ETAT DE LA VALORISATION DU BIOGAZ SUR SITE ?· La méthanisation des boues (ou digestion anaérobie),…

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  • SYNTHESE TECHNIQUE

    ETAT DE LA VALORISATION DU BIOGAZ SUR SITE DESTATION DEPURATION EN FRANCE ET EN EUROPE

    BONNIER Sophie

    E-mail: sophiebonnier@gmail.com

    Fvrier 2008

    AgroParisTech - Engref MontpellierB.P.7355 34086 MONTPELLIER Cedex 4Tl. (33) 4 67 04 71 00Fax. (33) 4 67 04 71 01

    Lyonnaise des eauxJean-Pierre MaugendreTl. 01 58 18 55 05

    CIRSEEPascal DauthuilleTl. 01 34 80 22 23

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    RESUME

    La quantit de boues issue de station dpuration augmente dannes en annes, posant leproblme de leur devenir. Dautant que leurs dbouchs habituels sont remis en question(valorisation agricole, incinration ou stockage en dcharge) souvent du fait dune lgislationplus contraignante sur leurs impacts environnementaux et de pressions publiques plus fortes.La mthanisation des boues (ou digestion anarobie), procd naturel de dgradation de lamatire organique, permet non seulement aux boues de respecter les critres de stockage endcharge mais aussi damliorer leur stabilit pour lpandage. Aussi, elle facilite les dbouchsaux boues. De plus, la digestion produit du biogaz, qui peut tre rcupr et valoris sousdiffrentes formes nergtiques (production de chaleur, dlectricit). Il permet ainsi desconomies nergtiques et de rpondre aux objectifs de rduction dmission de gaz effet deserre.Cependant, compte tenu des cots dinvestissement et de fonctionnement, le bilan nergtiqueet conomique nest positif que dans le cas de grandes stations dpuration avec des filires eauspcifiques, o le cot dvacuation des boues et les contraintes de voisinage sont forts (enmilieu urbanis par exemple).Dans le contexte actuel de la politique europenne du dveloppement des nergiesrenouvelables, la mthanisation est favorise. Aussi, on peut observer en France et en Europe,une augmentation du parc depuis ces dernires annes, les pays les plus avancs danslutilisation de cette technologie tant lAllemagne et le Royaume-Uni.

    MOTS CLES : station dpuration, valorisation, nergie, biogaz, boue

    ABREVIATIONS, UNITES ET TABLE DE CORRESPONDANCE

    AbrviationsAEAG Agence de lEau Adour GaronneCET Centre dEnfouissement Technique ou ISD: Installation de Stockage de dchetsEH Equivalent HabitantE-SER Electricit produite partir de Source dEnergie RenouvelableGES Gaz effets de serreMS Matire ScheMV Matire VolatileSTEP STation dPurationT - TonneTEP - Tonne Equivalent PtroleUE Union Europenne

    UnitsK Kilo: 103

    M Mga: 106G Giga: 109

    Units du Systme InternationalJ : Joule nergie W : Watt puissance

    Units dnergie souvent utilises dans les calculs de bilan nergtique (AEAG, 2001)KWh : Kilowattheure 1 TJ = 0,278 GWh1 TEP = 11,62 MWh ou 1 TJ = 23,91 TEP

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    INTRODUCTION

    Depuis la Directive du 21 mai 1991, relative au traitement des eaux rsiduaires urbaines, lenombre de stations dpuration (STEP) sest accru augmentant la quantit de dchets produitepar le processus dpuration (+ 62% de production de boues entre 1992 et 2005).En effet, la dpollution des eaux rsiduaires fait appel des procds qui transforment lespolluants en sous-produits solides. Ces derniers se distinguent principalement par leur forme,leur siccit1 et leur teneur en lments minraux et organiques : graisses (0,05% des sous-produits solides), refus de dgrillage (0,18%), sables (0,14%) et boues (99%). Les bouesconstituent donc le principal sous-produit de lpuration. Elles taient jusqualors valorises enagriculture (60% des boues), incinres (20%) ou stockes en Centre dEnfouissementTechnique (20%) (OTV, 1997). Cependant, ces dbouchs sont aujourdhui remis en question.

    Stockage en Centre dEnfouissement Technique (CET)La loi du 13 juillet 19922 (applicable le 1er juillet 2002) introduit la notion de "dchet ultime" :dchet pouvant rsulter ou non du traitement dun dchet et tant non valorisable dans lesconditions techniques ou conomiques du moment. Elle stipule quen 2002, seuls les dchetsultimes pourront tre mis en dcharge de classe II, sous les conditions suivantes : au moins30% de siccit et traitement pralable, thermique (incinration, gazification, thermolyse) oubiologique (compostage, mthanisation). Larrt du 9 septembre 1997, relatif aux installationsde stockage de dchets non dangereux, liste les dchets admissibles dcharge de classe II. Lesboues dpuration figurent en catgorie D : dchets fortement volutifs conduisant laformation de lixiviats et de biogaz.

