Tout savoir sur le biogaz : comment est-il produit, transformé et utilisé ?

Fondamentaux de la production et épuration du biogaz

Biogaz, méthanisation : définition

Le biogaz est un combustible issu de la fermentation d’éléments organiques. Ainsi, on trouve naturellement du biogaz dans des endroits où une grande quantité de déchets organiques sont présents et en décomposition (par exemple : les marais, rizières ou encore les décharges).

Lorsque les éléments naturels se décomposent pour se transformer en biogaz, en l’absence d’oxygène, on parle de méthanisation ou de digestion anaérobie. Ce processus porte le nom de méthanisation car, au cours de la transformation, le biogaz se charge d’une part élevée de méthane.

Généralement, le biogaz ne peut pas être utilisé comme tel : il doit être transformé pour être utilisé ensuite dans diverses applications industrielles.

Aujourd’hui, la méthanisation est un processus largement maîtrisé par l’Homme. Nous pouvons donc l’utiliser et l’industrialiser pour la valorisation des déchets organiques. Ainsi, dans le contexte de production de biogaz, des matières organiques sont introduites dans de grands digesteurs où il n’y a pas d’oxygène. Des micro-organismes anaérobies dégradent cette matière organique pour produire le biogaz.

Toutes les matières organiques peuvent être méthanisées : les déchets agricoles (résidus de récoltes, pailles, déjections animales…), les déchets verts (tonte de gazon, feuilles), les déchets de l’industrie agroalimentaire (pulpes, peaux, etc.) ou encore les boues de stations d’épuration.

Composition du biogaz

La composition typique du biogaz est plurielle. On remarque souvent un fort pourcentage de méthane (CH4) à hauteur de 50 à 70%. Puis, le biogaz se compose de dioxyde de carbone (30-40%). Enfin, on peut aussi retrouver de l’hydrogène, de l’azote, de l’acide sulfurique ou de la vapeur d’eau dans une quantité infime.

La composition du biogaz dépend finalement du substrat utilisé initialement lors du processus de méthanisation. La température du substrat, son PH ou son temps de résistance auront une influence sur la composition finale du gaz.

Certains éléments contenus dans le biogaz sont qualifiés d’impuretés ou de contaminants. C’est-à-dire qu’ils empêchent largement l’utilisation du biogaz. Celui-ci doit être retravaillé pour éliminer ces traces de contaminants.

Il s’agit notamment de l’acide sulfhydrique (H2S) qui dégage une odeur désagréable. De même, les halogénures (chlorures, fluorures, bromures) peuvent être présents dans le biogaz et sont problématiques.

On peut aussi retrouver du dioxyde de soufre (SO2) que l’on souhaite isoler au maximum. Enfin, des composés organiques volatils (COV) constituent d’autres sources d’impuretés. Ils proviennent de la décomposition des matières organiques.

Pour se débarrasser de ces éléments, il est nécessaire d’épurer le biogaz. Voici pourquoi ce processus est important. ⤵️

Nécessité de l'épuration pour l'utilisation du biogaz

L'épuration du biogaz est nécessaire pour une raison évidente : elle permet de se débarrasser des impuretés indésirables. Car un biogaz qui serait utilisé tel quel, contenant des impuretés, risquerait d’émettre des émissions polluantes, ou encore de corroder les systèmes dans lesquels il est introduit. C’est pourquoi il est essentiel d’éliminer les impuretés telles que le sulfure d’hydrogène, les COV ou encore les halogénures.

De plus, le biogaz brut ne peut pas être utilisé dans les équipements tels que les moteurs ou les chaudières. Il risquerait tout simplement de ne pas brûler. À l’instar du pétrole brut, qui doit être affiné avant de pouvoir remplir les réservoirs des véhicules et des chaudières, le biogaz doit subir un traitement similaire pour améliorer sa qualité.

Il y a aussi un enjeu de santé humaine autour du biogaz brut. S’il était brûlé en contenant du sulfure d’hydrogène ou d’autres impuretés, il serait dangereux pour l’environnement et pour la santé humaine. À noter que le biogaz, au moment de sa combustion, produit différentes émissions (CO2, méthane), mais dans une moindre mesure par rapport aux combustibles fossiles.

Enfin, la nécessité de nettoyer les impuretés du biogaz s’explique aussi pour une raison d’efficacité énergétique. En éliminant toutes les impuretés, on produit un gaz qui a un meilleur rendement énergétique. Cela contribue à améliorer l’efficacité globale du processus de production énergétique avec cette source d’énergie.

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Technologies et processus d'épuration du biogaz

Absorption physique et chimique

Nous l’avons vu précédemment : l’épuration du biogaz est nécessaire. Pour ce faire, plusieurs méthodes d’épuration existent.

La méthode d’absorption chimique et physique est l’une d’entre elles qui repose sur le principe de différence de solubilité des composants du gaz dans un même liquide de lavage. Tout d’abord, dans l’absorption physique, les impuretés du biogaz sont éliminées grâce à un liquide absorbant approprié.

