Méthanisation : le futur des stations d'épuration ?

La méthanisation s'appuie sur la capacité de bactéries dites méthanogènes, vivant en absence d'oxygène à dégrader la matière organique en milieux clos. L'une des particularités de cette digestion anaérobie est qu'elle s'accompagne d'un dégagement gazeux, principalement du méthane et du gaz carbo-

…nique, éventuellement quelques composés soufrés si l’effluent en contient. Souvent traité comme un déchet dont on se débarrasse en le brûlant dans une torchère, ce biogaz peut être considéré comme une ressource énergétique que l'on aurait tort de négliger à l'heure où l’énergie devient de plus en plus coûteuse et où l'on cherche à traduire dans les faits un mode de développement plus soutenable. Nos voisins Allemands, Belges ou Autrichiens l’ont bien compris qui ont mis en place depuis plusieurs années une filière de méthanisation à la ferme dont l'un des objectifs est la production énergétique.

Une voie de traitement très efficace pour le traitement des matières organiques

Les procédés de méthanisation ont été développés en premier lieu pour traiter les effluents fortement chargés en matières organiques, à partir de 10 kg de DCO par mètre cube jusqu’à 50 kg de DCO par mètre cube, des industries agroalimentaires. Les réacteurs de type UASB (upflow anaerobic sludge blanket) qui mettent en œuvre un lit de boues granulaires dans un flux ascensionnel sont adaptés au traitement de grands volumes d’effluents. Peu encombrants, stables dans leur fonctionnement, ne nécessitant pas de système d’aération, ils permettent d’abattre jusqu’à 95 % de la DCO, d’autant plus rapidement que la température du procédé est élevée. Le procédé produit également de 5 à 10 fois moins de boues que la digestion aérobie, un avantage non négligeable pour le retour sur investissement du process et donc de la station.

Néanmoins, la qualité de l'effluent obtenue n’atteint pas les valeurs exigées par les normes de rejet dans le milieu naturel. 95 % d’abattement d’un effluent à 10 g/l laisse un résidu à 500 mg/l. De plus, seules les matières organiques sont digérées. Le traitement doit donc être complété par un traitement aérobie pour finir la dégradation et réduire les composés azotés et phosphorés, ou bien les effluents doivent être dirigés vers le réseau d’assainissement collectif. « Associer les deux traitements anaérobie et aérobie est ce qu’il…

Il n'y a de plus économique pour traiter les effluents agroalimentaires des grandes installations industrielles, estime René Moletta, ancien chercheur à l'Inra qui a créé une entreprise de prestations intellectuelles dans le domaine de la méthanisation (expertises, formations). Le temps de traitement est raccourci, les coûts de fonctionnement de l'installation et de traitement des boues sont réduits. Les économies d'argent et d'énergie compensent les investissements nécessaires. De plus, une partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'usine peut être fournie par le biogaz issu de la digestion anaérobie.

Valoriser le biogaz

En effet, les systèmes UASB sont aussi très efficaces dans la production de biogaz dont la valorisation est aujourd'hui systématiquement prise en compte dans l'économie de l'ensemble d'un projet.

Certains prestataires comme par exemple Prodeval développent une expertise particulière dans la valorisation du biogaz en proposant des lignes complètes de traitement du biogaz incluant les prétraitements amonts (surpression, séchage, désulfuration, ...) une unité d'épuration membranaire, un poste de compression aval sans oublier la gestion technique centralisée des installations. Gaseo a développé de son côté une installation mobile d'échantillonnage du biogaz visant à mieux cerner les coûts de traitement du biogaz avant le lancement d'un projet.

Le biogaz peut être utilisé directement pour alimenter une chaudière produisant de l'eau chaude pour un usage à proximité. Le même biogaz peut être débarrassé de la vapeur d'eau, du gaz carbonique et autres indésirables pour obtenir du méthane qui sera comprimé pour faire du biocarburant alimentant une flotte de bus ou de camions, ou bien réinjecté dans le réseau de Gaz de France. Malgré les tarifs préférentiels attribués à cette énergie verte, cette dernière solution n'est intéressante économiquement que si le digesteur est important et le réseau suffisamment proche pour ne pas nécessiter de trop importants travaux de raccordement. Enfin, la cogénération utilise le biogaz pour produire de l'électricité tout en récupérant la chaleur produite à cette occasion pour un procédé ou le chauffage des bâtiments par exemple.

Degrémont, Veolia Water STI, Enprotech, Maiveo, Proserpol, Biome, Methaneo, Ovive, Aeroe ou encore Valbio, spécialistes du traitement et de la valorisation de sous-produits liquides et solides, intègrent cette approche globale dans les solutions de méthanisation. Valbio a par exemple mis en service en mars 2013 une installation d’épuration et de valorisation par méthanisation des effluents liquides de la fromagerie Baechler, dans le Lot-et-Garonne, qui collecte 10 millions de litres de lait par an.

Deux méthaniseurs Valbio Methacore® de 125 m³ en inox traitent et épurent le lactosérum et les eaux de lavage selon la technologie UASB. Le biogaz produit représente une énergie thermique de 2 000 000 kWh et alimente la chaudière vapeur de la fromagerie qui fonctionne ainsi de façon autonome toute l’année.