    Valorisation agricoleLa qualit des boues et les impacts de leur pandage sur lenvironnement soulvent denombreuses questions. Etant issues deaux uses, les boues peuvent contenir des substancespolluantes qui inquitent (lments traces mtalliques ou organiques), mme si de maniregnrale, leurs teneurs sont faibles. Ces craintes rendent lpandage difficile. Par ailleurs, lesproducteurs des boues en sont responsables jusqu leur limination. Ils doivent prouver que laqualit des boues garantit leur innocuit tant pour la sant publique que pour les sols (Gibaud,2006).

    IncinrationFace aux blocages auxquels sont confrontes les deux filires prcdentes, lincinration peutapparatre comme la solution pour les grandes agglomrations. Cependant, ce dbouchsinscrit aussi dans un cadre lgislatif de plus en plus rigoureux (norme de traitement desfumes avant rejet) et est souvent rejet par la population (craintes pour la sant publique).

    Aussi, la mthanisation des boues, qui est un procd naturel de dgradation de la matireorganique, semble tre une solution adquate pour assurer un dbouch aux boues. En effet,elle permet, comme le stipule la loi de 1992, non seulement de rduire la quantit de boues etdeffectuer un traitement pralable mais aussi de les stabiliser, de les hyginiser et donc degarantir leur innocuit. De plus, le biogaz, sous-produit de la mthanisation, peut tre rcupret valoris. Il est essentiellement compos de mthane, lun des principaux gaz effets de serre(GES) et sa valorisation rpond aux objectifs du protocole de Kyoto, de rduction des missionsde GES dici 2012. Ainsi, la mthanisation est un procd qui produit des nergiesrenouvelables, nergie de plus en plus importante dans le contexte daugmentation globale des

    1 Siccit : pourcentage de matire sche contenue dans les boues.2 http://www.senat.fr/rap/o98-415/o98-4154.html

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    prix des nergies et dans le cadre rglementaire actuel qui favorise les nergies de sourceverte. Cependant, quelle est la ralit conomique de cette technologie ? Quels sont sesavantages au sein de diffrentes filires ? Pour rpondre ces questions le processus demthanisation en STEP sera prsent en premire partie. En deuxime partie, une valuationconomique et nergtique sera effectue afin de pouvoir comparer diffrentes filires eau etboues. Enfin, dans les dernires parties, le positionnement de la digestion anarobie en Europeet les leviers du dveloppement de ce secteur seront dvelopps.

    LA PRODUCTION DE BIOGAZ EN STATION DEPURATION

    0 Le processus de mthanisation : des boues au biogaz

    La mthanisation (ou digestion anarobie) est un processus naturel de dgradation de lamatire organique par une flore microbienne, en condition anarobie. On distingue trois tapeslors de la digestion anarobie (mme si dans la ralit, elles tendent se produiresimultanment). (Figure 1)

    Figure 1- Les tapes de la digestion anarobie

    La mthanisation ncessite certaines conditions physico-chimiques pour optimiser la ractionbiologique. Elle peut tre ralise en rgime msophile (30-40C) ou thermophile (45-60C) etavec un pH entre 6,5 et 7,2. Le fonctionnement du digesteur est le suivant (Figure 2) :

    Figure 2 Fonctionnement du digesteur

    Une partie du biogaz et des boues estrecircule afin dassurer le brassage desboues et leur chauffage.Le temps de sjour est denviron 25 joursen rgime msophile, mais il arrive quelon recoure une digestion thermophile(3 jours 55 C) puis msophile (10jours 37C) pour diminuer les volumesdes ouvrages.Mme si la siccit des boues nest pasmodifie, labattement de la pollution estconsquent : 50% de la matireorganique (cet abattement moyendpend des charges admises de DBO5,et des filires eau en amont).

    2 : Actognse

    20 %

    28 %

    52 %24 %

    72 %

    4 %

    76 %

    Matires organiques(Saccharides, Protines, Lipides)

    AlcoolsAcides organiques

    (sauf Actate)

    ActateH2 CO2

    CH4 CO23 : Mthanognse

    1 : Hydrolyseet

    Acidognse

    Etapes:Conduite dans des enceintes

    confines, appeles digesteurs, lintrieur desquelles les ractionsde fermentation sont optimises etcontrles, elle produit du biogazcompos majoritairement demthane (CH4) 65%, de dioxydede carbone (CO2) 35% etdhydrogne sulfur (H2S). (AEAG,2001)

    Extractionbiogaz

    Circuit biogaz : injectiondans des cannes pour lebrassage des boues

    Surverse bouesdigres

    Arrivebouesfraches

    Circuit de chauffagedes boues

    Extraction bouesdigres

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    0 Les avantages de la mthanisation

    La mthanisation rduit considrablement la quantit de boues : abattement de 35 40% dutaux de matire sche (MS) et de 50 % des matires volatiles (MV)3. Cet abattement dpend dela nature et de la fermentescibilit des boues, du temps de sjour, du brassage et de latemprature. (AEAG, 2001)

    La mthanisation permet aussi de stabiliser les boues : la charge organique est rduite, ce quiattnue le pouvoir fermentescible et les nuisances olfactives qui en dcoulent. La stabilisationdes boues facilite la gestion du stockage, du transport et la manutention. De plus, lpandage negnre plus de nuisance et le stockage en CET ne gnre plus de gaz et trs peu de lixiviats.

