Mots clés : biogaz, Allemagne, cadre politique pour la production de biogaz, co-fermentation, fermentation sèche, économie des énergies renouvelables
GERBIO, la Société Allemande du Biogaz et de la Bioénergie, est une association non gouvernementale allemande, créée en 2001, avec l’objectif de promouvoir la production durable et l’utilisation de l’énergie faite à partir de biomasse. Son succès de pionniers du biogaz dès les années soixante-dix a permis la mise en place d’une technologie en auto-construction en kits, de taille appropriée à l’échelle d’une ferme.
Ses domaines d’activités sont donc la technologie du biogaz, les huiles végétales à usage énergétique, la production de gaz de bois et son utilisation, le traitement du fumier, du lisier et du digestat ainsi que la gestion des eaux usées décentralisée génératrice de bioénergie. Les activités de GERBIO relatives à la technologie du biogaz se sont concentrées sur le transfert du savoir-faire lors des ateliers internationaux, des visites d’études et des activités de formation, des services de conseil, des contacts avec des experts en matière de planification, de conception et de construction, des contacts avec des entreprises spécialisées, et un réseau national et international de différents pays et régions.
Le nombre d’usines de production de biogaz en Allemagne a augmenté de façon significative depuis 2006 ; il y a des concentrations dans le sud et dans la partie nord-ouest du pays, où dans plusieurs régions relativement petites plus de 40 digesteurs de petite et grosse capacité sont en fonctionnement.
Vue d’ensemble
Depuis que la loi sur les énergies renouvelables a été lancée en 2000, le développement du biogaz en Allemagne a connu une augmentation constante, non seulement en nombre d’installations, mais aussi dans la reconnaissance du public en tant que haute technologie tournée vers l’avenir (tableau 1).
- des normes élevées en matière de développement technique mises en œuvre et respectées par les techniciens et les fabricants qualifiés ;
- des types de digesteurs et d’usines différents mais normalisés – tous bien testés et réellement mis à l’épreuve, encadrés par des autorités de certification (TÜV) – résultant ainsi en une saine concurrence entre les différents ingénieurs et les entreprises ;
- la consolidation de la technologie de fermentation sèche comme étant la technologie appropriée pour les mesures d’économie d’eau ;
- l’automatisation du contrôle du système et de l’exploitation en réduisant les coûts de main-d’œuvre et en soutenant la continuité des processus biologiques impliqués ;
- un environnement favorable et des incitations économiques grâce à un cadre politique consolidé qui supporte les futures technologies écologiques adaptées.
Plus de 1 500 entreprises travaillent actuellement dans le secteur ; environ 7 800 installations de biogaz fonctionnent. Les technologies promouvant le biométhane (135 projets) et le biogaz comme carburant de transport (plus de 100 stations de remplissage de biogaz avec 100 % de biométhane et plus de 288 stations-service au gaz naturel avec une part de 10 à 50 % de biométhane) sont mises en œuvre aussi, ainsi que des technologies de pointe pour l’utilisation efficace de l’énergie thermique et le traitement des digestats pour une application comme engrais.