Maiveo, bénéficie de 30 ans d’expérience dans la méthanisation via sa société mère Eurotec WTT basée à Padoue. Maiveo propose une technologie de réacteur rapide EFC (External Forced Circulation) pour les effluents industriels chargés en matières organiques solubles, en particulier papeteries, brasseries, industries de fruits et légumes, soft-drink… Cette technologie permet de répondre à un double besoin de haute efficacité de traitement et de rentabilité, avec une faible emprise au sol.

Les technologies de plus faibles capacités se développent

Très rentable du point de vue efficacité, la technologie UASB et ses variantes sont aujourd’hui éprouvées pour les très grandes installations. Mais les équipements

de plus faibles capacités, développés en parallèle par des acteurs comme Naskeo Environnement, qui valorise une technologie mise au point par l'Inra, Odipure ou Aqua Corp. et son partenaire belge Enprotech, trouvent de larges débouchés sur le marché.

Odipure propose avec MethaFast quatre offres clés en main pour des productions de 30, 50, 80 ou 100 kWe, qui permettent de valoriser les effluents agricoles de type lisier et fumier avec une occupation au sol limitée (20 x 30 m² toujours pour une installation de 50 kW). Hytec Industrie propose de son côté une solution compacte couplant méthanisation et réacteur à lit fixé immergé Bioclean, ce qui permet d’associer revalorisation de biogaz et performance épuratoire.

Aqua Corp et Enprotech, avec leur réacteur UASB moyenne charge, ont actuellement deux projets en France dont une entreprise de conditionnement de légumes surgelés dans le Morbihan, la Compagnie générale de surgélation, à Moréac. Ce producteur de légumes surgelés exploitait déjà une station d’épuration de type lagune aérée fonctionnant sur le principe du SBR (Sequential Batch Reactor) insuffisante pour faire face à une augmentation de production et en conséquence d’effluents fortement chargés. Un pré-traitement UASB moyenne charge a permis d’alléger les effluents envoyés dans le réacteur aérobie, de réduire les boues et il est prévu de valoriser le biogaz.

Fort de leur expérience avec les légumiers de la région flamande, les installations de ce constructeur visent délibérément la simplicité. « Nous proposons des technologies robustes qui demandent des investissements raisonnables et limités mais aussi des opérations simplifiées au maximum, souligne Erik Gonay, gérant d’Aqua Corp. Passer une fois par jour pour contrôler que tout va bien et nettoyer les installations de prétraitement est notre objectif ».

Pour assurer la robustesse de ses installations, Aqua Corp. et son partenaire Enprotech favorisent des réacteurs tolérants, entre l’UASB et le méthaniseur, acceptant jusqu’à des formes semi-liquides sans avoir à stimuler les bactéries par des apports de nutriments : « c’est toujours plus compliqué à gérer ». Par ailleurs, le concept de réacteur Enprotech limite l'utilisation de soude pour la neutralisation.

« Nous recyclons une partie de l’effluent traité, riche en carbonates, pour tamponner les effluents en tête du process,

« Ce n’est pas plus compliqué que de gérer un système aérobie », précise Erik Gonay. Cette neutralisation se fait naturellement et est contrôlée en continu au moyen de capteurs de pH. Il s’agit d’un paramètre essentiel pour la pérennité des bactéries et l’efficacité du réacteur. Cerise sur le gâteau, la boue granulaire des réacteurs de méthanisation peut elle-même être valorisée car ces boues sont relativement rares et recherchées pour ensemencer de nouveaux réacteurs. Un point capital quand on sait qu’il faut quelques mois avant que la station n’atteigne ses objectifs de traitement, le temps que les bactéries colonisent tout le réacteur, alors qu’un système aérobie démarre en 15 jours.

La deuxième installation prévue par le constructeur est de plus grande importance et sera à énergie positive. Le traitement de déchets liquides et solides produira suffisamment d’énergie pour le fonctionnement de l’unité de méthanisation (maintien à température), le chauffage des bâtiments et l’alimentation énergétique du traitement aérobie. De plus, l’eau propre sera en partie recyclée.

La technologie des digesteurs UASB est aujourd’hui au point mais ses promoteurs s’étonnent que la technologie ne se développe pas plus. « C’est un procédé idéal pour les effluents de l’agroalimentaire très chargés en matière organique, explique René Moletta, de Moletta Méthanisation. Pourtant, une centaine d’unités seulement existent en France pour l’agroalimentaire, la papeterie et la chimie, alors que plusieurs milliers d’usines sont éligibles à cette technologie et, contrairement à une idée répandue, ce système aérobie », se désole ce chercheur qui attribue ce mésamour à une méconnaissance de la technologie par les cabinets d’ingénierie.

