Methanisation

Définition

La méthanisation est un processus de transformation de la matière organique en biogaz et digestat.
Le biogaz et le digestat sont ensuite valorisés : ils peuvent servir de source d’énergie et de fertilisant dans plusieurs filières industrielles ou agricoles.
Les biogaz peuvent être utilisés comme réseaux de gaz naturel, comme carburant ou pour produire de l’électricité. Les digestats peuvent remplacer les engrais synthétiques en agronomie et agriculture.

Contexte / Objectifs

La méthanisation est apparue à la fin du XXème siècle en Europe principalement sur des exploitations agricoles pour traiter les fumiers.
Cette pratique est aujourd’hui en plein essor en France, notamment dans le domaine des exploitations agricoles.
En Europe, le pays produisant le plus de biogaz est l’Allemagne.
En effet, elle comptait en 2019 environ 11 000 installations sur les 18 200 que possède le continent Européen.
Ce qui fait de l’Allemagne le leader mondial de production de biogaz par méthanisation.
A titre de comparaison la France possédait en 2019 837 unités de méthanisations qui faisait d’elle le 6e au niveau Européen.
En revanche, elle possède avec le Danemark la croissance la plus importante pour ce qui est du développement de sites sur son territoire.

(source: infometha
projet-methanisation.grdf.fr)

Au total sur le territoire Français il y a 1084 unités de méthanisations dont 303 qui sont raccordées au réseau de gaz.
En comparaison, en 2020 il y avait à la même période 214 installations de raccordées au réseau (augmentation de presque 150%).
De plus, la quantité de gaz renouvelable injectée dans le réseau gazier a doublé en 2020.
L’objectif serait d’atteindre pour 2030 le seuil de 10% de gaz injecté en tant que biogaz et entre 35% et 50% pour 2050.
Le processus de méthanisation a permis en plus de produire de l’énergie d’empêcher l'émission de 450 000 tonnes de gaz à effet de serre.

(source projet-methanisation.grdf.fr)

La méthanisation est à l’intersection de plusieurs enjeux environnementaux, sociaux et économiques.
En s'inscrivant dans l'économie circulaire et dans la décarbonation de notre énergie, cette filière représente un atout dans l’industrie future.
En plus d’utiliser des matières normalement dégradés ou non utilisées, ce processus permet de produire de l’énergie, de diminuer la pollutions qui y est associée en récupérant le méthane et le CO2 qui s’en dégage tout en utilisant les restes sous forme d’engrais ou de compost qui pourront remplacer des engrais synthétiques.

Nous avons eu la chance d’aller visiter l’usine de méthanisation située à Machecoul (France).
Cette usine a comme particularité d’injecter directement le méthane produit dans le réseau gazier, mais surtout d’être le premier site de méthanisation en France à valoriser le CO2 en le liquéfiant afin d’être utilisé par la suite dans des exploitations maraîchères.

Dans cette dynamique une question se pose; est-il possible de méthaniser les Ulvas auxquelles on a enlevé leur soufre afin de les valoriser?

Explications scientifiques

La méthanisation est un processus assez simple. Dans un premier temps, il faut mettre dans un digesteur nos intrants qui peuvent être de différentes natures; animale, végétale, des boues, du lisier etc.
Nous faisons ensuite en sorte que les conditions soient adéquates en fonction des intrants et des bactéries qui y sont présentes.
On va contrôler entre autres le pH et la température. Les bactéries vont alors dans des conditions adéquates produire du gaz, majoritairement CH4 (méthane) et CO2 (dioxyde de carbone).
On va pouvoir extraire les gaz, les purifier et utiliser d’une part le méthane pour l’injecter dans le réseau gazier par exemple et d’autre part le CO2 qui pourra être liquéfié pour être utilisé en industries ou par des maraîchers.

La production de gaz par méthanisation est permise grâce aux bactéries. Ces bactéries vont réaliser un processus biologique en 4 étapes;
Dans un premier temps, elles vont réaliser une hydrolyse afin d’obtenir des molécules “simples”.
C’est une étapes très importante car si les composé ne sont pas facilement hydrolysables, cela va jouer sur le rendement et le temps nécessaire afin d’obtenir les gaz
Dans un deuxième temps, les bactéries vont réaliser l'acidogénèse. Lors de cette étapes, il va y avoir production d’alcools et d’acides organiques, mais aussi de CO2 et d’hydrogène Dans un troisième temps intervient l’étape de l 'acétogenèse. A ce moment-là, les bactéries vont produire des précurseurs du méthane qui seront utilisé lors l’étape suivante. Il y a alors la production d’acétate, de CO2 et d’hydrogène La dernière étape est la méthanogenèse.
Les bactéries vont produire le méthane en utilisant les composé produit auparavant, selon 2 réactions possible
CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2H2O
CH3COOH -> CH4 + CO2

On retrouve aussi la production d'autres gaz mais en faible quantité comme par exemple l’H2S.
Lorsqu’il y a du soufre présent dans le intrants, l’H2S se produit plus facilement que le méthane, ce qui diminue donc la production de méthane et le rendement de la méthanisation.

A la suite de ce processus, tout n’est pas transformé. Il reste une partie solide et une partie liquide qui auront tout deux des propriétés et utilités différentes.
De plus, leur composition dépend énormément des intrants, ce qui influe la variabilité de leur composition.
Pour ce qui est de la partie solide, cette matière va être utilisée sous forme de compostage, pour préparer les terres etc.
La partie “liquide” quant à elle va pouvoir être utilisée comme engrais ce qui permet de substituer les engrais synthétiques, ce qui rend cet aspect d’autant plus intéressant.