    Un autre atout de la digestion anarobie est lhyginisation des boues du fait de la rductiondes germes pathognes. En rgime msophile, une grande partie des bactries, virus etparasites sont dtruits, gnralement dun facteur 10 100. En rgime thermophile, le tauxdabattement est plus efficace pour des temps de sjour moindres. Lors de la mthanisation, onobserve de plus une rduction des risques de toxicit des lments traces (pigeage desmtaux sous une forme non disponible pour les organismes vivants) et une rduction desteneurs en contaminants organiques (hydrocarbures halogns). (AEAG, 2001)

    Ainsi, aprs la digestion anarobie, les boues sont stabilises, hyginises et leur volume estrduit. Elles remplissent donc les conditions ncessaires lpandage et aprs schage oudshydratation, lorsque la siccit est suprieure 30%, elles deviennent alors des dchetsultimes susceptibles dtre stocks en CET.

    La digestion offre en outre une grande flexibilit la filire boues, grce la capacit destockage du digesteur qui permet de lisser les variations de la production de boues et de lesstocker sans nuisances.

    Enfin, lune des grandes proprits de la mthanisation est la production de biogaz, une nergierenouvelable et stockable, qui peut tre convertie en diffrentes formes dnergie utile. Elle viteainsi des missions de GES lorsque les boues sont stockes en CET et contribue la luttecontre leffet de serre.Aussi, le biogaz peut tre valoris sur la filire boue pour en amliorer le rendement. A titredexemple, la chaleur produite peut tre utilise pour le schage des boues ou pour favoriserleur incinration.

    0 Les modes de valorisation du biogaz

    Le biogaz est gnralement valoris sous forme de chaleur et dlectricit. La chaleur estutilise pour chauffer le digesteur, les locaux et parfois pour scher les boues, et llectricitproduite est consomme par la STEP. (AEAG, 2001) Le Tableau 1 synthtise les voies devalorisation existantes du biogaz : filires tablies ou plus rares.

    3 La matire sche est compose de matire minrale et de matire volatile (assimile la matire organique). Pourdes boues daration prolonge labattement est de 30% des MS et 40% des MV. (AEAG, 2001)

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    Technique Stade dedveloppement Intrt Inconvnient Ralisations

    FILIRES MATURESProduction de chaleur pour lechauffage du digesteuruniquement, avec liminationde lexcdent en torchre oupar arothermes

    Cas gnral enFrance

    Faible proportiondnergie valorise

    Production de chaleur pour lechauffage des locaux Cas frquent

    Meilleurevalorisation delnergie

    Faible proportiondnergie valorise(faible part de laproduction debiogaz)

    Utilisation du biogaz pour desbesoins thermiques de laSTEP : schage des boues,conditionnement thermiqueavant dshydratation,combustible dappoint pourlincinration des boues

    Assez frquentUtilisationoptimale delnergie

    Rserv aux plusgrandes STEP

    - Schage des boues :Nancy, St Brieuc, Limoges- Conditionnementthermique : SIAAP Seine-Aval, Marseille- Combustible dappointSIAAP Seine-Amont

    Cognration (productioncombine dlectricit et dechaleur) par moteur gaz,turbine gaz, moteur dual-fuel (biogaz + fioul)

    Cas gnraldans les paysbnficiant detarifs attractifsdachatdlectricitrenouvelable

    Utilisationquasi-optimalede lnergie

    Surplusthermiques valoriser

    Cherbourg (station est)

    Moto-compresseurs pourlaration des bassins

    Cas rareaujourdhui

    Pas dercupration dechaleur

    SIAAP Seine-AvalCUB Louis Fargue

    FILIRES PLUS RARES

    Pile combustible4Utilisationoptimale delnergie

    1 en Allemagne Cologne

    Gaz carburant1 Lille, plusieurs enSude (Eslv, Trollhttan,Gteborg)

    Gaz naturel inject surrseau public

    Complmentairedes autresapplications

    Contrainteslogistiques (flottede vhicules)

    Allemagne (Stuttgart),Pays-Bas (Tillburg),Suisse

    Tableau 1 - Voies de valorisation du biogaz : filires matures et mergentes (AEAG, 2001)

    0 Inconvnients et craintes induits par la mthanisation

    Les points ngatifs attribus la digestion anarobie (AND International, & al., 2005) portent surle fait quil ne sagit que dun procd de pr-traitement, qui ne rsout que partiellement leproblme des boues (limination ou recyclage de la matire organique), sans effet sur lephosphore et lazote.Par ailleurs, certains postes semblent mal matriss, notamment en ce qui concerne le biogaz :le comptage, llimination de lH2S, et la valorisation par co-gnration ou par dautres voies.

    4 Une pile combustible permet la production de chaleur et d'lectricit partir de biogaz. Par comparaison avec lesmthodes classiques de production d'lectricit, les piles combustible offrent des avantages dterminants mais ellesprsupposent des investissements trs levs.