Certains bureaux d’études se spécialisent pourtant dans ce domaine comme par exemple CEFT qui capitalise 17 ans d’expérience dans le traitement et la valorisation du biogaz. « L’épuration est de toutes façons une contrainte, mais dans certains pays comme l’Allemagne, la Belgique, etc. où les contraintes énergétiques sont fortes, elle est perçue comme une véritable ressource, estime pour sa part Erik Gonay. Les industriels ont tendance à juger ces investissements avec un retour proche de leur outil de production. Il faut plutôt considérer 8 à 10 ans, ce peut être moins selon le contexte de la pollution et les aides consenties. »

Méthanisation des déchets solides : dépollution rime avec énergie et engrais

Une autre voie en développement pour la méthanisation est le traitement des déchets agricoles, de déchets de restauration ou de cuisine domestique. Cette filière, dite de méthanisation à la ferme, est bien implantée dans d'autres pays européens, notamment pour produire de l’énergie à partir de cultures dédiées.

En France, seul le traitement des déchets agricoles (lisiers, paille, déchets organiques) est éligible pour ce traitement et les volumes ne sont souvent pas assez conséquents. Le traitement de solides (boues, déchets organiques) ou mixtes lorsqu’ils sont associés à des déchets plus liquides type lisiers, exige une technologie de méthanisation différente avec de plus grands réacteurs et des temps de séjour des matières pendant une vingtaine de jours au lieu d'un seul en moyenne. C’est plus difficile car les déchets sont plus complexes et

Netzsch propose des pompes à rotor excentré et notamment une pompe mélangeuse liquide/solide développée spécifiquement pour atteindre un meilleur rendement méthanogène, ainsi qu’une gamme de broyeurs et de pompes à lobes.

moins homogènes.

Des réalisations existent cependant. GreenWatt, qui dispose d’une technologie originale permettant de méthaniser tout déchet de type fruits et légumes, a ainsi construit la première unité de méthanisation traitant uniquement des fruits. Elle délivre aujourd'hui de quoi alimenter 150 familles en électricité, 100 familles en chaleur et 500 tonnes de digestat utilisé comme fertilisant.

Dans le cadre de la protection des milieux aquatiques, la méthanisation peut répondre à des besoins bien réels sur certains territoires. C’est dans cette optique que la société Méthanergy, du groupe Quadran, s'est associée avec Serpol (cf. encadré) afin de concevoir, de construire et d'exploiter une installation de traitement des effluents d’élevage en Haute-Savoie. Ce projet, baptisé Terragr’eau, vise à maintenir une bonne qualité des sols en contrôlant l’épandage des effluents afin d’éviter toute dégradation des milieux aquatiques. Il traitera environ 30 000 tonnes de déchets organiques par an afin d’alimenter le réseau de distribution de GrDF en biométhane. Le digestat sera valorisé sur une plateforme de compostage avant d’être épandu sur les parcelles des agriculteurs partenaires du projet. Cela permettra au pays d’Evian de protéger durablement les ressources d’eau potable et minérale tout en maintenant une agriculture performante.

Des équipements traitant des déchets solides se développent aujourd’hui avec des prétraitements destinés à broyer ou mieux mélanger les déchets pour que les molécules soient plus facilement accessibles aux bactéries. Un fabricant comme Vogelsang a développé toute une gamme de machines (RotaCut®, BioCut, X-Ripper) pour réduire, macérer, broyer, malaxer et transférer les matières organiques vers le digesteur, avec pour objectif de rendre les intrants plus fins et homogènes et ainsi rendre leur fermentation plus aisée, rapide et complète. Vogelsang a également développé une gamme de machines pour mélanger et incorporer les matières solides et liquides (QuickMix, EnergyJet®) en ligne, en une seule machine, sans utiliser de préfosse de mélange. Technologie plus sophistiquée, le module de désintégration électrocinétique BioCrack® permet de rompre les membranes cellulaires et rendre ainsi leur contenu accessible immédiatement aux bactéries. Facile à intégrer sur l'installation et peu encombrant, ce procédé, ne consommant que 35 W par électrode, permet d’augmenter jusqu’à 18 % la production de biogaz dans les unités de méthanisation et, en fluidifiant le contenu du digesteur, de diminuer de 30 % l’énergie nécessaire pour l'agitation et le pompage. Pour optimiser la production de gaz, Xylem propose, de son côté, la version tripales de l’agitateur Flygt semi-rapide 4460 Bio-…

Cette solution permet également de faire fonctionner la chaudière à l'ouverture du site, ou en fin de vie de site lorsqu'il n'y a plus de biogaz.

Dans tous les cas, cette solution, simple et efficace, aide l'exploitant à suivre au mieux l'évolution du site et éviter toute mauvaise surprise. Aeroe prévoit également les différents piquages sur la tuyauterie eau chaude, ce qui permet un raccord futur à d’éventuelles unités de cogénération.

Le procédé VALEA développé par Alcion Environnement permet de réduire les concentrations en ammoniac afin d’optimiser les zones d’épandages.

Le procédé utilise la technologie du stripping vapeur et permet de produire une solution commerciale d’ammoniac à 20 % poids qui peut être commercialisée en agriculture mais aussi en traitement de fumées, dans certaines stations d’épuration industrielles ou dans l'industrie.