Qu’en est-il de la méthanisation appliquée à l’ulva?

D’après des études, la méthanisation de l’ulva n’est pas la plus optimale. En effet, elle a une teneur en carbone assez élevée mais pas ou très peu d’azote ce qui fait que la production de méthane brut à partir de l’algue seule n’est pas très intéressante.
Pendant le processus de digestion, les valeurs optimales du rapport carbone/azote (C:N) vont de 20 à 30.
L’Ulva a un rapport C:N inférieur à 10 (Allen et al., 2013a).
Cela peut conduire à une digestion problématique en raison des niveaux excessifs d'azote ammoniacal total (TAN) qui peuvent inhiber la méthanogénèse.
C’est pour cela qu’on réalise des méthanisation avec plusieurs intrants qui ont des caractéristiques différentes afin de pouvoir réguler au mieux.

Ainsi, envisager une co-digestion entre l’Ulva et un autre intrant faciliterait la digestibilité en augmentant les rapports C:N. De ce fait, la piste de co-digestion a été étudiée.
Il s’avère que la méthanisation de l’ulva est plus intéressante en la combinant avec un ou plusieurs digestats en respectant les quantité de 25% d’ulva et 75% d’autres digestats. L’ulva aurait un effet “booster” sur le procédé en augmentant le rendement sur une courte période de 17%.
Mais, le soufre est le vrai facteur limitant de l’ulva.
En effet, pour une méthanisation classique avec des intrants divers on est sur un taux d’H2S produit de 0,5% environ, alors que pour la méthanisation de l’ulva on peut se retrouver à des taux montant jusqu’à 5% d’H2S.
Ce problème est le même que pour les marées vertes, la forte teneur en soufre des algues.
Dans toutes les précédentes études, le soufre n’a jamais été extrait pour tester ce procédé.

Après ramassage des algues Ulva échouées, et extraction du soufre, il serait encourageant de méthaniser. Non seulement on garderait ce qui fait sa qualité, c'est-à-dire sa partie carbonée mais on en enlève le soufre ce qui laisse penser que la valeur méthanogène pourrait être supérieure à celle observée dans les différentes études.
D’après l’étude de 2011 de P. Sassi and al “Essai de valorisation de la biomasse algues (Ulva sp.) par co-digestion anaérobie avec du lisier de porcs”, le lisier de porc serait le meilleur digestat avec lequel combiner l’ulva.
De plus, cette combinaison permettrait d’empêcher au lisier de se retrouver dans les océans.
Ainsi un cycle vertueux pourrait naître, on diminue la pollution engendrée par le lisier ce qui diminue son impact sur le algues et on l'utilise en intrant couplé avec l’ulva afin de le méthaniser.
Une méthanisation avec la cause et la conséquence des marées vertes...

Si cette idée de co-méthanisation semble intéressante et offre de multiples applications, l’utilisation de l’Ulva à laquelle on nécessite plusieurs précautions.
On ne peut pas mettre l’ulva directement dans le méthaniseur.
En effet, il faut d’abord stériliser l’ulva issue de l’extraction du soufre sous peine de contaminer le milieu avec nos bactéries produites.
Il faut faire attention à l’accumulation de sable qui peut se faire dans le méthaniseur;
cela peut être bénéfique pour le processus mais à partir d’une certaine dose non.

Tableaux Avantages/Inconvénients

Avantages :
Les avantages de l’ulva
- Le couplage lisier / Ulva est intéressant pour obtenir in fine les nutriments utiles en tant que digestat.
- 75% de lisier pour 25% d’Ulva est le ratio optimal afin d'envisager une production durant une partie de l’année.
- Le lisier, source nitrate (NO3-) est à l’origine des processus d’eutrophisation, donc de l’apparition des marées vertes. Ainsi, son utilisation dans le cadre d’une co-méthanisation permettrait de limiter les dégâts à la source.
C’est en quelque sorte un cercle vertueux !² La méthanisation est une source d’énergie d’avenir et l’ulva sans le soufre pourrait être un moyen, si les marées vertes persistent dans le temps, de les valoriser.

Inconvénients :
Notre ulva nécessite, lors de son utilisation en méthanisation, de prendre certaines précautions:
- Le sable présent naturellement dans les ulva va s’accumuler dans les digesteurs qui peut accélérer le fait de les vidanger.
- La faible potentiel méthanogène de l’ulva dû à la quantité d’azote ne la rend pas intéressante toute seule.
- Le soufre naturellement s’il nest pas extrait au préalable est très déléter pour le processus

Expérimentation

Tester une méthanisation à petite échelle dans un digesteur anaérobie avec des microorganismes. D’une part mettre 100% d’ulva afin de voir si le fait d’enlever le soufre augmente son potentiel méthanogène.
Et d’autre part tester la méthanisation avec 100% de déchets organiques comme du lisier de porc et en respectant 25% d’ulva 75% de déchets organiques afin de vérifier si l’ulva a un impact.

Paramètres digesteur :
- Suivie de la température
- → Chauffer à 40°C
- Suivie du pH
- Transférer le biogaz dans un injecteur
On obtient du biométhane et du digestat riche en azote et en minéraux.

Limites et risques Limitations and risks

Bien éliminer la matière soufrée (ratio minimum C/S > 40), si le taux < 40, il y aura trop d’accumulation de gaz H2S Limite du méthaniseur en laboratoire : assez étanche/hermétique (pas de CH4 qui s’échappe).
Il peut également y avoir une accumulation de sable dans le digesteur qui peut engendrer une “vidange” plus régulière du digesteur.
La saisonnalité des marées vertes pourrait boulverser l’équilibre du méthaniseur et donc le fait que le projet ne soit pas durable.