L'énergie du biogaz
La biomasse est la masse des êtres vivants sur Terre (animaux et végétaux). La biomasse des végétaux chlorophylliens occupe une place importante sur Terre car elle transforme l'énergie solaire en énergie chimique (la matière organique fabriquée par la photosynthèse). Ce gisement d'énergie verte se renouvelle constamment s'il n'est pas surexploité et constitue la base alimentaire de tous les autres êtres vivants. La biomasse est une ressource naturelle. En effet, les bois, les cultures agricoles représentent une biomasse disponible comme source d'énergie pour l'homme.
Les végétaux chlorophylliens stockent l'énergie solaire.
Définition
Le biogaz est un gaz composé de dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4) combustible, d'hydrogène sulfuré (H2S) et de vapeur d'eau. Les proportions dépendent des déchets traités :
- - CH4 de 50% à 90%
- - CO2 de 10% à 40%
- - H2S de 0.0% à 0.1%
Le biogaz peut produire de la chaleur (dans des chaudières) ou de l'électricité (groupe électrogène) ou les deux en même temps (cogénération). Il peut également servir de carburant pour les véhicules ou être injecté dans des réseaux de gaz naturel.
Formation
À la différence du gaz naturel qui est du méthane d'origine fossile, le biogaz est du méthane produit par une transformation des résidus organiques humides végétaux ou animaux (fumiers, lisiers, boues d'épuration, déchets verts après compostage), que l'on appelle la fermentation. On dit que cette fermentation permettant d'obtenir de l'énergie est une méthanisation.
La méthanisation est une fermentation anaérobie (sans oxygène) réalisée par l'action de microbes (bactéries ou levures) à une température de 35° C. Les bactéries dégradent facilement les résidus riches en cellulose ou amidon, plus difficilement les résidus ligneux (riches en bois). Les gaz issus de la fermentation sont composés de 65 % de méthane (CH4), 34 % de dioxyde de carbone (CO2) et 1 % d'autres gaz (dont le sulfure d'hydrogène et l'azote). La méthanisation est un phénomène naturel surtout développé dans les marécages, les cultures du riz, les élevages bovins, les décharges. Elle a l'inconvénient de renforcer le réchauffement de l'atmosphère puisque le méthane a un effet de serre (élévation de la température à la surface de la Terre liée à la présence de certains gaz dans l'atmosphère) supérieur à celui du dioxyde de carbone.
Or le méthane est un bon combustible, matière qui fournit de l'énergie sous forme de chaleur quand on la brûle, d'où l'idée de l'utiliser comme biogaz pour produire de la chaleur, de l'électricité ou l'utiliser comme biocarburant. Avant son utilisation, le biogaz doit être épuré. Il faut le débarrasser des constituants indésirables que sont le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène à l'aide de techniques physico-chimiques coûteuses. L'utilisation du méthane comme biogaz reste rare en raison des contraintes techniques de purification et de stockage, d'une mauvaise rentabilité financière, d'une conjoncture pétrolière défavorable et de l'insuffisance de la taxation de la pollution.
Son atout est d'associer localement une production d'énergie et des solutions de recyclage des déchets. Par exemple à Bayeux (Calvados), la piscine municipale est en partie chauffée par le biogaz produit à partir des boues de la station d'épuration. La piscine est équipée de deux chaudières : l'une fonctionne au biogaz et couvre 20 % des besoins, l'autre fonctionne au gaz naturel.
L'utilisation du méthane comme carburant présente aussi des atouts sur le plan environnemental. Les moteurs à biogaz permettent :
- - une baisse des émissions d'oxydes d'azote;
- - l'absence d'émission de dioxyde de soufre;
- - une meilleure sécurité ;
- - la réduction du bruit.
Utilisation et production
Une fois le biogaz capté ou produit, autant le valoriser le plus efficacement possible. Différentes voies sont envisageables : chaleur seule, électricité seule, cogénération, carburant automobile, injection dans le réseau de gaz naturel.
Quatre modes de valorisation énergétique son aujourd'hui exploités :
La production de chaleur :
Brûler du biogaz sous chaudière ou en four est la voie de valorisation la plus ancienne, la mieux maîtrisée et la plus courante. La teneur en CH4 du biogaz peut descendre jusqu'à 20% et les contraintes d'épuration sont légères. Une désulfuration (visant à éliminer le soufre peut cependant s'avérer nécessaire si la teneur en H2S conduit à des rejets soufrés excessifs dans les fumées. Elle s'effectue généralement par passage sur charbon actif ou traitement à l'hydroxyde ferrique.
On utilise des brûleurs spéciaux adaptés à la combustion du biogaz, alimentés avec une surpression supérieure ou égale à 300 mbar. Ces brûleurs, qu'on trouve couramment sur le marché, ont des injecteurs de plus grand diamètre que les brûleurs à gaz habituels et leur fonctionnement est moins souple. Mais le problème le plus délicat est celui que posent les risques éventuels de corrosion dus à la présence conjointe de vapeur d'eau, d'hydrogène sulfuré.
Le biogaz carburant :
Pour cette application, les spécifications de pureté du gaz sont beaucoup plus sévères que pour les précédentes, puisque le biogaz utilisable comme carburant doit contenir un minimum de 96% de méthane. Il faut en outre que le point de rosée soit inférieur à -20°C, ce qui correspond à une teneur en eau inférieure à 15 mg/(n)m^3. D'autres exigences sont à respecter : teneur en H2S inférieure à 100 mg/(n)m^3, en huile inférieure à 70- 200 ppm, en hydrocarbures liquides inférieure à 1 %, avec une taille de poussières limitée à 40 microns.
L'injection dans le réseau :
La composition finale du biogaz injectable ainsi que sa pression dépendent évidemment des spécifications imposées par le gestionnaire du réseau. Ces dernières portent principalement sur les teneurs en méthane, en gaz carbonique, en hydrogène sulfuré et en oxygène. Le gaz injecté doit en outre être odorisé avant l'injection.
La production d'électricité :
La production d'électricité seule ou en cogénération peut s'effectuer avec une chaudière au biogaz, suivie d'une turbine à vapeur. Cette voie très classique pose peu de problèmes techniques et les contraintes d'épuration du biogaz sont celles que réclament les chaudières. L'autre voie, explorée depuis quelques années, consiste à installer des moteurs à gaz, soit à étincelles, soit dual-fuel. Ces derniers sont plus lents, plus souples, plus durables, mais ils sont aussi environ deux fois plus chers. Les moteurs exigent un biogaz contenant au moins 40% de méthane.
Avantages et inconvénients
Avantages
- -valorisation de déchets organiques.
- -valorisation des ressources locales (élevages agricoles, industrie ...).
- -diminution du volume de matière organique et désodorisation des déchets.
- -valeur fertilisante du déchet agricole conservée et donc valorisable en agriculture.
Inconvénients
-La matière organique utilisée pour la production de biogaz n'est plus disponible pour régénérer l'humus du sol.