Les installations de biométhanisation
L’alternative renouvelable et largement disponible qui contribue au recyclage des déchets
Description d’une installation à la ferme
Un digesteur sur effluents d’élevage est détaillé à titre d’exemple; les particularités des autres installations étant présentées ensuite. Une installation de biométhanisation de lisier en digesteur continu typique comprend les principaux composants suivants:
1. Une fosse d’alimentation qui assure les fonctions:
- de collecte des déjections issues des bâtiments d’élevage;
- de stockage (volume tampon d’au moins deux jours de production de lisier);
- de prétraitement éventuel (hachage, dilution,…).
2. Le digesteur proprement dit (le plus souvent en acier ou en béton, voire en fibres de verre ou polyester pour les plus petits), son isolation thermique (laine de verre ou de roche, polystyrène expansé, mousse de polyuréthane,…) et son système d’agitation.
3. Un système de chauffage pour maintenir le contenu du digesteur à bonne température, le plus souvent 35°C, et compenser les pertes calorifiques par les parois du digesteur et par l’effluent digéré chaud évacué à chaque apport de substrat frais.
Les systèmes les plus fréquents sont: les échangeurs internes à eau chaude (serpentins ou chemises immerges dans le digesteur), et les échangeurs de chaleur externes. Dans ce cas l’alimentation peut être chauffée, avant son introduction dans le digesteur, par un échangeur où circule, soit la sortie du digesteur, soit de l’eau chaude.
L’eau chaude nécessaire au chauffage peut être produite:
- par une chaudière. équipée d’un brûleur mixte gaz/biogaz brûlant uen partie du biogaz
- ou/et par la récupération de la chaleur résiduaire d’un cogénérateur (groupe assurant la production combinée de chaleur et de courant électrique) alimenté au biogaz.
4. Une fosse de stockage de l’effluent méthanisé, munie ou non d’un décanteur et d’un système d’évacuation.
5. Un système d’épuration du biogaz, plus ou moins poussé selon l’utilisation prévue, et comprenant au minimum des dispositifs d’élimination de l’hydrogène sulfuré (H₂S) présent en trace dans le biogaz, et de la vapeur d’eau. On se débarrasse facilement de la majeure partie de I’H2S en plaçant, par exemple, une cartouche de désulfuration remplie de limaille ou de laine de fer sur le circuit de gaz. La vapeur d’eau est éliminée par des trappes à condensation et par un système de purge au point le plus bas du circuit de gaz.
6. Un système de stockage du biogaz qui peut être intégré au digesteur, mais qui doit comprendre aussi un stockage séparé, d’un volume environ égal à 24 heures de production. Il est, en effet, nécessaire de créer une capacité tampon entre la production qui est constante et l’utilisation du gaz qui peut être irrégulière et d’assurer au niveau des appareils d’utilisation une pression de gaz constante. Ce système de stockage peut être un ballon souple, cas fréquent à la ferme, ou un gazomètre à cloche métallique ou encore un réservoir du type butane-propane.
Le digesteur industriel
Le schéma d’une installation industrielle est assez proche de celui d’une ferme bien que les divers équipements soient caractérisés par des dimensions et un niveau de sophistication nettement plus élevés. Le digesteur est généralement à accumulation de biomasse, mais surtout, les systèmes d’automatisation, de régulation et de contrôle sont beaucoup plus développés à tel point que le digesteur ne constitue plus que 20% de l’investissement de l’installation. Le biogaz produit peut couvrir une part non-négligeable des besoins en combustibles du procédé industriel. En sucrerie, comme le montre l’étude de cas présentée plus loin, le gaz est brûlé pour produire l’air chaud nécessaire au séchage des pulpes de betteraves. Dans d’autres industries, le biogaz est plus souvent utilisé à la production d’eau chaude ou de vapeur mais parfois aussi d’électricité ou de force motrice.
Le digesteur de boues de station d’épuration
Ces digesteurs différent quelque peu des autres car leur objectif est principalement la stabilisation et l’épaississement des boues. Les caractéristiques des boues ne permettent pas de travailler en réacteur à biomasse fixée (filtre anaérobie), car elles provoquent un encrassement du support. Une installation moderne de digestion anaérobie des boues comporte un digesteur à brassage intermittent, parfois précédé d’un digesteur infiniment mélangé. Le biogaz permet de couvrir une partie des besoins énergétique de la station (chauffage des locaux et parfois électricité)
La récupération de méthane à partir d’ordures
Les déchets ménagers comportent une part importante de matières organiques fermentescibles et peuvent de ce fait subir une dégradation anaérobie. Deux filières sont possibles: la récupération du gaz produit par les déchets bruts mis en décharge et la méthanisation en digesteur de la fraction putrescible de ces déchets.
Au sein même des dépôts d’ordures ménagères, on observe la production spontanée de biogaz. Pour des raisons de sécurité (risques d’incendies et d’explosion) et de réduction des émissions polluantes, telles que des composés halogénés ou des gaz à effet de serre, la collecte de ce gaz est souhaitable.
L’acuité des problèmes et l’importance des volumes de gaz produit ont amenés certains gestionnaires à un nouveau concept de la décharge: celui d’un immense digesteur «batch» qui est exploité comme un gisement.
La gestion d’une décharge contrôlée poursuit alors 2 objectifs parallèles: réduire l’impact de la mise en décharge sur l’environnement et optimiser la production et la récupération d’un biogaz de qualité.
La récupération des gaz de décharge présente divers inconvénients: d’une part les nombreux problèmes que génère la mise en décharge (consommation d’espace, exigence des sites, pollution olfactive et visuelle, risques de pollution de l’air, des eaux et du sol) et, d’autres part, la difficulté de disposer, à proximité du site, de débouchés pour les grandes quantités de biogaz produites.
C’est pourquoi, la méthanisation des ordures ménagères fait l’objet d’investigations diverses.
Dans tous les cas, le tri préalable de la fraction organique putrescible est indispensable.
Une première approche, mise en œuvre aux Etats-Unis et au Japon, consiste à diluer les déchets et à les traiter comme des boues. Cette solution est cependant extrêmement énergivore (chauffage du digesteur et déshydratation du digestat) et accroît fortement les volumes nécessaires des digesteurs. D’autres procédés, développés plus récemment, permettent de traiter en continu les ordures pratiquement telles quelles, malgré leur forte concentration en matières sèches.