En 2024, la transition mondiale vers les énergies renouvelables s’est intensifiée, le biogaz devenant un acteur clé des solutions énergétiques durables.
Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la production de biogaz devrait augmenter de 40 % d'ici 2030, portée par les progrès de la technologie de digestion anaérobie et la demande croissante d’énergie propre.
L'Inde, l'un des plus grands producteurs de déchets organiques, s'est concentrée sur le biogaz comme solution énergétique décentralisée, avec des initiatives gouvernementales telles que le programme Sustainable Alternative Towards Affordable Transportation (SATAT) qui promeut la production de biogaz comprimé (CBG).
Alors que les préoccupations concernant la gestion des déchets et la sécurité énergétique continuent de croître, l’exploitation de l’énergie issue de la décomposition de la matière organique présente une solution puissante.
L’énergie n’est ni créée ni détruite ; elle se transforme d’une forme d’énergie à une autre.
Tout le monde connaît bien cette loi de la thermodynamique.
Cela soulève donc un certain nombre de questions sur ce qui arrive à la matière organique lorsqu’elle se décompose.
Que peut-on faire pour exploiter l’énergie créée par la décomposition de la matière organique ?
Pour faire simple, la production d’énergie à partir de la décomposition de la matière organique est le résultat idéal que l’on peut attendre de toute stratégie de valorisation optimale des déchets !
Lorsqu'une matière organique subit une décomposition, elle suit des voies de digestion aérobie ou anaérobie, selon la disponibilité de l'air et les conditions environnementales.
Aérobie signifie en présence d'oxygène, et anaérobie signifie dépourvu d'oxygène.
S'agissant de deux types de processus complètement différents, les deux processus de digestion sont réalisés par des ensembles de bactéries différents et aboutissent à des produits finaux différents.
L’énergie libérée lors de la biodégradation des déchets organiques peut être exploitée et transformée en un produit utile.
La digestion aérobie contrôlée de la matière organique peut nous fournir un engrais riche en nutriments appelé compost.
De même, le le processus de digestion anaérobie peut conduire à la production de biogaz, qui peut être une source d’énergie extrêmement utile destinée à une myriade d’applications.
Le processus naturel de digestion anaérobie se produit dans l’estomac des ruminants ou des marais.
Dans un processus anaérobie, les micro-organismes dégradent la matière organique pour produire du biogaz, qui est un mélange de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2), de sulfure d'hydrogène (H2S), de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2), d'azote (N2) et de vapeur d'eau.
De tous les produits finaux obtenus à partir de la digestion anaérobie, le méthane est le gaz le plus intéressant en raison de ses caractéristiques.
Le méthane généré à partir du biogaz est combustible et peut être utilisé comme source d’énergie.
Le processus de production de biogaz est un processus en plusieurs étapes réalisé par un ensemble différent de bactéries à chaque étape.
La matière organique subit une chaîne d’étapes de dégradation, à savoir l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse.
À la fin de cette chaîne de processus, le la matière organique est convertie en méthane et autres produits finaux, et ce processus est connu sous le nom de production de biogaz.
La matière organique ajoutée aux digesteurs anaérobies est par nature un polymère complexe.
Le processus d’hydrolyse décompose essentiellement la macromolécule organique en composés plus petits.
Les bactéries hydrolytiques sécrètent des enzymes comme l'amylase, la cellulose, la protéase et la lipase qui décomposent les glucides en sucres simples comme les monosaccharides et les disaccharides, et les protéines sont converties en acides aminés, tandis que les lipides sont convertis en différentes chaînes d'acides gras.
Le le pH optimal pour l'hydrolyse est de 6 à 7 et la plage de température est de 30 à 50 °C.
Il s’agit de la première étape vers la production de biogaz et elle est essentielle car plus la décomposition de la matière complexe est élevée, plus le substrat disponible pour la production de biogaz est important.
L'étape d'hydrolyse fournit de petits composés moléculaires comme produit final qui peuvent traverser la membrane cellulaire des bactéries acidogènes.