Atlantique Industrie travaille depuis plus de 20 ans sur les solutions de pompage : homogénéisations, la séparation, le pressage et la déshydratation en industrie agroalimentaire, ce qui lui permet de disposer d’une gamme d’équipements capable de répondre à la plupart des besoins.

gaz. Une solution mixte d’agitation, associant, au sein des digesteurs et des post-digesteurs, un ou plusieurs agitateurs semi-rapides à un ou plusieurs agitateurs pales rapides et représentant un bon compromis technico-économique à l’investissement et à l'utilisation. Avec ses pompes à rotor excentré Nemo®, ses pompes à lobes Tornado®, son dilacérateur M-Ovas® et sa pompe mélangeuse d’entrants solides et liquides avant digesteur type Nemo® B.Max®, Netzsch propose également des systèmes conçus pour tous les stades du process de méthanisation.

Atlantique Industrie et Landia ont travaillé sur différentes installations de réception, de mélange et de traitement des produits entrant dans les méthaniseurs dont les produits de catégorie 3, afin d’optimiser l’efficacité des process. « Comme pour l’être humain, une bonne digestion passe par une bonne recette et une bonne préparation des matières. Le broyage et le mélange sont deux critères importants à ne pas sous-estimer », explique Jean-Pierre Muwzeau chez Atlantique Industrie.

Pour la préparation des matières, Atlantique Industrie a développé une fosse de préparation équipée d’agitateurs et de pompe de broyage à arbre long qui permet d’obtenir un produit homogène et broyé. Pour l’hygiénisation des déchets de catégorie 3, Landia et Atlantique Industrie proposent un hygiénisateur conforme à la norme européenne. Les déchets, souvent atypiques, sont broyés, homogénéisés, malaxés et pompés afin d’alimenter le digesteur d’une soupe hygiénisée à 70 °C. Reste l’étape délicate du mélange horizontal et vertical dans le digesteur. Le système de brassage Gazmix®, situé à l’extérieur des digesteurs, représente une facilité indéniable en termes de maintenance (coût direct sur la production). Il répond bien à cette demande et favorise l’échange de la biomasse, produisant ainsi 5 à 10 % de gaz supplémentaires : brassage de toutes les sections de la cuve, maintenance aisée en toute sécurité, pas d’interruption de production de biogaz lors de la réparation de la pompe, évite tout risque de colmatage grâce à des pompes dilacératrices reconnues, augmentation du contenu en méthane par l’effet de recirculation de biomasse et de biogaz, pas de nécessité de structures renforcées dues aux forces créées par l’agitateur. À noter également que Atlantique Industrie travaille depuis plus de 20 ans sur les solutions de pompage, homogénéisation, la séparation, le pressage et la déshydratation en industrie agroalimentaire, ce qui lui permet de disposer d'une gamme d’équipements capable de répondre à la plupart des besoins liés à la méthanisation.

« Une difficulté, qui freine le développement de cette filière, est la quantité souvent insuffisante de déchets sur l'exploitation pour que la technologie soit rentable, souligne René Moletta. L’idéal est de pouvoir ajouter les résidus de restauration, par exemple en provenance des cantines, mais la manipulation de restes animaux impose le passage dans un hygiéniseur, ce qui va tout de suite augmenter le coût de l'installation. Ce coût supplémentaire ne sera compensé par la production de biogaz que pour les grosses installations, pas pour les petites unités ». Des essais sont actuellement en cours pour étudier le devenir des pathogènes dans le méthaniseur afin de mieux évaluer les risques effectifs associés à l'utilisation de ces déchets. Un avantage toutefois à la méthanisation des effluents solides est qu’ils ne nécessitent pas de post-traitement aérobie. Le digestat peut être épandu ou valorisé comme produit fertilisant agricole car il conserve les éléments fertilisants minéraux : azote, phosphore et potassium. L’utilisation des digestats comme fertilisants dépend de la qualité des déchets. Pour répondre aux normes, les déchets contenant des métaux lourds ou des molécules comme les PCB doivent être écartés et promis à l'incinération.

Maîtriser les procédés anaérobies

Tout comme les systèmes aérobies, les digesteurs anaérobies doivent être contrôlés en continu pour optimiser leur fonctionnement. L'instrumentation développée pour le suivi des procédés aérobies fonctionne tout aussi bien pour la méthanisation même si certains fabricants tels Kobold, Binder Engineering ou Krohne développent une instrumentation spécifique : mesures de niveau pour détecter la mousse par exemple, mesures de pression, de pH et de potentiel Redox pour le suivi de la chimie interne du digesteur, sondes radar et ultrasons, capteurs de température, analyses physico-chimiques, etc. Du fait du dégagement gazeux qui accompagne la digestion anaérobie, la mesure de gaz est également une mesure essentielle pour piloter le système. Un défi en soi car le biogaz est particulier. Sa composition est variable, la proportion de méthane pouvant varier de 30 à 65 %, avec le reste de CO₂, N₂, O₂ et la présence de H₂S, en petites quantités mais particulièrement corrosif. Sa pression est souvent très basse (quelques mbar) et sa vitesse faible (0,5 à 3 m/s), sa température variable également (10 à 50 °C). Les appareils doivent résister à l’humidité, au H₂S et aux particules. Les débitmètres doivent donc être calibrés pour des gaz mixtes et leur fiabilité ne doit pas être compromise.