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    Certaines installations prsentent des dysfonctionnements dus en majorit une surcharge dela chane de digestion, parfois une mauvaise connaissance des rgles de lart et plus rarement quelques dfauts de conception. Ces dysfonctionnements peuvent conduire desperformances moindres : faible taux dabattement des MV, non-autonomie nergtique, cotsdexploitation levs.De plus, la mthanisation souffre dun dficit dimage. Elle semble tre alatoire (manque derfrence), complique (modes de production, transport du gaz), incertaine (dbouchs pour ledigestat, dure de la garantie des prix dachat de lnergie produite, prennit de la clientle),non matrise (exprimental) et prsentant des risques (incendie, toxicit). (Solagro, 2002)Aussi, la prsence de biogaz ncessite le respect de rgles de scurit pour viter les risquesdincendie, dexplosion ou dintoxication. Lexploitant est responsable de la dfinition des zones risques dexplosion (primtre de scurit autour du digesteur, du gazomtre, descanalisations gaz) dans lesquelles sappliquent des rgles lmentaires de scurit: flammeinterdite, aration des espaces confins, quipement de protection du personnel (explosimtreet dtecteur dH2S portables en cas dintervention en zone risque, masques). (AEAG, 2001)

    EVALUATION ECONOMIQUE ET ENERGETIQUE DE LA METHANISATION

    Lintrt principal de la digestion anarobie des boues est la possibilit de produire de lnergie partir du biogaz quelle libre. Dans cette partie, un bilan des cots et desconsommations/productions nergtiques est effectu afin de dterminer si la mthanisation estun procd intressant et rentable.

    0 Les cots : investissement et fonctionnement

    Linvestissement varie selon la taille de la station. La Figure 3 intgre les cots du digesteur, deses quipements, le circuit biogaz (compresseur, stockage, chaudire), le chauffage desdigesteurs, tuyauterie, lectricit, automatismes et gnie civil. Le Tableau 2 rassemble des cotsdexploitation.

    Tableau 2 Bilan des cots dexploitation partonne de Matire Sche initiale (AEAG, 2001)

    Figure 3 Cot de linvestissement (AEAG, 2001)

    5tMS initiale : Tonne de Matire Sche insre dans le digesteur

    /TMS initiale5

    Exploitation (fonctionnement,entretien, maintenance, nergie)

    20 40

    Conduite (surveillance desparamtres : MS, MV, pH, TC)

    5 8

    Entretien de la chane de digestionet de biogaz

    2 4

    Maintenance dcennale 8 15Electricit 3 12Total 38 79

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    0 Bilan nergtique de la digestion anarobie

    Production de biogaz et valorisation nergtiqueLa production de biogaz est fonction de la filire eau et des boues (plus ou moinsfermentescibles). La production dnergie dpend proportionnellement de la quantit de MSdgrade : 220 m3 CH4 / T MS.

    Tableau 3 Rendements des voies devalorisation (AEAG, 2001) (Solagro, 2002)

    Dpense nergtique de la mthanisationCes dpenses sont couvertes par la production dlectricit de la mthanisation. (Tableau 4)

    Postes de consommation % de lnergie produite- Chauffage des digesteurs 35 40 kWh/T boue 30 %- Electricit (brassage dans le digesteur, pompage,circulation des boues)

    5 %

    Tableau 4 Dpense nergtique de la mthanisation (AEAG, 2001)

    Economies permises par la digestion : sur les traitements avals, lvacuation finaleLe bilan nergtique doit tenir compte de la rduction des consommations induites par ladiminution des quantits de boue traiter. (Tableau 5)

    Traitement de bouesdigres dshydrates :

    Economie(KWh/ T MS initiale)

    Epandage 15 20Compostage 20 30Schage thermique 30 40Incinration 100 150

    Tableau 5 Economie dlectricit sur lestraitements de boue (AEAG, 2001)

    IncinrationEn diminuant la teneur en MV, la digestion diminue le pouvoir calorifique, ce qui entrane unrisque de diminution de lauto-combustibilit. Cependant, en fonction de la teneur initiale en MVet de leur taux dabattement, on peut calculer la siccit minimale atteindre pour obtenir lauto-combustion. A titre dexemple, lorsque la teneur initiale en MV est de 70% et que labattementest de 35 % alors la siccit minimal doit tre de 27%, si labattement est de 55%, la siccitminimale doit tre de 31%. (AEAG, 2001) En cas de non atteinte de cette siccit minimale, lebiogaz peut tre utilis pour fournir lnergie ncessaire.

    Evacuation finaleGnralement facture la tonne de boues en sortie, son cot est inversement proportionnel la teneur en MS. Les conomies sont proportionnelles au taux de dgradation. Elles sontdautant plus leves que les contraintes dvacuation sont fortes.

    Chaleur Electricit AutreChaudire 80 90 % -Moteur gaz 45 55 % 33 36 %Turbine gaz 60 70 % 20 25 %Cognration 70 90 %Conversion en gaznaturel ou carburant

    85 %

    Schage thermiqueLe biogaz peut fournir la totalit de lnergiencessaire au schage, sauf lorsque la siccitdes boues est trop leve (Annexe 2). En effet,le bilan nergtique est troitement li au tauxde dgradation de la MS et la siccit desboues en sortie de dshydratation.

