La méthanisation


(Par Guy Favand, professeur et vice président O.N.G. COEDADE RUP)
 

 

Leçon N°1 C’est quoi la méthanisation ?

            1°) La méthanisation ‘’naturelle’’, ou comment la nature ‘’fait bien les choses’’ :

Depuis ‘’la nuit des temps’’, sur la Terre, toutes les matières organiques (dites fermentescibles) sont plus ou moins détruites par décompositions bactériennes en absence d’oxygène (anaérobiose) ….

·                            Sous une couche d’eau (étangs, mangroves, lacs …), dépourvue d’oxygène dissous, les végétaux et animaux morts entrent en décomposition et produisent des bulles de Biogaz  

Dans les cimetières les ‘’feux follets’’ sont dus à la décomposition des corps, le Biogaz peut s’enflammer spontanément lors de certaines réactions chimiques …

                  Vous mangez des féculents, de la viande… ‘’vous avez des gaz’’ ;  non, du Biogaz, première preuve que ce processus est naturel. Qui n’a jamais ‘’pété’’ ?

Dans les anciennes décharges (la législation ayant enfin évolué), la nature continue son travail en produisant du Biogaz. L’homme essaye de ‘’réparer’’ ses erreurs gravissimes en captant ces émissions de Biogaz avec des procédés coûteux et pas très efficaces !

 

La transformation des matières organiques en diverses substances chimiques durant la fermentation en anaérobiose se fait rapidement au cours d’une chaîne de dégradations successives grâce à de nombreuses espèces de bactéries, d’où le terme de Méthane Biologique ou Bio Méthane. (Voir leçon N°4 ‘’Critères à respecter pour bien méthaniser’’).

 

On distingue deux phases qui se succèdent dans le processus de fermentation méthanogène :

  • Liquéfaction ou gazéification avec transformation des molécules organiques en acide gras, en sels ou même en gaz
  •  Transformation avec d’autres souches bactériennes de ces acides et sels en différents gaz et résidus.

Il faut rappeler que le méthane non utilisé (càd non brûlé) est un puissant GES (Gaz à Effet de Serre), il faut donc contrôler, maîtriser sa production et surtout l’utiliser… bien entendu !

 

Le Biogaz contient une forte proportion de méthane (+ de 60%) mais aussi de l’hydrogène

 

2°) La méthanisation "contrôlée", ou comment l'homme peut "bien faire les choses" en copiant la nature :
Il est relativement simple pour l’homme de ‘’copier’’ ces phénomènes naturels afin de contrôler les processus de la méthanogénèse, et donc de produire du Biogaz …très énergétique !  

Pour résumer très simplement, un méthaniseur sera constitué d’un récipient étanche à l’air pour que les bactéries puissent se développer et ‘’travailler’’, étanche également pour récupérer tout le Biogaz produit.

Une multitude de types différents de méthaniseurs pour le particulier peuvent être envisagés. (Voir les leçons suivantes et les résultats des travaux de recherche appliquée… ).

 

3°) Qu'est-ce que le méthane?
Découvert par Volta en 1778, le méthane est un carbure d'hydrogène de la famille des alcanes(Cn Hn2 ). Le Méthane est très léger (densité par rapport à l'air : 0,55), il ne s'accumulera donc pas au sol, contrairement au butane et au propane, et diminuera les risques d'explosions.

En vue d'un transport, ou stockage, il peut être soit liquéfié (refroidi à -164°C, cas des navires méthaniers) ou comprimé à 100, 200 bars… dans des réservoirs ‘’coûteux’’ !

 

Attention : le gaz dit ‘’naturel’’ est du méthane fossile , sa combustion dégage du carbone fossile et participe donc au changement climatique global. Il serait souhaitable de l’appeler ‘’gaz fossile’’ au lieu de ‘’gaz naturel’’ pour ne plus leurrer les usagers. Le méthane contenu dans le Biogaz est ‘’contemporain’’, il n’a pas d’impact sur l’environnement lorsqu’on le brûle (cycle très court du carbone).