Au cours des 15 dernières années, un nouveau secteur industriel du biogaz a émergé avec des bureaux d’études spécialisés, des constructeurs d’installations ainsi que des fournisseurs de services et de maintenance. Certaines de ces entreprises sont devenues relativement grosses, souvent en mesure de lever des fonds importants en ouvrant leur capital. L’industrie des énergies renouvelables s’est engagée dans des investissements transfrontaliers, tant à l’intérieur qu’au-delà de l’Europe, ce qui…
Tableau 1 : Évolution de la filière biogaz en Allemagne
| 2005 – Nombre d’installations : 2600 |
Capacité électrique installée (MWe) : 650 |
Électricité (TWh/a) : 2,8 |
Contribution à la production globale d’électricité : 0,5 % |
Génération de revenus pour les fabricants (Mds €) : 0,5 |
Génération de revenus pour les exploitants (M €) : 360 |
Participation dans le secteur export : 8 % |
Emplois : 5 000 |
Réduction de CO₂ (Mt/a) : 2,5 |
| 2006 – Nombre d’installations : 3500 |
Capacité : 1100 |
Électricité : >5 |
Contribution : >1 % |
Revenus fabricants : 1 |
Revenus exploitants : 650 |
Participation export : 12 % |
Emplois : 10 000 |
Réduction CO₂ : 5,0 |
| 2007 – Nombre : 3710 |
Capacité : 1270 |
Électricité : 7,4 |
Contribution : 1,4 % |
Revenus fabricants : 0,65 |
Revenus exploitants : 750 |
Participation export : >15 % |
Emplois : 10 000 |
Réduction CO₂ : 6,4 |
| 2008 – Nombre : 3900 |
Capacité : 1370 |
Électricité : 10,3 |
Contribution : 1,6 % |
Revenus fabricants : 0,6 |
Revenus exploitants : 800 |
Participation export : 10 % |
Emplois : 8 500 |
Réduction CO₂ : 8,5 |
| 2009 – Nombre : 4984 |
Capacité : 1893 |
Électricité : 12,0 |
Contribution : 2,0 % |
Revenus exploitants : 1 200 |
Emplois : 16 000 |
Réduction CO₂ : 9,6 |
| 2010 – Nombre : 5905 |
Capacité : 2291 |
Électricité : 14,8 |
Contribution : 2,46 % |
Chiffre d’affaires en Allemagne (Mds €) : 4,40 |
Participation export : 10 % |
Emplois : 39 100 |
Réduction CO₂ : 11,4 |
| 2011 – Nombre : 7175 |
Capacité : 2984 |
Électricité : 19,09 |
Contribution : 3,17 % |
Chiffre d’affaires : 8,3 |
Participation export : 10 % |
Emplois : 60 000 |
Réduction CO₂ : 14,1 |
| 2012 – Nombre : 7515 |
Capacité : 3200 |
Électricité : 22,84 |
Contribution : 3,85 % |
Chiffre d’affaires : 7,3 |
Participation export : 10 % |
Emplois : 45 000 |
Réduction CO₂ : 16,9 |
| 2013 – Nombre : 7772 |
Capacité : 3356 |
Électricité : 24,38 |
Contribution : 4,10 % |
Chiffre d’affaires : 6,9 |
Participation export : 44 % |
Emplois : 40 000 |
Réduction CO₂ : 18,0 |
a permis aux entreprises allemandes de bénéficier des tendances internationales en matière de déploiement des énergies alternatives, y compris le biogaz.
Le potentiel total en Allemagne est estimé à 24 milliards de m³ de biogaz pour la production de 50 millions de MWh d’électricité et 72 millions de MWh de chaleur. Actuellement, le biogaz contribue à environ 14,5 millions de MWh de production d’électricité, correspondant à 2,5 % de sa consommation d’énergie réelle.
Matières premières pour la production de biogaz en Allemagne
Il est évident que – depuis 2005 – les cultures énergétiques jouent de loin le rôle le plus important dans l’histoire du succès du biogaz en Allemagne (figure 1). Mais la figure ci-dessous montre aussi très clairement que la production de biogaz en Allemagne repose sur une grande variété de matières premières. Comme l’ensilage de maïs et de plantes sont les matières premières en cultures énergétiques prédominantes pour ces installations, ils sont maintenant cultivés sur environ 850 000 hectares (2011) de terres agricoles.
Pourquoi les cultures énergétiques ? Il existe différents moyens efficaces de produire de l’énergie à partir de biomasse (tableau 2).
Production de biogaz en Europe (2012)
Décharge, agriculture et eaux usées sont les sources les plus courantes de biogaz, non seulement en Allemagne mais aussi dans d'autres pays européens.