    Ainsi, comme dmontr en Annexe 1, unEquivalent-Habitant produit 4,4 m3 CH4 /anor sachant que 1 m3 CH4 = 856.10-6 TEPalors, 1 EH = 3,7610-3 TEP1. Cette nergieprimaire peut tre transforme grce diffrents procds, avec des rendementsvaris. (Tableau 3)

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    Bilan

    Cette valuation nergtique et conomique permet de conclure que la rentabilit de ladigestion anarobie dpend fortement du contexte dans lequel est implante la STEP. A diredexperts, la mthanisation sera recommande si la STEP a une forte capacit (100 000 EH), siles cots dvacuation des boues et les contraintes de voisinage sont fortes, si la destination desboues est lpandage, le schage ou lenfouissement, et si les boues sont des boues primairesou des boues biologiques moyenne ou fortes charges. A contrario, une situation dfavorablepour la digestion serait de faibles cots dvacuation, des boues daration prolonge seules,une STEP de faible capacit et labsence de contraintes de voisinage.Le Tableau 6 permet de faire un bilan des gains et des cots dexploitation lis lamthanisation. Dans cet exemple, on considre une STEP de 500 000 EH avec une productionde MS de 10 000 TMS / an (siccit de 30%). La filire boue est constitue dun schagethermique puis dun pandage (70% des boues) ou dun enfouissement (30%).

    STEP sansdigesteur

    STEP avecdigesteur Ratios utiliss

    Cot dexploitation 0 600 k/an Tableau 2 : 60/T MSProduction dnergie etGain exploitation du biogaz

    0

    2 200 000 m3 CH4soit 1883 TEP= 21 880 MWhSi co-gnration,rendement 70 % :15 316 MWh= 1838 k

    220 m3 CH4 / T MS1 m3 CH4 = 856.10

    -6 TEP1 TEP = 11,62 MwhRendement cognration: 70 % (tableau 3)Base de revente : 12 ct

    Consommation nergtique dudigesteur 0

    660 TEPsoit 7669 MWhsoit 383,5 k

    Tableau 4 : 35% de laproduction dnergie1 TEP = 11,62 MwhBase dachat : 5 ct

    Quantit de MS aprs digestion 10 000 TMS 6 000 TMS Taux dabattement desMS : 40%Consommation des traitementsboue en aval(schage thermique objectif desiccit : 80%)

    20 833 T eau vaporerSoit 19 167 MWh= 958 k

    12 500 T eau vaporerSoit 11 500 MWh= 575 k

    Energie requise pourlvaporation: 0.92kWh/kg eauBase dachat : 5 ct

    Cot dvacuation des boues

    EpandageCentre de stockage de dchets

    Epandage : 210 kCET : 150 k

    Epandage : 126 kCET : 90 k

    Epandage : 30/T MSCentre de stockage : 50/T MS en considrantles boues dshydrates 25 %

    BILAN - 1318 k/an + 63.5 k/an

    Tableau 6 Bilan nergtique et conomique de la digestion

    Ce tableau montre, au regard des cots dexploitation uniquement, quil serait conomiquementrentable pour cette STEP de 500 000 EH dinstaller un digesteur. Le gain annuel serait de1381,5 k, soit une conomie de presque 30% par rapport la situation sans digesteur.Cependant, cette analyse ne prend pas en compte les cots dinvestissement du digesteur quiseraient dans ce cas de 4 million (Figure 3). En considrant le gain annuel de 1381,5 k, leretour sur investissement sera ralis en 2,9 ans.

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    POSITIONNEMENT EN FRANCE ET EN EUROPE

    Avant la fin des annes 1970, le biogaz ntait pas exploit. Ctait un produit secondaire,toxique et difficile valoriser : il tait brl ou relch dans latmosphre. Cependant, lorsquedes tensions apparurent sur le march de lnergie, la perception de cette source changea.Pendant les annes 1940-45, puis pendant la crise de Suez (1956-57) et celle du ptrole de1973 1985, la valorisation du biogaz traversa des cycles de dveloppement suivi dergressions. Cest seulement lorsque la protection de lenvironnement devint une priorit la findes annes 1980 et lorsque des mcanismes incitatifs furent mis en place, que la mthanisationet lutilisation du biogaz purent tre dvelopps. (Solagro, & al., 2001) De plus, elle estaujourdhui favorise par la tendance dveloppement durable et la prise de conscience durchauffement climatique.

    Tableau 7 Age du parc (ANDInternational, & al., 2005)

    Stations (> 30 000EH) avec digesteurs > 108

    Capacit totale 20 millions EH

    Boues traites 420 000 T/ an de MSBoues limines 170 000 T/ an de MSProduction debiogaz 94 millions de m

    3/ an CH4

    Energie valorise Chaleur : 33 000 TEP/ anElectricit : 89 GWh/ an

    Tableau 8 Etat des lieux de la digestionanarobie en France en 2001 (AEAG, 2001)

    En Europe, la production de biogaz a augment de 5 % entre 2005 et 2006 (Tableau 9) avecune production totale (toute source confondue) en 2006 de 5 346 KTEP : ce volume necomprend que la production destine tre valorise, pas celle brle en torchre.