Les bactéries acidogènes convertissent les composés précurseurs en composés intermédiaires appelés acides gras volatils (AGV), des alcools comme le méthanol, l'éthanol et les aldéhydes, et du CO2.
Les AGV sont constitués d'acides organiques tels que les acétates et d'acides organiques plus gros comme le propionate, le butyrate et le pentanoate dans des proportions variables.
L'acétate est directement utilisé comme substrat pour la méthanogénèse, mais ce n'est pas le cas des acides organiques supérieurs.
L'acétogenèse est un processus par lequel les acides organiques supérieurs, tels que le propionate et le butyrate, sont convertis en acétate et en hydrogène par des bactéries acétoclastiques.
À partir du processus d'acétogenèse, le la production d'acétates est d'environ 25 %, tandis que celle d'hydrogène est d'environ 11 %.
La méthanogénèse est l’étape finale de la digestion anaérobie.
Les bactéries méthanogènes convertissent les intermédiaires des étapes précédentes, comme les acétates, l’hydrogène, le méthanol et la méthylamine, en méthane et en H2O.
L'acétate est consommé par les méthanogènes acétoclastiques et converti en méthane.
Un autre ensemble de méthanogènes hydrogénotrophes réduit le CO2 utiliser l'hydrogène pour produire du méthane pendant l'étape d'acétogenèse et le convertir en méthane.
Le processus de méthanogénèse se produit à un pH plus élevé. 2/3 du méthane produit est généré par méthanogénèse acétoclastique, tandis que 1/3 est généré par méthanogénèse hydrogénotrophe.
Le processus d'hydrolyse est réalisé par un groupe de bactéries anaérobies, telles que Streptococcus et Enterobacterium, également appelées bactéries fermentaires.
Ils sécrètent des enzymes extracellulaires, qui s'adsorbent sur les déchets soumis à la digestion.
Les déchets hydrolysés sont ensuite convertis en acides organiques par des espèces de bactéries comme Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Flavobacterium.
En fonction de la diversité de la population de micro-organismes, la processus d'acidogénèse peut être réalisée soit par un procédé hydrogéné, où les produits finaux directs sont des acétates, de l'hydrogène et du CO2, soit par un procédé déshydrogéné, où les déchets sont convertis en acides organiques supérieurs.
Une autre fonction des bactéries acidogènes facultatives est de créer un environnement de travail pour les anaérobies obligatoires dans les processus suivants.
Les anaérobies facultatifs utilisent tout l’oxygène présent dans le digesteur, créant ainsi une condition anaérobie complète.
Le processus d'acétogenèse est réalisé par les genres Syntrophomonas et Syntrophobacter, qui convertissent le butyrate et le propionate en acétate et en hydrogène, et certaines bactéries comme Methanobacterium suboxydans convertissent l'acide pentanoïque en acide propionique, tandis que Methanobacterium propionicum convertit l'acide propionique en acétate.
L'hydrogène libéré à la suite de l'acétogénèse est inhibiteur pour les bactéries acétogènes ; dans un tel cas, les bactéries hydrogénotrophes travaillent en symbiose pour convertir l'hydrogène libéré en méthane, et ce processus est également appelé syntrophie.
L'étape finale de la méthanogénèse est également réalisée par deux groupes différents de bactéries, en fonction du substrat utilisé pour la génération de méthane.
Les bactéries acétotrophes, telles que Methanosarcina et Methanosaeta, sont les genres les plus courants de bactéries acétotrophes qui convertissent le méthane à partir d'acétate, tandis que les genres Methanobacteriaceae et Methanoculleus sont des bactéries hydrogénotrophes courantes utilisant l'hydrogène comme intermédiaire pour la génération de méthane.
En général, la digestion anaérobie est un processus sensible ; par conséquent, un type de matériau spécifique doit être utilisé.
Les aliments destinés aux humains et aux animaux, ou leurs sous-produits, peuvent être utilisés comme matière première pour la production de biogaz.
Afin de décider de la matière première pour la production de biogaz, il est nécessaire de prendre en compte la teneur en eau, la teneur totale en solides et les solides volatils de cette matière première.