Selon le Fachverband Biogas, la plus ancienne et la plus grande association en Allemagne d’agriculteurs producteurs de biogaz et de constructeurs d’installations – fondée en 1992 par à peu près le même groupe de professionnels et d’agriculteurs qui a mis en place plus tard GERBIO – le marché des moyennes et grandes usines de production de biogaz avec une capacité de production d’électricité n’a pas encore atteint sa saturation. Le graphique (figure 2) suivant montre le nombre d’installations de biogaz et la puissance installée en Europe et l’évolution constatée en Allemagne (figure 3).
Il y a en outre une tendance pour l’avenir de la technologie du biogaz de découvrir les avantages du « biométhane », qui est comme du gaz naturel, mais produit localement, avec une alimentation garantie, et toujours économique. Les deux, le consommateur potentiel et les décideurs politiques sont à la recherche de l’indépendance vis-à-vis de l’importation et donc un approvisionnement en carburant et de l'énergie « moins cher ». Les aspects environnementaux peuvent alors être pris en compte à un second niveau, mais ils sont également compris par le public comme des raisons importantes pour l'investissement.
Tableau 2 : caractéristiques des différentes sources d’énergieSource : Institut pour l’Énergie et l’Environnement, Leipzig, 2007 – Kosten und Ökobilanzen von Biokraftstoffen
| Processus |
Rendement énergétique |
Moyenne |
| Rape to biodiesel |
45 GJ/ha |
55 GJ/ha – 38 % |
| Starch to ethanol |
50 GJ/ha |
53 GJ/ha – 39 % |
| Lignocellulose to ethanol |
35 GJ/ha |
65 GJ/ha – 38 % |
| Lignocellulose to biogas |
105 GJ/ha |
160 GJ/ha – 100 % |
[Figure : Figure 1 – répartition des intrants dans les digesteurs en Allemagne]
[Figure : Figure 2 – Nombre d’installations de biogaz et puissance installée en Europe]
[Photo: Figure 3 : Evolution du nombre d'installation de biogaz en Allemagne.]
[Photo: Figure 4 : Les amendements 2014 en Allemagne.]
En parlant du potentiel, il faut considérer que 10 milliards de m³ de biométhane pourraient être produits sur 10 % des terres agricoles avec un rendement énergétique de 62 000 kWh/ha. L’option d’améliorer ce rendement jusqu’à 100 000 kWh/ha est à portée de main. Pour l'Allemagne, les comparaisons suivantes sont intéressantes : 16 milliards de m³ de biométhane correspondant (1) à 50 % des importations de gaz en provenance de Russie ; (2) jusqu’à 17 % de l’électricité consommée ; (3) jusqu’à 20 % de la consommation de gaz naturel ; (4) jusqu’à 35 % du carburant de transport consommé. Aujourd’hui déjà, le total du biogaz produit correspondrait à 20 % du gaz naturel consommé en Allemagne, si tout le biogaz brut avait été mis à niveau à la qualité du gaz naturel.
La majeure partie du potentiel se situe dans la demande de cultures énergétiques, et en particulier dans ces cultures qui sont cultivées seulement pour la production de biogaz. Là encore, il est important de préciser que le système de production agricole de l'Allemagne n’est qu'une partie du puzzle de l’agriculture européenne : les agriculteurs doivent suivre les règles strictes de production, du marché international et de la planification des prix.
Perspectives
La loi sur les énergies renouvelables modifiée se concentre sur l’efficacité thermique, l’écologie et la réduction des émissions ; bien que l’Allemagne ait déjà atteint une réduction notable des émissions, les objectifs à long terme ne peuvent être atteints avec les efforts actuels.
Depuis janvier 2012, de nouveaux règlements « feed-in-law » pour le biogaz se sont mis en place ; ils fournissent plus d’incitations pour les installations de biogaz agricoles et pour le traitement des déchets. Aujourd’hui, 135 projets d’injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel ont été approuvés à ce jour et sont déjà en exploitation ou en cours de mise en œuvre. L'objectif gouvernemental définit qu’avant 2030, il y ait au moins 10 % de biogaz dans le réseau de gaz naturel.
