Biométhanisation

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La biométhanisation, ou digestion anaérobie, est un procédé de dégradation de la matière organique putrescible se déroulant en absence d’oxygène par l’action concertée de microorganismes appartenant à différentes populations microbiennes (figure 12). Par une succession de processus (hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse, méthanogénèse), les microorganismes génèrent du biogaz composé principalement de méthane et de CO₂ dont les proportions respectives sont d’environ 60 % et 40 %. Celui-ci est continuellement prélevé du digesteur pour être utilisé comme source d’énergie sur place ou bien injecté dans le réseau de gaz naturel après traitement. La biométhanisation produit également un digestat, un sous-produit composé de biomasse et de matières non digérées (ex. : minéraux, lignine de résidus végétaux) dont les propriétés s’apparentent au compost et qui peut donc être valorisé.

Les matières organiques, à l’exception du matériel ligno-cellulosique (ex. : le bois) et du plastique, peuvent être converties en biogaz dans des conditions d’opération propices. Les résidus alimentaires, les résidus de procédés agroalimentaires, l’herbe, les boues d’épuration municipales et certaines boues de papetières (Perron, 2010) se prêtent très bien à la biométhanisation.

Figure 12 : Schéma d’écoulement typique pour une usine de biométhanisation

Configurations disponibles

Il existe sur le marché plusieurs types de digesteurs qui peuvent être divisés en deux groupes principaux, selon que la matière à traiter soit « humide » ou « sèche ».

Biométhanisation par voie humide : La biométhanisation par voie humide exploite un digesteur dans lequel la siccité (concentration des solides) de la matière à traiter varie typiquement entre 4 et 15 %. Cette configuration est donc particulièrement adaptée pour le traitement des matières à faible siccité telles les boues de station d’épuration des eaux usées (STEP) et les boues de fosse septique.

Elle peut aussi être utilisée pour le traitement des résidus à siccité plus élevée comme les résidus alimentaires et les résidus verts, dont la siccité oscille habituellement autour de 30 %. Dans ce cas on pourra « diluer » le substrat en le mélangeant, par exemple, avec des boues de STEP pour faire ce qu’on appelle de la codigestion. Une autre option consiste à simplement ajouter de l’eau. Règle générale, l’eau utilisée provient du procédé de traitement des eaux usées (eau d’égout) car les usines de biométhanisation sont souvent situées à proximité des STEP.

La figure 13 montre deux types de digesteurs pour la biométhanisation humide.

a. Digesteurs mélangés de Klein Eichholz, Allemagne (Berlie Technologies inc.)	b. Digesteurs à écoulement piston de Mittleres Wutachtal, Allemagne (Berlie Technologies inc.)

Figure 13 : Biométhanisation par voie humide

 

Biométhanisation par voie sèche : Selon la technologie en place, la siccité de la matière pour une biométhanisation dite « sèche » s’établit typiquement entre 25 et 30 % (pouvant aller jusqu’à 50 %) ce qui confère au milieu de fermentation une consistance plutôt pâteuse. Cette configuration est donc particulièrement adaptée pour la biométhanisation directe des déchets verts et alimentaires broyés. Elle exige toutefois des équipements adaptés pour le mélange de la matière pâteuse dont l’écoulement s’effectue lentement à travers le bioréacteur en utilisant un système mécanique (ex. : agitateur à vis) ou la recirculation d’une partie du biogaz ou du digestat (Buffière et al., 2007).

Tableau 7 : Avantages et inconvénients de la biométhanisation

Avantages

Inconvénients

Double valorisation de la matière organique (recyclage du digestat + production d’énergie pouvant substituer de l’énergie fossile); Revenu (ou coût évité) possible associé au procédé; Réduction nette des émissions de GES; Limitation des émissions d’odeurs (digesteur hermétique et bâtiment clos équipé d’un système de traitement d’air); Peut être localisé plus près des centres de production qu’une plate-forme de compostage.

Gestion du biogaz requiert une attention particulière puisqu’il est inflammable; Il doit y avoir un débouché local pour vendre le biogaz sans quoi il y a génération de GES en lien avec son transport; Contrôle de la qualité des matières est nécessaire afin de s’assurer qu’elles ne représentent pas un risque pour le bon fonctionnement; Procédé biologique requérant du personnel qualifié (ex : période de démarrage peut prendre plusieurs semaines); Coût d’immobilisation plus élevé que le compostage; Doit avoir un apport constant de matières (difficile de gérer les pointes de production).

Utilisation des produits de biométhanisation

Le biogaz et le digestat peuvent être valorisés sur le site ou ailleurs. Voici les options les plus courantes pour chacun d’eux.