Souvent, il s’agit d’un solvant organique ou d’une solution aqueuse. On le choisit en fonction des impuretés à traiter en priorité. La différence de pression entre le biogaz et le liquide permet de dissoudre les impuretés.

Lorsque le liquide est saturé en impuretés, il doit être régénéré au moyen d’un processus de désorption. Au cours de cette étape de l’épuration, les impuretés sont libérées du liquide grâce à une mise à haute température ou en réduisant la pression du mélange.

L’absorption chimique est idéale pour éliminer le dioxyde de carbone, l’ammoniac ou encore les composés organiques volatils. La méthode d’absorption chimique, elle, se fait en créant une réaction chimique avec un réactif absorbant (solution aqueuse avec un agent oxydant ou encore la soude caustique). On emploie cette méthode pour éliminer le sulfure d’hydrogène du biogaz.

Ainsi, le sulfure d’hydrogène réagit au contact du réactif et cela lui enlève ses qualités nocives. Par exemple, avec la soude caustique, le sulfure d’hydrogène se transforme en eau et en sulfure de sodium. À la fin du processus, comme pour l'absorption physique, il faut régénérer le réactif car il sera chargé en impuretés, afin d’être utilisé à nouveau.

Adsorption par Variation de Pression (PSA)

L’adsorption par inversion de pression ou variation de pression (PSA), est un autre procédé pour épurer le biogaz. C’est une méthode couramment utilisée qui consiste à épurer le gaz en utilisant son affinité chimique vis à vis d’un matériau solide (l’adsorbant est exposé à des variations de pression).

Selon les impuretés à ôter du gaz, on choisira un adsorbant différent. On peut opter pour le charbon actif, les zéolites ou encore le tamis moléculaire.

Cette méthode de purification a été largement industrialisée, notamment pour ôter le CO2 dans la production d’hydrogène ou le raffinage du pétrole.

Pour le biogaz, précisément, la technologie permet de traiter les impuretés comme le dioxyde de carbone, l’eau ou le sulfure d’hydrogène. Pour ce faire, le biogaz est introduit à une pression élevée dans un contenant qui est rempli du matériau adsorbant adéquat.

Lorsque le matériau est “gorgé” des impuretés, la pression est réduite ce qui provoque la désorption des impuretés du matériau. Ces impuretés sont ensuite évacuées pour garder un gaz sain.

Pour que le cycle recommence, il est nécessaire de passer par une phase de régénération du matériau utilisé en augmentant la pression.

Membranes de séparation

Les membranes de séparation sont une autre technologie pour le traitement du biogaz. Cette technologie repose sur la différence de perméabilité des membranes vis-à-vis des différents composés du biogaz.

Par exemple, le dioxyde de carbone traverse vite la membrane dite semi-perméable, plus vite que le méthane. On peut alors isoler le dioxyde de carbone du méthane. Ainsi de suite pour chaque impureté indésirable à traiter. Cette méthode permet de purifier le biogaz à plus de 97%.

Ce principe de sélectivité des membranes s’appuie sur la taille des pores des membranes, la solubilité des composants de la membrane ou encore les différences d’interactions chimiques entre les impuretés et les membranes.

Au moment où le biogaz entre dans les membranes, il est introduit à haute pression. D’une façon générale, les membranes nécessitent peu d’énergie ou de maintenance.

À la fin du procédé, on collecte les différents composants séparés. Le biogaz est alors épuré et les impuretés sont laissées de côté.

Lavage à l'eau et à la chaux

Le lavage à l’eau et à la chaux est une méthode traditionnelle pour épurer le biogaz. On l’utilise principalement pour ôter le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène (H2S) du biogaz. Le coût de cette transformation industrielle est relativement bas par rapport aux autres techniques.

La méthode repose sur la solubilité du CO2 et du H2S dans l’eau et de leur réaction chimique avec la chaux.

Ainsi, on commence par introduire le biogaz brut dans de grands réservoirs (les colonnes de lavage). On y introduit de l’eau ce qui permet au CO2 et au sulfure d’hydrogène de se dissoudre. Puis, de la chaux est introduite dans la colonne. Le sulfure d’hydrogène a alors une réaction : il se transforme pour former du sulfure de calcium. De son côté, le dioxyde de carbone forme du carbonate de calcium.

Ces deux produits issus de la réaction chimique sont éliminés et le biogaz est désormais épuré.

Comme pour la plupart des procédés d’épuration du biogaz, il est nécessaire d’effectuer une régénération de la solution de chaux lorsque cette dernière est saturée en produit.

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Applications industrielles pour le biogaz

Utilisation du biogaz comme énergie renouvelable : cogénération, électricité...