Ces deux hypothèses (liquéfier ou comprimer le méthane)  nécessitent des moyens industriels importants. Il faudrait commencer par extraire le méthane du Biogaz… on se limitera à conserver et utiliser le Biogaz sous forme gazeuse à pression atmosphérique normale.

Le méthane par rapport à sa masse, est le meilleur carburant sur le plan calorifique, mais le plus volumineux par rapport à sa faible densité.

 
Formule générale
: CH4

A température ordinaire il est gazeux. Il est incolore, inodore, très léger et non toxique.

Le méthane brûle avec une flamme très claire, peu visible et très chaude, dont la réaction complète s'écrit ainsi :

CH4 + 202CO2 + 2H20 + 212 K cal (ou 886,16 Kilo Joules ou 0,25 KWh)

 

La quantité de chaleur dégagée est très importante (212 Kcal par molécule brûlée ou 22,4 litres, ce qui donne 13 250 Kcal au kilo ou 9 464 Kcal au mètre cube ou 11KWh/m3). 

Le méthane s'enflamme à 715°C quand il est mélangé dans 5 à 14 fois son volume d'air.

La température de combustion est de 1 500 à 2 000°C (suivant le mélange).

Le mélange d'un volume de méthane et de 2 volumes d'oxygène ou de 10 volumes d'air explose violemment au contact d'une étincelle ou d'une flamme (coup de grisou dans les mines), d'où la nécessité de veiller aux conditions de sécurité et de le stocker brut sans air mélangé.

L'intérêt pratique du méthane est important sur deux aspects :

-Comme combustible industriel, il constitue une source d'énergie considérable.

- Comme matière première, il sert à la fabrication de l'hydrogène, de l'acétylène et se trouve au point de départ de nombreuses synthèses dont celle du méthanol (alcool à brûler).

 

4°) Quelques applications du biogaz et de son méthane :
- Utilisations dans l'habitat individuel ou petites collectivités en zones rurales, villages isolés par exemple en Guyane ou ailleurs…, pour la cuisson des aliments, gazinières, lampes à gaz, eau chaude instantanée (chauffe bain à gaz), groupes électrogènes ou tous moteurs à poste fixe (pompe agricole, groupe de soudure, nettoyeur Haute Pression, etc.). Techniques simples d’adaptation des moteurs thermiques 4 temps à poste fixe.
(Voir leçons suivantes et procédés simples testés en milieu tropical…)

– Lutte contre la déforestation (ex. Haïti) en remplaçant le charbon de bois par du Biogaz.

– Petites entreprises de valorisation et gestion de la part fermentescible des déchets ménagers, production, distribution et utilisation du Biogaz ‘’sur place’’.

– Mise en place de petites unités de méthanisation dans les futurs centres de valorisation des sous produits de la consommation (et non pas des déchetteries !)  par les municipalités, dans tous les types d’élevages, près des zones de cultures agricoles…      (voir leçon N° 2)

- Extension du savoir faire aux pays de la Caraïbe, de l’Amérique du sud, des pays en voie de développement, car peu coûteux, simple à mettre en œuvre, accessible au plus grand nombre !

 

Ces leçons sur l’énergie propre de l'ONG COEDADE RUP basées sur des résultats réels de travaux de recherche appliquée vous permettront d’accéder à cette filière incontournable de la méthanisation contrôlée… et surtout, ces leçons vous permettront de ne plus dépendre des énergies fossiles… pétrole et ses dérivés, gaz butane, propane, charbon de terre… 

 

Leçon N°2 : Que peut on méthaniser pour produire de l’énergie propre ?