 

Biogaz

Le biogaz brut est composé principalement de méthane (méthane : 50–80 %), de dioxyde de carbone (CO₂ : 15–45 %), d’eau (H₂O : 5 %) et de sulfure d’hydrogène (H₂S : 0–2 %). Celui-ci est évacué continuellement du digesteur et pourrait être utilisé à l’état brut dans une bouilloire pour la production de chaleur. Il est toutefois hautement conseillé de traiter le biogaz avant sa valorisation afin de limiter entre autres la corrosion des installations en aval causée par les gaz acides. La station d’épuration vise ainsi à éliminer les particules en suspension, l’humidité et les gaz corrosifs (ex. : sulfure d’hydrogène, ammoniac) avant de stocker le biogaz pour une utilisation future sans problèmes (les réservoirs de stockage permettent de bien gérer les besoins en biogaz tout en palliant les fluctuations dans la production et qualité du biogaz). On se retrouve alors avec un biogaz constitué essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone, propre à être utilisé sur place dans des équipements (appareils à combustion, moteurs, etc.) conçus pour le biogaz.

Le biogaz constitue une source d’énergie substantielle. Celle-ci est tout d’abord utilisée pour le chauffage des digesteurs qui doivent être maintenus à des températures entre 20–75 °C, selon le procédé en place. Environ 40 % du biogaz produit est utilisé pour cette fonction. Le biogaz restant peut alors être valorisé pour diverses applications :

• génération d’une source de chauffage – combustion dans une bouilloire munie de brûleurs adaptés au biogaz et dont la vapeur peut être utilisée pour chauffer les bâtiments, sécher des matériaux, etc.;
• cogénération d’électricité et de chaleur – combustion dans un groupe électrogène (génératrice) adapté au biogaz. L’électricité produite peut être consommée sur place ou encore vendue au réseau public bien que cette dernière option soit beaucoup plus compliquée à réaliser (ex. : entente avec Hydro-Québec, installation d’infrastructure) et peu justifiable dans le contexte québécois. Il est à noter que la cogénération d’électricité est une avenue possible mais qui ne serait pas éligible aux subventions du Programme de traitement des matières organiques par biométhanisation et compostage du MDDEFP. Les groupes électrogènes génèrent également beaucoup de chaleur par les gaz   d’échappement et le système de refroidissement du moteur. Cette chaleur peut être canalisée afin de générer une eau chaude ou une vapeur à basse pression pour le chauffage de bâtiments. La figure 14 montre une unité de cogénération typique.

Figure 14 : Unité de cogénération de Klein Eichholz, Allemagne (Berlie Technologies inc.)

• production et utilisation de biocarburant pour le transport – raffinage du biogaz en biométhane (plus de 95 % de méthane) permettant de l’utiliser en remplacement au diesel consommé par une flotte de véhicules (option dispendieuse nécessitant l’intégration d’un procédé de raffinage du méthane [élimination du CO₂] et des modifications sur la flotte de véhicules);

• production et vente de biocarburant – enrichissement du biogaz en gaz naturel pour y être injecté dans le réseau de distribution local (procédé d’enrichissement doit produire un biométhane adapté aux spécifications de qualité requises par Gaz Métro).

Dans l’éventualité où une partie du biogaz n’a aucun débouché, il devra être éliminé à la torchère qui agit également comme système de sécurité en cas d’urgence. Il est bien entendu préférable de trouver un débouché pour le biogaz, d’autant plus que le brûlage de celui-ci ne permettrait pas à la municipalité d’accéder aux subventions du Programme de traitement des matières organiques par biométhanisation et compostage du MDDEFP.

Digestat

Le digestat est composé d’eau, de biomasse et de matières organiques et inorganiques non digérées représentant typiquement entre 40 et 50 % de la matière entrante. Sa siccité varie généralement entre 2 et 30 %, selon le type de traitement utilisé (biométhanisation humide – siccité s’approchant de 2 %; biométhanisation sèche – siccité s’approchant de 30 %), et la siccité et la nature de la matière alimentée au digesteur. Il peut être utilisé tel quel par épandage sur des terres agricoles avec son contenu appréciable en éléments fertilisants et particulièrement en azote et phosphore. Cette option requiert toutefois des capacités de stockage importantes car l’épandage ne peut être fait qu’au printemps ou à l’automne. L’acceptabilité sociale du digestat issu de la biométhanisation des boues municipales peut également être un enjeu majeur. Ce type de digestat ne peut pas être utilisé en cultures maraichères.