Une fois épuré, le biogaz peut avoir de nombreux usages. Ainsi, il est utilisé pour :

• La production de chaleur pour le chauffage industriel : on brûle le biogaz dans une chaudière et il permet alors de chauffer un lieu, un site industriel, ou encore de chauffer l’eau d’un bâtiment ;
• La production d’électricité : l'utilisation du biogaz permet aussi d’alimenter un moteur à combustion interne ou des turbines à gaz pour créer de l’énergie. Il est aussi possible d’imaginer une production combinée d’électricité et de chaleur, c’est ce qu’on nomme la cogénération. Le biogaz sert à produire de l’électricité via un générateur et la chaleur récupérée dans le système de refroidissement est valorisée localement pour chauffer un bâtiment ;
• La production de carburant : de nombreux véhicules de transport urbain fonctionnent au gaz naturel pour véhicule qui n’est autre qu’un biogaz épuré de certains éléments. Cette alternative permet de remplacer les carburants fossiles et ainsi réduire les émissions de gaz à effet de serre du secteur du transport ;
• Alimentation du réseau de gaz naturel : il est possible de purifier le biogaz pour le valoriser de la même façon que le gaz naturel. Cette technologie est très répandue en Suède, en Allemagne ou au Pays-Bas. En France, les projets de méthanisation connectés au réseau de gaz naturel sont de plus en plus nombreux ;
• La production d’engrais naturels pour l’agriculture à partir des déchets non digérés au moment de la fabrication du biogaz ;
• L’intégration du biogaz dans des procédés industriels en chimie. On peut l’utiliser pour produire de l’ammoniac, du méthanol ou d’autres hydrocarbures.

Avantages économiques et environnementaux

Pourquoi utiliser et développer la filière du biogaz est intéressant ?

Les raisons sont nombreuses, et tout d’abord, économiques. En effet, créer du biogaz à partir de déchets organiques destinés à être abandonnés est une façon de valoriser ces produits. Cela a donc un double avantage : les coûts de gestion de ces déchets sont réduits, et ils permettent in fine de se dégager un revenu par la production de biogaz.

Un autre avantage économique majeur pour les collectivités territoriales et les territoires est l’idée de pouvoir produire du biogaz localement. Ici, il n’est donc pas question d’importation de carburant fossile extrait à des milliers de kilomètres. Le biogaz est un “or” qui existe sur tous les territoires. Il peut créer de nouveaux emplois et permettre de stimuler l’économie locale.

Enfin, en produisant de l’électricité et de la chaleur à l’aide du biogaz, les entreprises comme les collectivités s'offrent la meilleure solution pour réduire leurs coûts, tout en valorisant des déchets autrefois considérés commerebus.

À côté des avantages économiques évidents, le biogaz a aussi un intérêt pour l’environnement. Utiliser du biogaz en tant que source d’énergie renouvelable permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre d’une installation. Le biogaz est moins polluant que le gaz naturel ou tout autre combustible fossile.

De plus, en valorisant des déchets organiques locaux et en les transformant sur place, on évite de faire venir des combustibles fossiles via les méthaniers. On le sait : le transport sur longue distance est polluant. En créant une énergie locale, on s’épargne l’empreinte carbone associée au transport et à la distribution de l’énergie.

Enfin, l’utilisation du biogaz dans les usines ou dans les bâtiments publics avec la cogénération entraîne une réduction des polluants atmosphériques (oxydes d’azotes, COV et particules fines principalement). In fine : la ville est plus agréable, la qualité de l’air est augmentée.

Rôle du biogaz dans la transition énergétique

Le biogaz est de plus en plus utilisé et il aura un rôle majeur dans les prochaines années. En France, la filière biogaz fait partie des solutions énoncées par le gouvernement pour accélérer la transition énergétique, le développement des énergies renouvelables et la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

En juin 2023, on comptait en France pas moins de 1046 installations réparties sur tout le territoire pour produire du biogaz. Parmi elles, 591 permettent d’alimenter les réseaux de gaz naturel. Et ce chiffre est amené à augmenter pour atteindre les objectifs fixés par le gouvernement.

Et pour cause ! Le biogaz est d’abord à considérer comme une véritable source d’énergie renouvelable produite à partir de nos déchets. En utilisant cette source d’énergie plutôt qu’une énergie fossile, on réduit d’une part la dépendance aux combustibles fossiles, et d’autre part on diversifie le bouquet énergétique global.

Le biogaz diffère du gaz naturel car il permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre en évitant la décomposition des déchets organiques qui provoque du méthane. On réduit aussi considérablement la production d’émissions de CO2 par rapport aux combustibles fossiles classiques.

Enfin, nous l’avons vu, le biogaz est un produit polyvalent qui peut être utilisé de plusieurs manières. Pour produire de la chaleur, de l’électricité ou du carburant. Cette polyvalence permet de l’utiliser dans de nombreux domaines d’activités et ainsi renforcer la sécurité énergétique du pays.

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