La loi sur les énergies renouvelables et les incitations en faveur de l'utilisation du biogaz
La loi sur les énergies renouvelables EEG a toujours été le facteur le plus important pour le développement du biogaz jusqu’à présent. Depuis 2012, pour la première fois, l'industrie du biogaz a dû soutenir des réductions modérées des tarifs d’achat et a dû remplir certaines conditions à l’utilisation des cultures énergétiques, comme par exemple 60 % maximum d’ensilage vert de récolte de maïs et 60 % minimum d’obligation d'utilisation en chaleur.
Mais l’accent a aussi été mis sur l’utilisation de lisiers/fumiers dans les installations de méthanisation de petite échelle jusqu’à 75 kW et une nouvelle compensation des biodéchets triés à la source en provenance des ménages a été mise en place. La conséquence a été une baisse significative dans la construction de nouvelles installations en 2012 et 2013, puisque la hausse avec près de 1 300 nouvelles usines a été la plus élevée en 2011. Ceci est exactement l’objectif du gouvernement français d'ici 2020 dans sa totalité.
Augmentation du nombre d'installations de méthanisation liée à des changements dans les lois et les réglementations
Dès 2014, une baisse encore plus importante du nombre de nouvelles installations de méthanisation doit être attendue du fait que le gouvernement de grande coalition, en particulier le Parti social-démocrate, a complètement réduit les primes aux cultures énergétiques pour les installations de biogaz agricoles (figures 4 et 5). Même les cultures dérobées de vieilles
herbes et les nouvelles plantes développées à grande valeur écologique ne peuvent être utilisées du fait que les incitations sont si faibles que cela ne sera plus viable. Seules les installations de méthanisation de petite échelle avec du fumier et des déchets végétaux atteindront un niveau vaguement acceptable de soutien. Toutefois, la nouvelle emphase, qui est aussi le plus grand atout de la production d’énergie de biogaz, est tournée vers la production souple d’électricité à la demande en conjonction avec les énergies solaire et éolienne. Seule une production souple d’électricité, avec une énergie relativement coûteuse provenant du biogaz peut atteindre tout son potentiel à l’avenir.
[Photo : Figure 5 : Nombre de construction de digesteur par an suite aux décisions administratives.]
Exemples de différentes installations de biogaz avec une unité de cogénération
Pour rendre la production de biogaz viable économiquement, l’utilisation efficace de la chaleur produite est cruciale (figure 6). Ce n’est pas souvent le cas, ou parfois difficile à atteindre. Mais avec la chute des tarifs de rachat, tous les avantages économiques de la production de biogaz doivent être pris en compte. Les principaux revenus directs proviennent des ventes de l’électricité, de la chaleur, des engrais et des redevances pour les déchets. Les revenus indirects sont générés à partir des engrais, des substitutions à la litière pour les animaux ainsi qu’à partir de sa propre production d’électricité et de chaleur.
Les exemples suivants provenant de trois installations de méthanisation illustrent les différents concepts et les différentes technologies qui conduisent dans tous les cas à des avantages économiques et écologiques à la fois pour les propriétaires et pour l’environnement.
[Photo : Figure 6 : Schéma d’une installation de biogaz avec exploitation de la chaleur issue du cogénérateur.]
Amélioration du rendement de biogaz avec des co-substrats et de la co-fermentation
Le traitement anaérobie du fumier et des boues d’épuration sont les procédés préférés pour la stabilisation des boues et pour le traitement du fumier (tableau 4). Les digesteurs de boues de step sont installés dans des unités de traitement des eaux usées (stations d’épuration) ; ils peuvent répondre à environ 30-50 % de leur propre demande d’énergie électrique et à près de 100 % de celle d’énergie thermique. La co-fermentation de boues d’épuration, de fumier et de biodéchets est un processus qui a été mis en place en Allemagne pour traiter les boues d’épuration ou le fumier avec des biodéchets comme co-substrats dans des digesteurs de stations d’épuration, de fermes ou d’installations spécialisées de traitement de biogaz à partir de déchets centralisés.