Le digestat provenant d’une biométhanisation humide peut également être déshydraté à l’aide d’un dispositif de séparation mécanique permettant d’obtenir une consistance pâteuse. La déshydratation du digestat humide à l’aide d’une presse à vis, d’une centrifugeuse, d’un filtre à bande ou de tout autre dispositif de séparation mécanique permet d’augmenter sa siccité à environ 20-25 %. Cependant, la déshydratation implique la perte de liquides riches en azote, phosphore et potassium (N-P-K). En outre, la centrifugation des digestats peut amener une reprise importante des odeurs dans le digestat déshydraté en quelques jours seulement et causer des problèmes d’odeurs majeurs. À l’instar du digestat issu d’une biométhanisation sèche, il peut être stabilisé par compostage et utilisé comme tel ou encore séché-granulé.

La fraction liquide du digestat issue de la déshydratation mécanique contient toujours une petite fraction de matière organique dissoute et est normalement riche en éléments fertilisants tels l’ammonium et le potassium. En autant qu’il soit adapté aux besoins des champs de culture, le digestat liquide pourrait être épandu, quoique cette option de valorisation serait normalement considérée pour le digestat brut (voir ci-dessus). Autrement, il devra être traité en conséquence avec des procédés d’épuration lourds (ex. : filtration, lagunage) afin d’abaisser la charge organique et polluante. Il pourra également être retourné en tête du procédé de digestion pour y diluer les intrants dans le cas où ceux-ci auraient une siccité trop élevée.

Une autre option de recyclage du digestat brut consiste à le sécher en utilisant une partie du biogaz. Les granules ainsi produites ont une siccité de l’ordre de 92 % et peuvent être utilisées comme fertilisant. Il s’agit d’un produit stable qui peut être entreposé et utilisé (ou vendu) au moment opportun. Les granules peuvent également être utilisées comme combustible, mais cette solution ne serait pas acceptée dans le cadre du Programme de traitement des matières organiques par biométhanisation et compostage du MDDEFP.

Économie d’énergie

Le potentiel de production d’énergie constitue un aspect important dans la décision d’aménager une usine de biométhanisation, surtout considérant les coûts d’immobilisation généralement élevés. La quantité d’énergie produite dépend du procédé de biométhanisation retenu, mais surtout de la composition de la matière traitée. Pour des matières organiques municipales (ex. : résidus alimentaires et verts, boues d’épuration), le potentiel de production de biogaz peut varier entre 10 et 200 m³ par tonne de matière brute, selon le type de matière traité (voir tableau 8 pour quelques exemples). L’échelle est vaste car la siccité et le potentiel énergétique varient grandement d’un substrat à l’autre. Ainsi les boues de STEP se situent au bas de l’échelle alors que les résidus alimentaires, plus riches énergétiquement, se retrouvent en haut.

En supposant que le biogaz contienne 60 % de méthane (méthane), la valeur énergétique de 1 m³ de biogaz est de l’ordre de 23 mégajoules (MJ). Les autres gaz présents dans le biogaz n’ont aucune valeur énergétique. En comparaison, 1 m³ de gaz naturel composé à près de 100 % de méthane a une valeur énergétique d’environ 37 MJ.

Tableau 8 : Production de biogaz par biométhanisation de différents substrats

a On suppose 60 % de méthane dans le biogaz.
b Volume de biogaz dans des conditions normalisées à température (0 °C) et pression (101.3 kPa).

Un projet de biométhanisation peut également :

• engendrer une économie d’énergie au niveau du transport des matières résiduelles au même titre que le centre de compostage, à tout le moins lorsque les habitudes des citoyens sont bien ancrées envers la collecte à trois voies (typiquement après quelques années);

• contribuer à une économie d’énergie indirecte lorsque le digestat remplace les engrais chimiques tout en améliorant le cycle écologique des plantes;

À l’inverse, le procédé exige une consommation supplémentaire d’électricité, de l’ordre de 50 à 100 kWh par tonne de matière digérée.

En somme, le bilan énergétique d’une usine de biométhanisation bien conçue est positif, de sorte que l’énergie produite est supérieure à l’énergie consommée. Il faut toutefois garder en tête que la biométhanisation vise avant tout à stabiliser et à réduire la masse d’une matière organique résiduelle de façon à minimiser son impact environnemental et les coûts de disposition qui lui sont associés. La production d’énergie constitue une valeur ajoutée qui deviendra de plus en plus intéressante au fur et à mesure que le prix de l’énergie augmentera.

Tableau 9 : Ordre de grandeur de l’économie d’énergie (par mode de valorisation) créée par la biométhanisation d’une tonne de déchets ménagers organiques triés à la source

a Basée sur un taux de production brut de 100–200 Nm³/t matières organiques brutes et une disponibilité pour la valorisation entre 70 et 90 %.
b Le rendement typique pour un groupe électrogène de moins de 100 kW est de 20–30 %, mais peut atteindre 30–35 % pour des modèles plus puissants (U.S Department of Energy, 2003).
c La chaleur produite par cogénération est utilisée en partie pour chauffer le digesteur ce qui restreint la possibilité de remplacer du gaz naturel ailleurs.
d Prend en compte la perte de méthane pendant l’enrichissement du biogaz (-10 %) et un rendement du moteur au méthane inférieur à celui au diesel (-10 %).