  •   Les restes alimentaires des particuliers, cantines, restaurants, hôtels, selfs…
  •   Les déjections animales des élevages (lisiers, fientes, fumiers…)
  • Les résidus agricoles des cultures non traitées… bananes, canne à sucre (bagasse), etc. …
  • Les déchets d’abattoirs, de nettoyage des poissons, cadavres d’animaux …
  • Les denrées périmées des commerces (invendus actuellement mis en décharge !)…
  • Les boues des stations d’épuration, contenus des fosses, vidanges, curages des fossés, des canaux …
  • Les déchets verts (pelouses de jardins, stades, golfs, espaces verts, bords de route …), les fruits tombés à terre, les déchets des tailles des arbres  !
  • Les algues douces ou salées, les jacinthes d’eau des rivières, canaux ou mares (à réhabiliter !)…
  • Les huiles alimentaires (fritures) …
  • Les déchets des transformations agroalimentaires (ex. drèches de brassage des bières … )
  • Les résidus de distillation de la filière ‘’canne – sucre – rhum’’ (de toutes les distilleries) …   
  • Et bien d’autre fermentescibles encore ! (en Métropole par exemple les farines animales ; 900 000 tonnes étaient en attente en 2003 de destruction par incinération !) …

Cela représente des volumes et masses considérables, ce ne sont plus des déchets mais des matières quasiment gratuites et renouvelables.

La méthanisation de ces fermentescibles produit une énergie propre, renouvelable et disponible sur place, sans être tributaire d’importations d’énergie fossiles.

Méthaniser ces déchets fermentescibles, c’est aussi la seule solution pour gérer et traiter intelligemment avec valorisations multiples ces matières au lieu de vouloir les incinérer ou de les enfouir !

La méthanisation contrôlée en amont permet de réduire considérablement les coûts des traitements des OM (Ordures Ménagères) en valorisant sur les lieux de production ces matières au lieu d’être obligé de commencer par les transporter sur route !

 

Leçon N°3 : Les avantages de la méthanisation contrôlée

 

1) Dépollution
            Traitement intelligent, valorisant, peu coûteux en milieu tropical de toutes les matières organiques (fermentescibles) comparé à leur incinération, mise en décharge (illégale), compostage (déchets verts…).

Pour rappel, ce sont les fermentescibles dans nos ordures ménagères qui génèrent ces odeurs désagréables connues de tous !

Dans nos poubelles, ils correspondent à plus de 30% de la masse totale.

 

2) Désodorisation
            Quels que soient les déchets (déjections de toutes natures, déchets d’abattage…), pendant la méthanisation il n’y a plus d’odeurs car cela s’effectue en anaérobiose (absence d’air), en fin de cycle, une légère odeur d’humus, c’est surprenant !

 

 

3) Production d'énergie renouvelable, propre, accessible "sur place"
            Le méthane du Biogaz contrôlé (càd produit volontairement) n’agit pas dans les problèmes d’effet de serre
comme le gaz dit "naturel" ou le butane ou le propane qui correspondent à un destockage gigantesque de carbone fossile !
            Le méthane du Biogaz, ne participe qu’au cycle court ou contemporain du carbone, ce n’est plus un GES (Gaz à Effet de Serre) car vous l’utiliserez. Le Biogaz comporte aussi de l’hydrogène en proportion importante, gaz noble et particulièrement énergétique qui ne produit que de l’eau pure lors de sa combustion.

Effet cumulatif favorable pour lutter contre le changement climatique car le Biogaz produit volontairement correspond à autant de biogaz non dégagé dans l’atmosphère qui aurait été produit ‘’ailleurs’’ par la nature.

 

4) Aseptisation
           En fin de cycle de méthanisation, les résidus de fermentation ne contiennent quasiment plus de germes pathogènes, comparés par exemple à certains déchets d’abattages, ou aux lisiers de porcs et boues des stations d’épurations utilisés actuellement (illégalement) en épandage sur des terres agricoles.