Tout matériau contiendra de l’eau et de la matière sèche.
La matière sèche est en outre classée en teneur totale en solides, qui est la masse totale de solides, et en solides volatils, qui est la quantité totale de matière organique dégradable.
Il est recommandé d’utiliser des matériaux à haute teneur en solides volatils.
Les sous-produits alimentaires peuvent être utilisés comme matière première pour la production de biogaz, qui peuvent être facilement disponibles à partir des déchets du marché, de la transformation des aliments et des restaurants à faible coût.
Les sous-produits alimentaires peuvent être facilement dégradés.
Il est conseillé d’utiliser une source d’approvisionnement alimentaire cohérente pour la production de biogaz afin de disposer d’une matière première cohérente.
Le fumier est un aliment pour animaux non digéré, enrichi d'eau et de litière. C'est également une bonne source de micro-organismes.
Le fumier de bétail est généralement préféré, tandis que le fumier de porc et de volaille contient une teneur élevée en azote ; par conséquent, il peut conduire à une faible Rapport C:N du système réactionnel.
Le fumier frais est le plus efficace pour la digestion anaérobie.
L’ajout de cultures énergétiques comme matière première secondaire peut augmenter la production de biogaz.
Les cultures énergétiques comprennent les graminées, l’ensilage de maïs et l’ensilage d’herbe.
Les cultures énergétiques doivent généralement être achetées sur le marché ; par conséquent, la production énergétique doit couvrir le coût des matières premières.
Un digesteur anaérobie est une unité de traitement dans laquelle la matière organique est digérée de manière anaérobie dans des conditions contrôlées pour favoriser la formation de digestat et la production de biogaz.
Un digesteur anaérobie est une structure fermée et étanche à l’air.
Il dispose d'un tuyau d'admission pour assurer l'ajout de matière première au digesteur.
Le tuyau d'admission rejoint le digesteur, où se déroule toute la digestion anaérobie.
Le volume du digesteur est divisé pour maintenir la quantité requise de lisier et d’espace libre pour l’accumulation de gaz pendant la production de biogaz.
Au-dessus du digesteur, il y a un tuyau de gaz avec une vanne pour contrôler le débit de gaz une fois que la production de biogaz commence.
Il y a une zone de sortie et une zone de trop-plein qui accueillent l'excès de boue et lui permettent de déborder lorsque cela est nécessaire.
Le paramètre de fonctionnement le plus couramment utilisé pour la digestion anaérobie et la production de biogaz est un système continu à une étape fonctionnant dans des conditions mésophiles, où les déchets humides sont idéalement préférés comme matière première.
Compte tenu de ces paramètres et en fonction de l’évolutivité, les technologies idéales pour la production de biogaz sont le réacteur à dôme fixe, le réacteur à tambour flottant et le réacteur à ballon.
Un digesteur à dôme fixe est un système fermé construit à partir de briques et de ciment.
La zone du digesteur est construite sous terre et l'entrée, la vanne de régulation du gaz et la sortie sont situées au-dessus du sol.
Ce type de digesteur a une durée de vie relativement longue parmi les réacteurs utilisés pour la production de biogaz.
La construction souterraine permet de gagner de la place et d'éviter les fluctuations de température qui se produisent à l'extérieur.
Un tambour flottant fonctionne sur un principe similaire à celui d'un dôme fixe, mais la principale différence est que le réservoir de digestion est construit sous terre, tandis que le tambour d'accumulation de gaz flotte au-dessus du sol.
Le tambour se déplace vers le haut à mesure que la pression du gaz augmente pendant la production de biogaz, et lorsque le gaz est consommé, il redescend en raison de son propre poids flottant sur une chemise d'eau ou une boue.
Les fûts de rétention de gaz peuvent être construits en métal, en plastique ou en fibre de verre.
Il s’agit d’un digesteur de biogaz à faible coût utilisé pour la production de biogaz qui ressemble à un ballon tubulaire en plastique ou en caoutchouc.
Le fond du digesteur est placé sous le sol dans une zone en forme de fosse.