Une installation de biogaz centralisée, via la production de chaleur et d’électricité, pourrait : (1) fournir l’assainissement et l’homogénéisation de tous les déchets organiques, (2) produire un produit nutritionnel défini pour servir comme engrais dans les champs, (3) réduire la pollution de l’air et (4) être une source d’énergie renouvelable neutre vis-à-vis du CO₂.
Cependant, il y a un conflit derrière la co-fermentation : alors que la co-fermentation est un outil important dans la promotion d’une économie circulaire, en utilisant autant de produits biologiques que possible pour la production d’énergie renouvelable et de recyclage dans les champs (engrais), il faut s’assurer que ce recyclage ne contamine pas le sol, l’eau, la nourriture avec des produits secondaires provenant du transporteur de la production d’énergie. À cet égard, les agriculteurs et les opérateurs d’installations de méthanisation (intéressés par des rendements élevés de gaz) pourraient facilement s’opposer aux autorités de santé et d’environnement. La question centrale est de soit donner la priorité à la génération de l’énergie durable ou à celle de la protection des eaux souterraines et du sol. Par conséquent, les lois et les réglementations nationales et européennes sont mises en place pour contrôler les produits finaux quant à leurs résidus et à leur contenu en agents pathogènes (réglementation européenne des engrais et de la gestion des déchets).
Tableau 3 : caractéristiques d'unités de production de biogaz
Installation de méthanisation Thomas Karle - Kupferzell
Informations générales
- En fonctionnement depuis 2004
- Ajout d'une nouvelle installation en 2004
- Turbine à gaz et système de séchage des boues (2007)
- Superficie agricole : env. 100 ha
Substrats
- Lisier (bovins)
- Ensilage de maïs
- Récolte et déchets de production (teneur en MS ~ 15 %)
Description technique
- Digesteur : 1 × 600 m³
- Digesteur (nouvelle installation) : 1 × 1 600 m³
- Réservoir de stockage (couvert avec deux membranes) : 2 000 m³
- Système d’alimentation pour le substrat : 45 m³
- Cogénération : moteur à gaz de type MDE 320 kWel
- Turbines Microgas (2) : 130 kWel
- Excédent de production de chaleur : « electrical pig » utilisant le système de serre pour le séchage électrique des boues
Installation de méthanisation Gebeke
Données de production
- Volume de biogaz : 7 300 m³/j
- Teneur en CH₄ : 53 %
Substrats
- Ensilage vert : 27 t/j
- Ensilage de maïs : 4,7 t/j
- Fumier de bovins : 2 m³/j
- Terres agricoles : 75 ha + 7 ha (maïs)
Description technique
- Volume du digesteur : 2 × 1 000 m³
- Postdigesteur : 1 000 m³
- Température de fonctionnement : 48 °C
- Stockage des boues : 3 600 m³
- Capacité électrique installée : 500 kWel
- Cogénération : moteur à gaz de type CES – MAN
- Capacité électrique : 500 kW
Installation de fermentation sèche (Biomassehof Langenau)
Données de production
- Utilisation d’électricité pour le fonctionnement : approx. 2 %
- Production d’électricité : 4 050 MWh/a (7 500 heures de fonctionnement/a)
- Coûts d’investissement : 4,9 millions d’euros
Substrats
- Déchets végétaux : 4 000 t/a
- Ensilage de maïs : 8 000 t/a
- Ensilage vert et grains : 2 000 t/a
- Terres cultivées : 150 – 200 ha de cultures énergétiques
Description technique
- Digesteur garage : 7 × 500 m³
- Réservoir percolation : 320 m³
- Récipient de gaz (2 heures pleines de cogénération) : 600 m³
- Stockage des boues : 3 600 m³
- Cogénération : (3) MAN 180 kWel chacun
- Utilisation de l’excédent de chaleur : séchage du bois, chauffage urbain (prévu)
Économie
L’exploitant d’une installation de co-fermentation de biogaz augmente ses revenus de deux manières : (1) en prenant des substrats qu’il doit ou veut éliminer ; (2) en augmentant la production de gaz. Les matières de co-fermentation sont généralement toutes les matières qui sont fermentées en plus du substrat de base. Cela peut être des résidus agricoles, mais aussi des résidus biodégradables provenant de l’extérieur du monde agricole (figure 7).
