Essor de la méthanisation, où l’on produit du biogaz à partir de bouse de vache

Article original publié le 17 octobre 2018 pour Ombelliscience sur la plateforme Échosciences Hauts-de-France.

La France s’est fixé des objectifs en termes d’énergies renouvelables : elles devront représenter 23% de la consommation d’énergie en 2020 et 32% en 2030. Pour augmenter les chances d’atteindre ces objectifs, il est nécessaire de recourir à une diversité de sources d’énergie. Outre l’éolien et le solaire, on peut aussi mobiliser d’autres énergies, comme l’hydroélectricité, la géothermie, les biocarburants ou encore le bois énergie.

La loi de Transition énergétique prévoit également de porter à 10% la part de gaz renouvelable dans la consommation en 2030. Pour cela, on compte beaucoup sur le biogaz issu de la méthanisation. Comment fait-on du gaz renouvelable et quel est le potentiel pour le mix énergétique ?

Digestion industrielle sans oxygène

Connue depuis le XIXe siècle, la méthanisation repose sur le processus naturel de dégradation de la matière organique par des micro-organismes en milieu pauvre en oxygène (conditions anaérobies). En cela, la méthanisation diffère du compostage, où la décomposition se fait en présence d’oxygène (aérobie). La méthanisation est ainsi analogue à ce qui se passe dans les marais, les décharges ou encore le système digestif des vaches. Un mélange de gaz est produit naturellement au terme d’une série de réactions biochimiques qui décomposent la matière organique en molécules plus petites. Dans le cas d’une application industrielle, on reproduit les conditions favorables au développement de ces micro-organismes pour effectuer la dégradation de matière organique au sein de grandes cuves (les digesteurs).

Fonctionnement d’un méthaniseur agricole. Crédit image : Ademe

La biomasse utilisée peut être d’origine très diverse : produits et déchets de cultures et d’élevage, effluents industriels, herbe tondue, déchets ménagers, eaux usées… La composition du biogaz produit est variable. Dans tous les cas, on retrouve en premier lieu le gaz combustible qui nous intéresse : le méthane, aussi présent dans le gaz naturel (on parle généralement de biométhane pour marquer la différence d’origine avec le méthane fossile, même s’il s’agit de la même molécule de formule CH₄). Le reste est constitué de CO₂, d’azote et d’autres gaz mineurs. Hormis le biogaz, la dégradation anaérobie produit un résidu humide riche en éléments nutritifs pour les plantes, appelé digestat, qu’on prévoit généralement d’utiliser comme fertilisant après une phase de maturation.

Un procédé aux nombreux avantages

Outre le fait de réduire le volume des déchets, dont certains ne peuvent être compostés, la méthanisation a plusieurs avantages. Le biogaz qui est produit constitue une source d’énergie renouvelable, car la matière première est constituée de déchets continuellement produits. Autre point capital : cette énergie est bas carbone car le CO₂ émis lors du processus de méthanisation et de la combustion du biogaz a initialement été prélevé dans l’atmosphère par les plantes lors de leur croissance. Le biogaz est aussi une énergie locale, pouvant se substituer directement au gaz naturel fossile importé de l’étranger, ce qui contribue à réduire la dépendance énergétique. Mentionnons au passage que, contrairement à l’éolien et au solaire, le biogaz peut être produit en continu, en alimentant le méthaniseur en flux tendu.

Unité de méthanisation des effluents d’élevage à Mayrac dans le Lot.
Crédit image : GrandBout (CC BY-SA 4.0)

Par ailleurs, le biogaz est multi-usage. En autoconsommation, il peut être directement servir dans les procédés des industries qui nécessitent de la chaleur. Après purification pour éviter de détériorer les équipements, il peut aussi être brûlé pour générer de l’électricité, de la chaleur, ou les deux (cogénération). Une autre possibilité consiste épurer le biogaz pour injecter le biométhane qu’il contient dans le réseau de distribution de gaz naturel (cuisson, et surtout chauffage en hiver). Enfin, le biométhane peut être utilisé comme carburant pour véhicules et remplacer les besoins, relativement constants dans l’année, en diesel et essence : on parle alors de « bio-GNV ».

L’autre produit de la méthanisation est le digestat, contenant une phase liquide et une phase solide, là aussi de composition variable. « Par rapport aux fertilisants organiques traditionnels comme le fumier, le digestat contient dans sa phase liquide les nutriments azotés sous forme minérale, ce qui facilite leur absorption par les végétaux », explique Maurice Nonus, ingénieur de recherche en microbiologie industrielle à l’unité de Génie des Procédés de l’Université Technologique de Compiègne et vice-président de la Commission Biogaz du Pôle Industries et Agro-Ressources. En outre, lorsque le digestat se substitue aux engrais de synthèse, on réduit d’autant l’impact environnemental de leur fabrication, qui repose sur la combustion de gaz naturel et l’extraction de minerais.