En fin de cycle, ces résidus passent en phase d’aérobiose, ils retrouvent l’oxygène de l’air et poursuivent leur aseptisation naturellement…

 

5) Production d'amendements organiques naturels
            Les résidus de méthanisation ne sont pas des déchets, ce sont des amendements organiques naturels très riches qui remplacent les engrais chimiques. Ces amendements permettent de reconstituer et régénérer les sols pauvres, ils agissent comme accélérateurs naturels de croissance des plantes et limitent l’évaporation. Le recyclage de ces matières est complet.


 

Leçon N°4 : Critères à respecter pour bien méthaniser

Les différentes familles de bactéries qui participent au processus global de la méthanisation ont besoin de certaines conditions pour travailler avec efficacité.
 
On peut classer simplement les principaux axes importants à retenir pour optimiser la production de Biogaz.
 
1°) Broyage ou aspect physique des matières fermentescibles à méthaniser :
Ces matières doivent être broyées le plus finement possible afin de permettre le plus grand contact possible (plus grande surface) avec les bactéries. La dégradation des matières organiques sera meilleure, plus rapide et le mélange ou brassage dans le méthaniseur facilités. Autre avantage, en fin de cycle les résidus seront naturellement ‘’calibrés’’ et plus simplement valorisés, humides ou secs.
Exemples de broyages à envisager : Les restes de nourriture comportant des os, des noyaux de fruits ; les déchets de nettoyage de jardin (feuillages, grandes herbes, branchages, fruits tombés à terre…) ; les déchets d’abattage d’animaux, grosses arêtes ou os de poissons  …etc.
Par contre certaines matières organiques sont déjà broyées ou considérées comme telles : exemples : les lisiers de porcs, les boues de stations d’épuration, les herbes de tonte de gazon, les fumiers de bovins, ovins, caprins non mélangés avec de la paille, fientes de volailles, les contenus des fosses septiques, la bagasse, les drèches de bière …etc.
 
2°) Température dans le méthaniseur au sein des matières organiques :
Le froid ralenti ou arrête pratiquement totalement l’activité des bactéries, c’est pourquoi on utilise des réfrigérateurs et congélateurs pour conserver nos aliments.
L’activité enzymatique des bactéries dépend étroitement de la température. Vers 10°C, cette activité est faible, au dessus de 65°C les enzymes sont détruites par la chaleur. On distingue trois phases de fermentations en fonction de la température:
          - Psychrophile : température entre 10 et 20°C (processus plus lent)
          - Mésophile                   : température entre 30 et 50°C (idéal en milieu Tropical, pays chauds)
          - Thermophile      : température entre 60 et 70°C (plus rapide, mais plus complexe)
 
En milieu tropical, et dans les pays chauds, il n’est pas utile de réchauffer le milieu (d’ou économie d’énergie et simplicité des systèmes de fermentation), on se trouve naturellement en phase mésophile.
S’il faut réchauffer le milieu, il existe diverses méthodes utilisées dans le monde en digestion continue ou discontinue (compléments d’informations dans les leçons suivantes…).
          - Réchauffage externe: par exemple avec un enrobage de fumier, de paille, de tonte de gazon… (La fermentation aérobie externe dégage de la chaleur).
          - Réchauffage interne : circulation dans des tuyaux immergés d’eau chaude provenant de chauffe-eau Solaires ou autre source chaude (cogénération par exemple).
 
3°) Le PH ou acidité du milieu :
Le PH (Potentiel Hydrogène) est défini par un taux de 0 à 14, il est neutre lorsque ce taux est égal à 7. Lorsque le milieu est acide (de 0 à 7), l’activité enzymatique des bactéries est bloquée. En milieu très basique ou alcalin (de 7 à 14), les fermentations produisent de l’hydrogène sulfuré (H2S) qui est l’odeur caractéristique d’œuf pourri et de l’hydrogène (H2). La digestion peut s’effectuer entre les pH de 6,6 à 7,6 avec un optimum entre 7 et 7,2.
 