Il est censé d’ajouter des matériaux de co-fermentation afin de maintenir les cycles naturels fermés, d’augmenter les rendements de production de biogaz et d’obtenir un revenu de traitement et d’élimination des déchets. Il existe trois principales fractions de co-substrats : (1) les déchets industriels, (2) les résidus agricoles, (3) les déchets municipaux biodégradables.
Coûts d’investissement d’une installation de biogaz
Le coût d’investissement dépend de la capacité de l’installation (figure 8).
Des bilans énergétiques de la décentralisation du traitement des eaux usées des ménages en tant que co-substrat, il résulte les principales conclusions suivantes : (1) la réglementation allemande définit que les eaux usées contenant des excréments humains pourraient être traitées dans une installation de biogaz si la quantité est inférieure à 8 m³/j ; (2) une personne (en Allemagne) produit chaque jour de 80 à 120 L d’eau usée ; (3) ces eaux usées contiennent des excréments et des déchets organiques de la cuisine et des repas ; (4) en plus, elles contiennent des détergents (biodégradables), shampoings, etc. ; (5) une personne pourrait générer environ 0,9 kWhél/jour ; (6) 150 €/an représente les économies de frais de traitement des eaux usées dans le système tarifaire actuel et les futurs.
Tableau 4 : Exemples de rendements de biogaz à partir de différentes matières premières
- Graisse concentrée, ensilage de poisson, etc. : 200 – 1 000 m³/t
- Eau des déchets de poisson, boues et graisses de flottation, déchets d’abattoirs, déchets de produits laitiers, déchets organiques des ménages, etc. : 50 – 200 m³/t
- Déchets de fruits et de légumes, eaux usées industrielles, boues d’épuration : 10 – 70 m³/t
[Photo : Figure 7 : Exemple de variation des rations quotidiennes de purée de biodéchets, de déchets de séparateur de graisse et de boues traitées dans une codigestion.]
économies de frais de raccordement au réseau d’égout.
Les avantages et inconvénients de la co-fermentation peuvent être résumés ainsi :
(1) les co-substrats augmentent la teneur en matière organique des substrats et ont donc pour effet d’augmenter les rendements de biogaz ;
(2) la co-fermentation n’est rentable que si les co-substrats sont situés à une « distance économique » ;
(3) la teneur en matière sèche doit être de 2 à 12 % pour garantir la fonctionnalité des pompes à boues standardisées disponibles et un bon mélange ;
(4) les co-substrats présentent un risque plus élevé au niveau hygiène et ont parfois besoin de prétraitements spécifiques ;
(5) les co-substrats comme la graisse des résidus contiennent des nutriments riches en azote ;
(6) la co-fermentation présente une contribution active à la lutte contre le changement climatique et – compte tenu de la diminution des réserves de phosphate minéral – la technologie permet de produire des engrais à partir des matières premières secondaires.
[Figure : évolution du coût d'investissement d’unités exploitant le biogaz par cogénération. Source : DZ-Bank]
Pour plus d’informations :
www.fnbb.org, www.gerbio.org, info@gerbio.org, www.biogas-zentrum.de
[Publicité : France Biotechnologies]