Résidu sec de digestat. Crédit photo : Vortexrealm (CC BY-SA 2.5)

Plusieurs modèles de méthanisation se sont développés selon les substrats mobilisés, par exemple dans l’industrie pour la méthanisation de déchets, en station de traitement des eaux usées ou encore dans les usines de traitement des déchets ménagers. C’est cependant le modèle agricole qui se développe le plus aujourd’hui. Ce n’est pas surprenant, puisque les agriculteurs produisent de la matière fermentescible en grande quantité : lisiers, fumiers, couverts végétaux et autres résidus de culture…

Notons qu’il est possible de mélanger des substrats de différentes origines. C’est par exemple le cas à la Centrale biométhane du Vermandois, située à Eppeville et gérée par Vol-V Biomasse. « L’objectif est de travailler avec tous les acteurs locaux : industriels, agriculteurs et collectivités locales pour valoriser au mieux les gisements de matière organique du territoire » indique Maxime Giraudet, chef de projets à Vol-V Biomasse. « À Eppeville, nos intrants sont constitués à 75% d’effluents industriels agro-alimentaires, et à 25% de biomasse agricole, le tout collecté dans un rayon de 30 km. » La Centrale couvre environ 20% de la consommation de gaz autour de la ville de Ham et permet ainsi d’éviter l’émission annuelle de 4800 tonnes de CO₂.

Une filière en pleine structuration

Parce qu’elle permet de traiter des déchets, la méthanisation s’intègre dans un modèle d’économie circulaire. De plus, l’énergie produite sous forme de biogaz étant renouvelable, flexible, bas carbone et créatrice d’emplois non délocalisables, la méthanisation a tout pour plaire. Aussi, elle s’est largement développée ces dernières décennies. Avec 9000 unités, l’Allemagne est le premier producteur de biogaz en Europe, principalement du fait de méthaniseurs agricoles alimentés par des produits de cultures énergétiques comme le maïs. En France, la méthanisation est moins répandue – le Club Biogaz dénombre environ 800 unités en comptant l’exploitation du gaz de décharge – mais progresse rapidement. La majorité des méthaniseurs produisent de l’électricité, mais devant la difficulté de valoriser localement la chaleur produite, la tendance récente est plutôt en faveur de l’injection de biométhane. La région Hauts-de-France fait d’ailleurs figure de « pilote » sur le biométhane injecté.

La méthanisation est une technologie relativement mature, mais qui bénéficierait d’une standardisation et une optimisation des pratiques. La filière biogaz française est actuellement en pleine structuration et de nombreux acteurs sont impliqués dans l’accompagnement des porteurs de projet. L’investissement nécessaire est conséquent, et les conditions de réussite d’un projet sont multiples (sécurisation des approvisionnements en biomasse, possibilité de valoriser localement gaz et digestat…). « Un autre impératif est d’être transparent avec les riverains, qui naturellement s’interrogent sur la méthanisation, afin de favoriser l’intégration dans la collectivité. Pour cela, le rôle des élus est crucial » ajoute Maxime Giraudet.

Mais c’est au sujet du cadre réglementaire que les acteurs de la filière s’accordent pour dire que la méthanisation, au carrefour des réglementations complexes de l’agriculture, des déchets et de l’énergie, est sujette à des contraintes administratives importantes qui peuvent freiner son développement. Un point souvent discuté concerne le fait que le digestat reste considéré comme un déchet, ce qui entraîne des restrictions sur son utilisation. C’est ce qui avait motivé Maurice Nonus à lancer un projet de recherche, en partenariat avec des partenaires économiques et académiques, pour traiter les digestats : « le but est de rapprocher leurs propriétés des normes d’engrais, afin de faciliter leur utilisation dans les cultures ».

Quel potentiel pour le mix énergétique français ?

Le gaz naturel représente environ 20% de notre consommation d’énergie. L’objectif de 10% de gaz renouvelable en 2030 visé par la loi suppose que l’on développe considérablement la méthanisation, avec d’autres procédés, car pour le moment leur contribution reste marginale.

Dans une étude prospective, l’Ademe a même analysé un scenario de gaz 100% renouvelable en 2050, sous l’hypothèse d’une baisse de près de 40% de la consommation. En l’absence de trajectoire pour atteindre ces objectifs, l’institution gouvernementale France Stratégie estime que cela « relève du pari ». L’obstacle majeur est le coût : le biogaz n’est aujourd’hui pas compétitif vis-à-vis du gaz naturel. Son développement est possible actuellement grâce à un tarif d’achat fixé par l’État, nettement supérieur au prix du gaz naturel, et dont la pérennité n’est pas garantie (il pourrait baisser puis laisser place à un système d’appels d’offres comme pour l’éolien et le solaire). En Allemagne, la croissance du secteur a d’ailleurs été stoppée net après une baisse du soutien public ces dernières années. Comme le rappelle l’Ademe, l’avenir de la méthanisation est conditionné par une forte augmentation de la taxe carbone, permettant de rendre le biogaz compétitif. On parle ici d’une taxe autour de 200€ par tonne de CO₂ en 2050 contre 45€ en 2018, avec en conséquence une augmentation importante du coût du gaz, entre 100 et 150€/MWh.

Dans tous les cas, le biogaz est intéressant car susceptible de se substituer directement aux énergies fossiles et donc d’atténuer l’impact sur le climat. Rappelons que la Cour des comptes avait pointé du doigt le manque de soutien aux énergies renouvelables thermiques comme le biogaz en comparaison avec les renouvelable électriques.