affectée par les gaz corrosifs et la condensation. Du fait de toutes les contraintes associées à la mesure du biogaz, le choix de l'appareil doit être soigneusement étudié pour être compatible avec l'application. Engineering Mesures, par exemple, revendeur des plus grandes marques mondiales d’appareils de mesure, propose une très large gamme de débitmètres adaptés à la mesure de débit de biogaz, fondés sur des technologies de mesure volumique (pression différentielle, effet vortex, turbine ou ultrason, …) ou massique. Basée sur le principe de dissipation thermique qui génère un signal proportionnel au débit masse (kg/h ou Nm³/h), cette dernière fournit une mesure précise et reproductible sans avoir besoin d'une correction en fonction de la pression et de la température. Le ST98 Mass Flow Meter, par exemple, peut être facilement ajusté sur le site aux conditions spécifiques de l’application, est peu coûteux à installer et nécessite très peu de maintenance.

Pour faciliter la mesure de biogaz en sortie de digesteur, Endress+Hauser a développé un nouvel appareil, sorti en 2012, qui est une adaptation de la technologie ultrason utilisée pour la mesure de gaz en pétrochimie. Cet appareil a bénéficié des progrès réalisés ces dix dernières années dans les capteurs ultrasons qui n’étaient jusqu’alors pas suffisamment sensibles du fait de l'amortissement des ultrasons par le CO₂. « Cet appareil est capable de mesurer le débit de l'ensemble du gaz mais aussi sa composition, ce qui permet de calculer son pouvoir calorifique ou le rendement d’une installation, souligne M. Brossard, chef produit débitmétrie chez Endress+Hauser. Le débit est calculé à partir de la différence de temps de parcours des ultrasons dans le gaz dans un sens et dans l’autre ; le calcul du taux de méthane repose sur le fait que la vitesse du son dans un gaz dépend de la pression et de la température mais aussi de sa composition ». Autres particularités, le Prosonic Flow B200 est en inox pour résister à l’H₂S et se place sur la conduite en sortie de fermenteur sans perte de charge sur la canalisation.

L’Optisonic 7300 Biogaz est venu compléter la gamme de Krohne qui maîtrise depuis longtemps la mesure de gaz, grâce à sa gamme de débitmètre à ultrasons. L’Optisonic 7300 Biogaz est un appareil spécialement dédié à la mesure de biogaz en raison de sa conception mécanique tout inox, de ses sondes et de sa connectique protégées et aux nouveaux transducteurs de mesure en titane résistant à la corrosion due à la présence d’H₂S. Le retour d’expérience et les évolutions de Soft permettent de garantir une mesure avec 100 % d’humidité ainsi qu’une mesure du taux de méthane via la compensation de la température et de pression dans le biogaz à forte teneur et fluctuation en CO₂. Appareil à passage intégral, il ne génère pas de perte de charge supplémentaire sur les installations à basse pression avec une précision de 1 % de la valeur mesurée. De plus, Krohne possède dans sa gamme l’Altosonic V12, appareil certifié transaction commerciale sur la mesure de méthane pour l’injection de ce dernier sur le réseau de gaz naturel.

La mesure de débit de biogaz n'est pas une mesure simple : gaz sale et humide, pression statique faible (voire très faible), vitesses faibles (pour limiter les pertes de charge), composition variable. Pour l'une ou l'autre de ces raisons, les technologies

Les débitmètres vortex, massique thermique, organe déprimogène comportent des contraintes, et c’est pourquoi Kobold propose son débitmètre à oscillations DOG. Ce débitmètre, sans pièces en mouvement, ne mesure dans son oscillateur qu’une faible partie du débit, ce qui permet de minimiser les pertes de charge liées au débitmètre. Le gaz, lorsqu’il traverse ensuite l’oscillateur, va générer des oscillations dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse. En mesurant par un capteur thermique la fréquence (et non pas l’amplitude) du signal, on obtient un signal fréquence proportionnel au débit volumique (donc indépendant de sa composition). Grâce au calculateur intégré et aux entrées pression et température, l’électronique va pouvoir calculer le débit massique de façon très précise : 1,5 % de la mesure à partir de 10 % de l’échelle. Sa rangeabilité de 100:1 permet de trouver le bon compromis entre perte de charge et précision (un débit de 100 m³/h peut être mesuré dans un DN32 ou dans du DN300). Et comme ce débitmètre n’a aucune partie en mouvement, la perte de charge peut être maintenue au niveau minimum (50 mbar à pleine échelle, 12,5 mbar à 50 %, 2 mbar à 20 %). Grâce à ces caractéristiques, ce débitmètre est idéal pour la mesure de débit de biogaz juste au niveau de sa production (± 5 mbar rel), avant séchage et surpression. Il dispose bien sûr d’une version ATEX et ne nécessite quasiment aucune maintenance ou calibration.