L'entrée et la sortie sont fabriquées dans le même matériau et sont attenantes au ballon.
Bien qu’il s’agisse d’une solution rentable, sa durée de vie est plus courte, car elle est susceptible de subir des dommages mécaniques.
Une bonne infrastructure ne suffit pas à elle seule à assurer une production de méthane satisfaisante.
S'agissant d'un système complexe, plusieurs paramètres doivent être maintenus du début à la fin afin d'obtenir une bonne production de biogaz.
Une fraction de déchets organiques de la matière première doit contenir une teneur élevée en solides volatils.
La taille des particules de la matière première doit être très petite, d'environ 2 cm..
Un broyeur peut être utilisé pour obtenir une matière première de taille uniforme, car une grande surface favorise une dégradation rapide.
Ces micro-organismes réalisent le processus de production de biogaz.
L’ajout de fumier de vache, ainsi que de consortiums microbiens spécialisés, contribue à une production efficace de biogaz.
A un minimum de 10 à 15 % du volume du réacteur de fumier de vache est essentiel pour initier le processus de production de biogaz.
Le micro-organisme mésophile prend un temps de mise en service plus long que les microbes thermophiles.
La quantité et la pureté du méthane produit lors de la production de biogaz dépendent du rapport C:N du matériau d'entrée.
Le rapport C:N optimal pour la production de biogaz est de 30:1.
Autrement dit, pour chaque 30 unités consommées par les bactéries, il faut 1 unité d'azote comme source de nourriture.
Un rapport correct entre carbone et azote peut donner une production optimale de biogaz via la digestion anaérobie.
Le taux de charge organique désigne la masse de substrat à ajouter par jour, en fonction du volume du réacteur, pour assurer une production de biogaz optimisée.
L'OLR est mesuré en kilogrammes de solides volatils totaux par mètre cube et par jour.
Un OLR idéal pour un réacteur à cuve non agitée est < 2 kg VS/m3 par jour, tandis qu'un réacteur à cuve agitée nécessite environ 4 à 7 kg VS/m3 par jour.
La plage de température favorable pour les bactéries mésophiles se situe entre 30 et 40 °C, et pour les bactéries thermophiles, elle se situe entre 45 et 60 °C.
Les températures inférieures à 15 °C ralentissent le processus. Il est connu que la production de biogaz est entravée par temps froid.
Le la température optimale pour la production de biogaz est neutre, soit entre 6.5 et 7.6.
Le processus d’acidogénèse abaisse le pH à un niveau acide.
À un pH de 7 à 7.5, le CO2 en phase gazeuse fournit l'alcalinité nécessaire pour amortir le changement de pH causé par les AGV.
En cas de choc de pH dû à l'acidogénèse, l'OLR doit être réduit, ou l'ajout de chaux ou d'hydroxyde de sodium peut élever le pH à la normale.
Le pH du système est le paramètre le plus critique pour une production optimale de biogaz.
La durée pendant laquelle le matériau reste dans le réacteur dépend de la taille du réacteur et du taux de dégradation.
Un processus de réaction mésophile prend généralement entre 10 et 40 jours, tandis qu'un processus thermophile prend environ 10 à 25 jours.
La production de biogaz peut sembler être simplement un processus dans lequel les matières organiques peuvent être converties en méthane pouvant être utilisé comme source de carburant, mais le processus de production de biogaz a un impact environnemental et financier plus important.
En conclusion, la production de biogaz peut transformer le coût de la gestion des déchets solides biologiques en une opportunité de génération de revenus pour les pays.
La production de biogaz peut conduire à des alternatives pour le chauffage, le carburant de transport et la production d’électricité et peut donc réduire la production de gaz à effet de serre et la dépendance aux combustibles fossiles et créer des emplois dans des économies de plus en plus volatiles à travers le monde.
De plus, le digestat créé à la suite de la production de biogaz peut être utilisé comme alternative aux intrants chimiques utilisés pour fertiliser les sols en agriculture.
Compte tenu de ses nombreux avantages, la production de biogaz est la clé d’un avenir plus vert et meilleur.
