y. Hideshima et Y. Shudo. s.l., International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35, 13021. cité par M. Nawfal, Valorisation catalytique du biogaz pour une énergie propre et renouvelable, université du Littoral-Côte-d'Opale, janvier 2015.. Il pourrait devenir un combustible non-fossile dominant au , comme l'a été le pétrole au siècle précédent et le charbon au ..

Dans le monde, l'utilisation du biogaz au niveau domestique est très répandue, notamment en AsiePage du Club Biogaz référençant des initiatives sur le biogaz dans les pays en développement..