Tethys Instruments a développé de son côté des analyseurs de sulfure d’hydrogène (H₂S) par spectrométrie UV (lampes au Xénon), EXM400 et CEM400. Avec une limite de détection de l’ordre du ppm, ils sont beaucoup plus sensibles que les instruments par infra-rouge dont la sensibilité est insuffisante pour les applications en méthanisation. « H₂S est un paramètre important à contrôler pour son potentiel corrosif et sa toxicité mais également pour maîtriser les problèmes d’odeur dans le voisinage de l’installation, souligne Philippe Minghetti chez Tethys Instruments. La technique UV est la seule à ma connaissance à être adaptée à des mesures en continu de H₂S pour la méthanisation ».

Sewerin propose de son côté le Multitec® BioControl, un analyseur de biogaz combiné composé du Multitec® BioControl (unité de contrôle et communication à poste fixe) et du Multitec® 540 (analyseur multi-gaz fixe & mobile). Le Multitec® 540 contient toutes les cellules de mesure : CH₄, CO₂ (technologie optique infra-rouge), O₂, H₂S & CO (technologie électrochimique). Seul le Multitec® 540 a besoin de maintenance ; ainsi Sewerin propose un système de leasing de l’analyseur fixe et mobile incluant le remplacement régulier de celui-ci par un analyseur équivalent, fraîchement ajusté et contrôlé. Ce système innovant permet de garantir à l’exploitant une disponibilité de la mesure avec un budget maîtrisé. Le Multitec® BioControl centralise les mesures réalisées par le Multitec® 540 sur jusqu’à huit voies d’échantillonnage. Il peut également, sur chaque voie, réaliser une mesure de débit et température par le biais de débitmètres massiques thermiques en inox et ATEX, ce qui permet de calculer son pouvoir calorifique ainsi que l’estimation précise du taux d’humidité du biogaz échantillonné. Le Multitec® BioControl peut bénéficier d’un système de contrôle et d’ajustage automatique afin de garantir des mesures de très grande précision.

Précision.

Le procédé de méthanisation étant un processus biologique complexe impliquant diverses communautés bactériennes, l’efficacité de la méthanisation résulte en grande partie de la capacité à mettre ces bactéries dans les conditions métaboliques optimales. Outre la température et le pH, les acides gras volatils sont également un paramètre crucial à contrôler car ils sont à la fois des précurseurs et de possibles inhibiteurs de la méthanisation. Société spécialisée en mesures environnementales issue de l’Inra Montpellier et primée à Cleantech Open France en 2011, Envolure propose une nouvelle technologie pour mesurer ces acides gras, Envolab, basée sur une sonde fluorescente spécifique. « Cette technologie est plus fiable que la titrimétrie utilisée aujourd’hui, explique Nathalie Pautremat, directrice générale de Envolure. Elle se réalise, sur site pour une meilleure précision, en moins de 30 minutes. La qualité de la mesure est comparable à celle que l’on peut obtenir en chromatographie gazeuse ».

La société propose également le kit Envital incluant d’autres outils innovants de pilotage des procédés anaérobies et pour mesurer le potentiel méthanogène des déchets (en moins de 48 h), afin de dimensionner correctement l’installation par exemple. Un test d’inhibition (2 jours) permet de sécuriser l’intégration de nouveaux intrants dans le digesteur, de déterminer leur prix et leur condition de traitement ; un test de pré-traitement permet de tester l’efficacité d’un traitement thermique, d’un broyage ou autre, de manière rapide et sans un laboratoire conséquent. Enfin, un test d’activité permet en particulier de suivre la montée en charge et les évolutions de performances. « C’est également un excellent outil pour faire un screening biologique des bactéries au vu des performances de biodégradabilité dans le cadre d’une bio-augmentation par exemple », précise Nathalie Pautremat.

mettent de comprimer et transférer tous types de gaz ou de mélanges de gaz se sont également développés. Aerzen a ainsi adapté sa gamme de surpresseurs et compresseurs aux spécificités du biogaz et du biométhane : utilisation pour les corps de fonte sphéroïdale GGG40 plus résistante en cas d’explosion, étanchéités renforcées, accessoires inox et certification ATEX si nécessaire. Les machines peuvent convoyer/comprimer le biogaz pour différentes applications (moteur à gaz, unités de traitement du biogaz, injection dans le réseau gaz naturel) pour des débits de quelques dizaines à quelques milliers de m³/h pour des pressions jusqu’à 20 bar. Continental Industrie a également développé et installé à travers le monde une large gamme de surpresseurs dédiés à la compression des biogaz issus de la méthanisation.

L’aspect sécurité ne doit pas être négligé.

L’utilisation du biogaz met en œuvre des installations qui nécessitent une prise en compte du caractère inflammable et explosif du gaz. Il est donc indispensable de protéger les installations et les opérateurs contre d’éventuels risques de propagation des explosions au sens de la Directive 1999/92/CE.

Les applications nécessitant une protection du biogaz sont multiples : usine de méthanisation, digesteurs dans les stations d’épuration, captage sur les décharges enterrées. SID Steible et Protego ont conçu une gamme d’équipements sur mesure servant à la protection d'un digesteur ou d'une torchère par exemple : soupape pression/dépression avec arrête-flammes, robinets de jumelage, détendeurs, arrête-flammes en ligne, ...etc.