4°) L’ensemencement initial du contenu du méthaniseur :
Nous vivons en permanence avec un nombre inimaginable de bactéries, il y en a donc naturellement dans les matières organiques à méthaniser, mais en nombre limité.  
Le début rapide d’une bonne fermentation méthanogène demandera un ensemencement initial (amorçage) avec du fumier, lisier de porc, boues de mangroves, de stations d’épuration, liquide de fosse septique… etc.
Les déjections animales de ruminants comme la bouse de bœuf fait démarrer un digesteur plus rapidement et augmente le rendement de la fermentation.
 
5°) Brassage ou agitation et fluidité du milieu:
Il est souhaitable d’envisager le brassage des matières dans le méthaniseur de façon à : Bien mélanger les bactéries qui s’agglomèrent autour des particules de matières  organiques,
- Eviter la formation de croûtes en surface,
- Homogénéiser les matières en digestion pour mieux les dégrader dans leur totalité,
- Faciliter la remontée des petites bulles de Biogaz.
Les solutions sont multiples, certaines nécessitent une traversée des parois pour le passage d’un axe, ou d’un câble électrique avec problème d’étanchéité ‘’durable’’ à résoudre. Certaines solutions simples seront proposées dans les ‘’Leçons de l’énergie propre’’ à venir…
La fluidité du milieu doit permettre aux micros bulles produites de Biogaz de remonter à la surface. Pour cela l’aspect du mélange préparé doit correspondre à une purée fluide et non pas une pâte épaisse. Cette fluidité facilitera également le brassage et les transferts de matières avec des pompes immergées (remplissage du méthaniseur et vidage en fin de cycle).
Attention, il ne faut pas être trop liquide car il y aurait moins de matières et donc moins de production de Biogaz !
 
6°) Nature des matières fermentescibles :
Les matières fermentescibles ‘’entrantes’’ dans le méthaniseur ne doivent pas être ‘’souillées’’ avec des produits chimiques (produits phytosanitaires par ex.), ou des hydrocarbures divers.  Liste non exhaustive de produits ou matières ‘’interdites’’ ; plastiques, métaux, verres, piles, emballages divers, médicaments, sciures de bois traités, ou tout autre matière ‘’non organique’’, c'est-à-dire non ‘’fermentescible’’.
Une attention particulière concerne les risques liés aux déjections animales qui comporteraient des antibiotiques résiduels des traitements de ces animaux. Se renseigner avant car certains éleveurs ‘’abusent’’ de ces traitements. Bien entendu la présence d’antibiotiques peu notablement perturber voire annihiler les différentes phases de la méthanisation.
 
7°) Anaérobiose, milieu liquide à rajouter dans le méthaniseur :
Les différentes phases de la méthanogénèse ne peuvent avoir lieu que dans un milieu exempt d’oxygène (c’est l’anaérobiose). Le plus simple pour obtenir cette condition c’est d’immerger les matières fermentescibles à méthaniser dans de l’eau.
L’eau du robinet ou du réseau contient du chlore ou autres désinfectants, cela retarde considérablement le démarrage de la fermentation, ou peut carrément la rendre impossible par stérilisation du milieu.
Il faut donc utiliser de préférence de l’eau de pluie, de rivière, d’un forage, d’une mare… et ne pas ‘’l’injecter’’ sous pression dans le méthaniseur  pour ne pas oxygéner cette eau !
 
8°) Rapport carbone/azote (C/N) :

Il concerne les proportions de ces deux éléments dans les matières à méthaniser. Ce rapport est optimal aux environs de 30%. Il peut toutefois varier dans d’assez grandes proportions en réduisant relativement peu la production de Biogaz.
L’élément carbone est abondant, on utilisera par exemple des tontes d’herbages verts frais pour l’apport en azote naturel.
Enfin un retour d’expérience et une règle à retenir : plus il y a de matières différentes mélangées à méthaniser et plus il y aura de Biogaz produit… et mieux cela ‘’marchera’’ !