    Mise en route desdigesteurs %

    Avant 1970 17 %1971 - 1980 21 %1981- 1990 27 %Aprs 1990 35 %Total 100 %

    En 2005, le nombre de STEP quipes dedigesteurs est de 83 STEP(capacit > 30 000 EH) et de 60 petites STEP(< 30 000 EH), avec une capacit totale de21,6 millions EH (AND International, & al.,2005). Au dbut des annes 2000, on observedonc une tendance la rduction du parc enFrance (abandon de la digestion par 23 STEPde plus de 30 000 EH) (AND International, &al., 2005). Le motif dabandon est rarement liaux performances, mais plutt au mode depassation des appels doffres, souventdfavorables la mthanisation lorsque lesseuls cots dinvestissement sont pris encompte. (AND International, & al., 2005)

    En France, les procds anarobies ont t utiliss tt pourle traitement des boues et les stations les plus anciennesencore en activit, remontent la fin des annes 40.Comme le montre le Tableau 7, le parc de digesteursapparat relativement ancien.En 2001, un tiers des boues sont mthanises (Tableau8) et 60% de lnergie produite est valoris sous formedlectricit ou de chaleur.

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    Figure 4 - Production d'nergie primairebiogaz par habitant en 2006 (EurObserv'ER, 2007)

    Donnes Eurobserver

    2006Production de biogaz (KTEP)

    De 2005 2006

    ESTIMATIONS 2006

    BiogazdeSTEP

    Biogaztoutessourcesconfondues

    PartbiogazSTEP surtoutes lessources

    Evolution dela productiondu biogaz deSTEP

    Population(1000 hab.)

    Vol. de MS(TMS/an)

    BiogazSTEP(KTEP)

    Atteinte dupotentiel deproduction(KTEP)

    Allemagne 370 1932 19% 0% 82 658 1 653 165 311 119%UK 181 1696 11% 1% 60 099 1 201 974 226 80%Italie 1 354 0% 0% 58 349 1 166 988 220 0%Espagne 57 334 17% 0% 43 451 869 027 164 35%France 75 227 33% 0% 60 458 1 209 159 228 33%Pays-bas 51 119 43% 0% 16 402 328 042 62 82%Autriche 4 118 3% 23% 8 165 163 291 31 11%Danemark 24 94 25% 1% 5 424 108 480 20 115%Pologne 66 94 70% 62% 38 080 761 591 143 46%Belgique 25 83 30% -1% 10 452 209 040 39 64%Grce 15 70 22% -2% 11 123 222 462 42 36%Finlande 13 64 20% 0% 5 245 104 902 20 64%Rp. Tchque 31 60 52% -1% 10 184 203 670 38 81%Irlande 5 35 14% 0% 4 126 82 530 16 31%Sude 21 33 63% 11% 9 045 180 910 34 62%Hongrie 7 11 70% 37% 10 074 201 481 38 19%Slovnie 1 8 13% 36% 2 003 40 057 8 15%Slovaquie 4 5 90% 0% 5 371 107 414 20 21%UE 949 5347 18% 5% 453 079 9 061 570 1 706 56%

    Tableau 9 - Production d'nergie primaire de biogaz dans l'UE (EurObserv'ER, 2007)

    Les gisements principaux sont lebiogaz de dcharge, de STEP, lesunits dcentralises agricoles, lesunits de mthanisation des dchetsmunicipaux solides et les unitscentralises de codigestion. Aussi,parmi les 5 346 KTEP, la part de laproduction de biogaz de STEP est de18 %. En 2006, lAllemagne tait le plusgrand producteur de biogaz en Europe.(Tableau 9) Cependant, lorsque laproduction est rapporte par habitant(Figure 4), le Royaume-Uni apparattre cette fois le plus grand producteurtandis que la France montre un francretard

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    UK All,

    Lux,

    Dane

    mark

    Autric

    he

    Finlan

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    Irland

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    Sud

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    Hong

    rie

    Slov

    aquie

    Portu

    gal

    UE

    TEP/1000 Hab

  • 12

    Les 4 premires colonnes du Tableau 4 sont issues du rapport Eurobserver (2007) et permettentde connatre la production de biogaz en 2006, partir de STEP et partir de toutes les sourcesconfondues. Ces donnes permettent de plus de connatre lvolution de la production entre2005 et 2006. Cependant, cette variation nest pas reprsentative de la dynamique actuelleobserve dans chacun des pays. En France par exemple, la rglementation na t mise enplace quen 2006, la production de biogaz verra une plus forte augmentation en 2007.Les 4 dernires colonnes du Tableau 4 sont des estimations effectues pour dterminer lepotentiel de production de biogaz de chacun des pays. En considrant le ratio de production deboue 0,02 TMS / hab / an identique dans chaque pays, le volume annuel de MS produit a tdtermin. Puis, en faisant lhypothse que toutes les boues seraient mthanises et en utilisantle ratio de production de mthane : 220 m3 CH4 / TMS, on obtient le volume de biogaz potentiel.Enfin, un dernier ratio permet destimer lnergie (en tonne quivalent ptrole) reprsente par levolume de mthane : 1 m3 CH4 = 856.106TEP. Les ratios utiliss sont expliqus en Annexe 1.Enfin, un pourcentage datteinte du volume potentiel de biogaz, par la production relle estcalcul.