De son côté, Wam France Environnement propose une gamme de séparateurs baptisée Sepcom™ pour les installations de biogaz. Disponible en version verticale comme en version horizontale, elle répond parfaitement aux exigences des normes internationales de sécurité pour les installations de digestion anaérobie.

La méthanisation pour générer de l’électricité

Le traitement des déchets par méthanisation peut être si intéressant qu’il peut ne pas constituer l’objectif premier d’une installation. Ainsi Eneria, distributeur des moteurs Caterpillar, commercialise des solutions de valorisation et de production d'énergie électrique. Il a démarré en 2013 un projet d’envergure de production d’électricité à partir de biogaz, Méthalandes, de 23 millions d’euros à Hagetmau, dans les Landes, qui sera opérationnel au cours du second semestre 2014. « C’est le plus gros projet de méthanisation de déchets agricoles, explique Aymeric Minot, responsable développement chez Eneria. Nous fabriquons de l’électricité et un engrais organique de type terreau à partir de la méthanisation de déchets agricoles, notamment du lisier de canard. Ce projet entre ainsi dans le plan EMAA (énergie, méthanisation, autonomie, azote) du ministre de l’agriculture Stéphane Le Foll qui vise à promouvoir le procédé de méthanisation et à atteindre l’autonomie en termes d'engrais azoté, actuellement importé à 100 % dans les zones céréalières éloignées des

Valorisation du biogaz : Atlas Copco développe son expertise

Pionnier dans le domaine du biogaz depuis le début des années 1990, Atlas Copco, via ses entités spécialisées Cirmac ou Greenfield, a acquis une expertise particulière dans le domaine du traitement, de la valorisation, de la compression, et de l’avitaillement des véhicules fonctionnant au GNV.

Atlas Copco Cirmac, basée en Hollande, est ainsi devenue en quelques années un acteur important dans le secteur du biogaz et compte de nombreuses références aux Pays-Bas, en Allemagne mais aussi en France avec, par exemple, l’ISDND de Claye-Souilly (77).

« La valorisation du biogaz peut se faire en produisant de la chaleur, de l’électricité seule ou en cogénération, ou par injection dans le réseau de gaz naturel. C'est la voie qui nécessite le traitement le plus poussé pour correspondre aux caractéristiques définies par les opérateurs de réseaux », explique Pierre-Etienne Brossard, Responsable traitement et compression des gaz chez Atlas Copco. « Nous sommes présents sur le secteur du traitement du biogaz pour injection dans le réseau et pour son utilisation en biométhane carburant. Ce sont les solutions de valorisation les plus prometteuses dans la mesure où elles ouvrent la voie à un stockage de l'énergie produite en vue d'une utilisation ultérieure ».

En France, les possibilités d'injection de biométhane dans les réseaux de distribution et de transport gaz ne sont autorisées que depuis 2011. Le biogaz doit être issu de collecte sélective d’OM, de déchets agricoles/agroalimentaires ou encore des ISDND. La valorisation des boues de stations d’épuration sous forme d'électricité ou de chaleur ne pose aucun problème. Mais l'injection dans le réseau du biogaz provenant de la valorisation des boues n'est pas encore autorisée.

La CRE (Commission de régulation de l'énergie) a cependant donné un avis favorable au mois de janvier dernier, indique Pierre-Etienne Brossard. L’autorisation d'injection ne devrait donc pas tarder.

Les exploitants sont déjà sur le pied de guerre et nombre de projets sont déjà très aboutis. « Ce type de valorisation devrait décoller rapidement, analyse Pierre-Etienne Brossard. La plupart des stations d'épuration, quelle que soit leur taille, sont concernées. Le point clé sera le prix de rachat du biométhane par les opérateurs de distribution et de transport. Le prix d'achat varie selon le débit et l'origine du biogaz, la prime pour le biogaz issu de boues de STEP restant à valider ».

L’Allemagne, la Hollande et, d'une manière plus générale, les pays nordiques, sont très avancés dans ce domaine. Les réalisations, nombreuses, s'appuient sur des techniques de valorisation ou de compression matures et fiables. « Atlas Copco maîtrise les trois principaux procédés de séparation des composants du biogaz qui sont le lavage, la séparation par perméation et les traitements par adsorption, précise Pierre-Etienne Brossard. Notre technologie de prédilection, en matière de traitement du biogaz en biométhane, est la solution de lavage aux amines. C'est celle qui présente le taux de perte en méthane le plus faible. Elle permet également, pour les projets qui le nécessitent, de récupérer le CO₂ en haut de la colonne de stripping ». Atlas Copco compte plusieurs références en injection de biogaz issu de boues de stations d’épuration, en Suède mais aussi en Allemagne, notamment sur la station d’épuration de Hambourg.