Réduction potentielle des émissions de GES

La réduction des émissions de GES pour un projet de biométhanisation passe principalement par une réduction des quantités de matières organiques enfouies et par le remplacement d’un carburant fossile par le biogaz. Le tableau 10 présente à titre indicatif les sources principales d’émission et de réduction de GES associées à l’exploitation d’une usine de biométhanisation. Les sources de GES pour le traitement du digestat sont exclues.

Tableau 10 : Sources principales d’émission et de réduction de GES pour la biométhanisation

a Selon l’ensemble des économies d’énergie présentées au tableau 9.
b Correspond aux émissions de N₂O et de méthane imbrulés lors de la combustion du biogaz total. Le CO₂ est considéré biogénique et donc carboneutre.
c Quoique le remplacement d’engrais chimiques puisse engendrer une réduction des émissions de GES, cette source de réduction n’est pas reconnue par le programme de traitement des matières organiques par biométhanisation et compostage du MDDEFP et ne peut donc pas être comptabilisée.

Aspect économique

La rentabilité d’une nouvelle usine de biométhanisation dépend de plusieurs facteurs, notamment le coût d’immobilisation qui se situe typiquement entre 400–700 $ par tonne de matière traitée annuellement (t/a) (Conseil canadien du compostage, s.d.). Une économie d’échelle est d’ailleurs possible (200–600 $ par t/a pour traiter plus de 50 000 t/a versus 300–1 000 $ par t/a pour traiter moins de 50 000 t/a) (Waste Control, s.d.; ADEME, 2010). Des études ont même démontré que le seuil minimal de capacité de traitement est de 50 000 t/a afin de rentabiliser une usine de biométhanisation des matières organiques municipales (Perron, 2010). Le tableau 11 présente les différents aspects économiques à considérer.

Tableau 11 : Coûts et revenus représentatifs de l’exploitation d’une usine de biométhanisation

a Le coût d’investissement spécifique est calculé sur la base d’un taux d’intérêt de 6 % sur 15 ans (correspondant à 10 % de l’investissement initial par an).

Tableau 12 :    Plage de revenu potentiel lié à l’utilisation du biogaz

a La valeur minimale indique le revenu potentiel par tonne de boues de STEP alors que la valeur maximale indique le revenu potentiel par tonne de déchets ménagers organiques triés à la source (voir tableau 8).
b Bien que la cogénération d’électricité soit une avenue possible, elle n’est pas reconnue par le Programme de traitement des matières organiques par biométhanisation et compostage du MDDEFP.
c Vente de l’électricité à Hydro-Québec qui a fait un appel d’offres en 2009 pour l’achat d’électricité provenant de la biomasse à un taux de 0,112 $/kWh. Le coût évité pour le remplacement de l’électricité consommée par le promoteur est plus faible (0,08 $/kWh).
d On suppose une efficacité d’utilisation de 90 %.
e On suppose une efficacité d’utilisation globale de 75 % (30 % pour l’électricité et 45 % pour la chaleur)
f Peut être pris en charge par Gaz Métro, lorsque la production de biogaz est suffisamment élevée.

Ressources pratiques

• Programme de traitement des matières organiques par biométhanisation et compostage du MDDEFP
• Site web de Recyc-Québec pour guider les gestionnaires municipaux dans le choix des possibles scénarios de gestion des matières organiques applicables à leur région.
• Attestation d’études collégiales « Techniques de biométhanisation et de compostage » offert par le Cégep de Rivière-du-Loup
• MATTEUS+, un outil d’aide à la décision pour les gestionnaires de matières résiduelles développé par le ministère des Finances et de l’Économie (MFE), en collaboration avec Hydro-Québec et SNC-Lavalin
• Étude sur les facteurs pouvant influencer l’acceptabilité sociale des équipements de traitement des matières résiduelles de la Communauté métropolitaine de Montréal
• Document « Lignes directrices pour l’encadrement des activités de biométhanisation » du MDDEFP
• Outils de sensibilisation développés par le Conseil régional de l’environnement de la Montérégie
• Outils de communication et sensibilisation offerts par Recyc-Québec
• Le Lexique des technologies de traitement des matières résiduelles : avantages et inconvénients des choix de technologies et scénarios de collecte de l’Union des municipalités du Québec (UMQ)