    Mme si cette estimation comprend beaucoup dhypothses grossires, elle met en vidence lefait que lAllemagne et le Danemark ont dj atteint des taux de valorisation du biogazconsquents compte tenu de leur population. De plus, elle montre que lItalie, lEspagne et laFrance ont une trs faible production en 2006 par rapport leurs capacits. Pour effectuer unmeilleur bilan entre les pays, il aurait t ncessaire de connatre pour chaque pays, le tauxannuel de production de boue, la part de ces boues qui sont mthanises, le volume de biogazproduit et la part de biogaz valoris.

    FACTEURS DE DEVELOPPEMENT DE LA METHANISATION : REGLEMENTATION, PRIX

    Plusieurs facteurs favorisent le dveloppement de la digestion anarobie. Par exemple, leproblme du devenir des boues, voqu en introduction, peut tre considr comme favorableau dveloppement de la mthanisation dans la mesure o elle facilite leurs dbouchs.Cependant, les principaux leviers sont le contexte du protocole de Kyoto, la rglementation etlincitation la production dlectricit verte.

    La directive 2001/77/CE, fixe pour objectif europen de produire 21% dlectricit partir desources dnergie renouvelable (E-SER) d'ici 2010. La directive prvoit ainsi que les tatsmembres doivent faciliter laccs des producteurs dnergie renouvelable au rseau (incitationconomique : tarif de rachat, certificat vert, incitation fiscale), rationaliser et faciliter lesprocdures dautorisation et instaurer un systme de garanties dorigine. (Commission descommunauts europennes, 2005) Les incitations permettent de rendre les filires deproduction dlectricit verte plus rentables car elles sont gnralement plus coteuses que lesfilires classiques (lectricit grise ). Le tableau6 suivant rsume pour les pays europens,les incitations en vigueur et les prix de llectricit verte pratiqus.

    6 Sauf lorsque la source est prcise, les informations de ce tableau ont pour origine : (EREF, 2007)

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    Prix (/kwh) Systmedincitation

    Prcisions

    Allemagne Tarifs 2007- units < 500 kW : 0,0733/kWh- units < 5 MW : 0,0635/kWh

    Tarif dachat ESER Prix valables pour les installations commandes en2006, pour un fonctionnement de 20 ans. Ces tarifssont augments de 0,02/kWh, si llectricit estproduite partir dune technologie innovante,comme la pile combustible ou la turbine gaz

    Autriche Biogaz100 kW : 0.165100 kW to 500kW: 0.145500 kW to 1MW : 0.125>1 MW : 0.103

    Tarif dachat ESER Depuis le 1 janvier 2003, les tarifs de rachat de lE-SER ont t standardiss au niveau national. Cestarifs sont appliqus aux nouvelles installations(ayant obtenue une licence entre le 1/01/2003 et le31/12/2004) pour une dure de 13 ans.

    Belgique Wallonie

    Prix minimum des CG : 0.02Tarif de pnalits : 0.1

    Une part de llectricit vendue aux clients finauxdoit avoir t produite en Wallonie, partir de SERet de cognration de qualit. Ce pourcentage estde 7% pour 2007 et augmente de 1% / an pouratteindre 12% en 2012. Les certificats vertspermettent de certifier lorigine de llectricit et ontune dure de validit de 5 ans.

    Belgique Flandre

    0.1096 (prix du march des CV avecgarantie dorigine)0.110 (sans garantie dorigine)

    La garantie dorigine a t mise en place par unamendement du dcret du 5/03/2004 en juillet 2005.

    Belg. Bruxelles 0.07 (prix moyen des CV 2006)

    Certificats verts,Obligation de quota

    Bulgarie - Certificats verts,0bligation de quota

    Les certificats verts ont t mis en place en juillet2006.

    Chypre 0.0642 Tarif dachat ESERDanemark 0.08 pour 10 ans

    0.054 pour les 10 annes suivantesTarif dachat ESER(mcanisme deprimes fixes)

    Pour avoir accs aux subventions, lutilisation debiogaz ne doit pas excder 8 PJ/an

    Espagne March libre 0.094Prix rgul 0.069

    Tarif dachat ESER Il existe 2 possibilits de vente de lESER: sur unmarch libre ou un prix rgul, avec pour les 2,des primes.

    Estonie 0.05175 Tarif dachat ESERFinlande 0.074 Subvention Le prix comprend dune part le prix du march mais

    aussi des dductions de taxes et des aides linvestissement pour les nouvelles technologies.