Le bioGNV est un autre mode de valorisation qui devrait également se développer rapidement. « On voit aujourd'hui clairement les limites des carburants conventionnels en termes d'approvisionnement et de pollution atmosphérique, souligne Pierre-Etienne Brossard. Le moteur à gaz, compatible avec du bioGNV, donc avec du biométhane comprimé sous 200 bar, est un moteur propre qui ne produit aucune particule, très peu de NOx, et qui devrait se développer rapidement, notamment pour les flottes captives : bennes à ordures, bus… Des villes comme Lille, Bordeaux, Strasbourg et bien d'autres encore utilisent déjà le gaz naturel en attendant l'arrivée du bioGNV. Sur la station d’épuration de Marquette, Atlas Copco a déjà fourni la station de compression et remplissage en biométhane carburant ».

régions d’élevage.

L'engagement des agriculteurs locaux à fournir la matière première pendant 15 ans est un point fort du projet : 136 000 tonnes d’effluents d’élevage auxquelles s’ajoutent quelque 17 000 tonnes de sous-produits de l'industrie agro-alimentaire. Au total, le projet table sur une production annuelle d’électricité de 37,8 millions de kW, soit l’équivalent de la consommation de 15 000 foyers, et 12 000 tonnes d’engrais organique, sous une forme plus aisément distribuable que le lisier. Pour ce projet, Eneria a adopté deux digesteurs afin que le coût de construction soit moindre et que l'installation de systèmes de brassage soit plus simple. Le biogaz issu de la méthanisation est valorisé par cogénération. La chaleur dissipée par les moteurs et les fumées servent notamment au séchage du digestat (réduction de volume d’un facteur 10) et l'excédent d’électricité est revendu à EDF selon les tarifs préférentiels en cours pour les énergies vertes. « Nous avons mis au point un procédé mixte avec un module de dosage des effluents liquides et solides, et un procédé spécifique de transformation du digestat liquide en un engrais solide en cours d'homologation, composé de matières minérales mais aussi carbonées », précise Aymeric Minot. La méthanisation se déroule à 45 °C et les effluents y séjournent un mois, ce qui permet de détruire toutes les graines d’adventices et, par conséquent, un engrais de grande qualité. La production d’électricité constitue néanmoins l’essentiel de notre chiffre d'affaires.

Quadran, groupe indépendant producteur d’électricité, devrait sous peu s’associer.

L'usine Géotexia Méné (35), réalisée par MWM-France, traite 50 000 tonnes de lisier par an, 25 000 tonnes de déchets d’abattoir ainsi que des déchets verts issus des collectivités. L'unité produit également 12 000 MW par an d’électricité verte, 58 000 tonnes d’eau distillée issue de l'évaporation des digestats, ainsi que 7 000 tonnes d'engrais sous forme de granulats.

Avec ses pompes à rotor excentré Nemo®, ses pompes à lobes Tornado®, son dilacérateur M-Ovas® et sa pompe mélangeuse d'entrants solides et liquides avant digesteur type Nemo® B Max®, Netzsch propose des systèmes conçus pour tous les stades du process de méthanisation à travers sa filiale biogaz Méthanergy, à la société Biométhanisation Près Des Oliviers pour la création d'un centre de traitement des déchets ménagers et industriels à proximité de Béziers, dans l'Hérault. Cette installation industrielle permettra de traiter localement 94 000 tonnes de déchets ménagers fermentescibles et assimilés de l'Ouest Hérault sur les 200 000 tonnes actuellement produites et exportées.

Cette unité industrielle, originale dans la mise en association de différentes techniques éprouvées, permettra d’extraire la part fermentescible des déchets, en utilisant le procédé de tri-extrusion, de méthaniser par voie liquide cette part fermentescible, de valoriser le biogaz de méthanisation dans des moteurs, à hauteur de 1,7 MW électrique, et autant en thermique, et de valoriser par compostage le digestat de méthanisation.

À noter que l’énergie thermique issue des moteurs de valorisation biogaz sera intégralement réutilisée dans le process (séchage du digestat, traitement des eaux de process), permettant d’obtenir un bilan énergie positif. L'outil projeté répond aussi à plusieurs objectifs environnementaux : limiter l’impact carbone en traitant les déchets de proximité, valoriser la fraction organique des déchets pour produire une énergie renouvelable en réponse à la réglementation française et européenne de valorisation des biodéchets et avoir un bilan énergie positif.

La construction de l’unité de méthanisation devrait débuter d'ici un an pour une mise en service prévue fin 2016 et un investissement de l’ordre de 35 millions d’euros.

Encore à l'état de projet mais avec une mise en service prévue en 2018, le centre de méthanisation et de transfert de Blanc-Mesnil lancé conjointement par le SIAAP et le SYCTOM témoigne d’une nouvelle manière d’envisager le traitement des déchets. Dans ce projet, 10 000 tonnes par an de boues activées en provenance de la nouvelle station d’épuration de Seine Morée et 15 000 tonnes de biodéchets séparés à la source (marchés, commerces alimentaires et restauration collective avant d'inclure les habitants des communes proches) vont alimenter une unité de méthanisation localisée stratégiquement avec lignes ferroviaires et accès autoroutier. Cette unité produira de l’ordre de 10 GWh d’énergie par an et du compost. Elle complétera l’énergie produite par une unité d'incinération des 75 000 tonnes d’ordures ménagères résiduelles (après le tri et les collectes sélectives).