    France Prix global : 0.12Dcomposition : Arrt du 26 juillet2006 - Pour un contrat dune dure de15 ans, tarif :- 0,075 0,09/ kWh selon lapuissance- prime lefficacit nergtique entre0 et 0,03/kWh- prime la mthanisation 0,02/kWhCes prix ne sappliquent pas auxcontrats dj en cours la date depublications du JO. Aussi, ces contratsdemeurent rgis par les conditions delarrt du 16 avril 2002, pour lescontrats de 15 ans :- 0,046/kWh- prime lefficacit nergtique entre0 et 0,012/kWh

    Tarif dachat ESER+ prime

    On observe une forte volont dinciter laproduction dlectricit partir de sources dnergierenouvelable (E-SER), en rponse aux objectifs dela directive 2001/77/CE. Ainsi, lanne 2006 amarqu un tournant dans le dveloppement de lafilire. La production dlectricit SER qui a peuaugment, entre 2005 et 2006, devrait donc monteren puissance au cours des prochaines annes.(J.O., 2006)

    Grce Continent : 0.073 ; Iles : 0.0846 Tarif dachat ESERHongrie Priode de pointe : 0.099

    Hors priode de pointe : 0.087Les priodes les plus basses horspointe : 0.035

    Tarif dachat ESER,variable selonpriode de pointe

    Le tarif change selon les horaires.

    Irlande 0.072 Tarif dachat ESER

  • 14

    Italie 0.1253 (en 2006) Certificats verts,Obligation de quota

    En Italie, les producteurs et les importateurs ontrecours des certificats pour prouver quils ontrempli leur obligation lgale de fournir une partdlectricit de SER (2,7% en 2007). Le prix est fixpar un comit ministriel et diffre selon lescatgories (EurObserv'ER, 2007)

    Lettonie Obligation de quotaLituanie 0.058 Tarif dachat ESERLuxembourg >1 kW et < 500 kW : 0.102 (+ 0.025)

    > 0.5 MW et 3 MW et

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    (/kWh)Prixlectricitverte

    Prix lectricitgrise TTC(Observatoirede l'Energie,2007)

    prix(gris -vert)

    Allemagne 0,0684 0,195 0,127Autriche 0,134 0,155 0,021Belgique 0,085 0,158 0,073Bulgarie - 0,066 -Chypre 0,0642 0,137 0,073Danemark 0,08 0,258 0,178Espagne 0,0815 0,122 0,041Estonie 0,052 0,075 0,023Finlande 0,074 0,116 0,042France 0,1175 0,121 0,004Grce 0,0788 0,072 -0,007Hongrie 0,074 0,122 0,048

    (/kWh)Prixlectricitverte

    Prix lectricitgrise TTC

    prix(gris -vert)

    Irlande 0,072 0,166 0,094Italie 0,1253 0,233 0,108Lettonie - 0,069 -Lituanie 0,058 0,078 0,020Pays-Bas 0,013 0,218 0,205Pologne 0,056 0,118 0,062Portugal 0,108 0,15 0,042Roumanie 0,045 0,01 -0,035UK 0,06 0,132 0,072Slovaquie - 0,154 -Slovnie 0,1475 0,106 -0,042Sude 0,067 0,171 0,104

    Tableau 11 - Prix dachat de llectricit verte dans certains pays dEurope

    Le levier est important lorsque : prix < 0 ou = 0. Aussi, la Roumanie, la Slovnie et la Grcesont les pays pratiquant une incitation forte. Les plus faibles aides au dveloppement sont cellesmises en place par la Sude, lItalie, lAllemagne, le Danemark et les Pays-Bas. Ces rsultatssont tonnants dans la mesure o certains de ces pays (All., Italie) font partie des plus grandsproducteurs de biogaz en 2006 (Tableau 9). On ne peut donc pas tablir une corrlation directeentre le levier prix de llectricit verte et le niveau de production.Par ailleurs, le prix de llectricit grise, mentionn dans le tableau prcdent, est le prix pratiqupour les mnages. Or les industries bnficient souvent de prix infrieurs. A titre dexemple, enFrance, pour des priodes longues en priode de pointe, le tarif pour les industries est de0,1015 /kWh en 2007 (et est divis par 2 en priode creuse) tandis quil est de 0,1325 pour leshabitants. (Observatoire de l'Energie, 2007)

    CONCLUSION

    Jusquen 2005, en France, la digestion apparaissait globalement dans une logique de fin devie contrairement au domaine des dchets mnagers o elle fait figure dalternative vertueuse lincinration. (AND International, 2005)Cependant, aujourdhui en Europe, le secteur de la mthanisation est amen changer dimageet voluer plus rapidement du fait de lapplication de la directive 2001/77/CE. De plus, enparallle des aspects rglementaires, des volutions technologiques permettent, elles aussi, defaire progresser le secteur, notamment en amliorant les rendements de productionnergtique. Les principaux axes de dveloppement, pour lesquels il existe peu debibliographie, sont les suivants : co-digestion, digestion avance et pile hydrogne. Ainsi,selon des documents internes de Suez Environnement, la co-digestion qui consiste digrerdans un mme ouvrage des boues dpuration et dautres dchets fermentescibles comme desbiodchets municipaux, permet datteindre un taux dabattement des MV 65 % (contre 55% endigestion anarobie simple) et la pile hydrogne associe une co-digestion atteint unrendement de 100%. De plus, ce procd est intressant du point de vue technique car ladiversification de lalimentation des digesteurs est garante dune meilleure stabilit des procdsde digestion.

  • 16

    Cependant, tant donn les cots dinvestissement ncessaires, le dveloppement de lamthanisation est fortement dpendant daides conomiques. Cest pourquoi, pour assurer unavenir plus stable ce process, il faudra diminuer lincertitude gnrale ressentie, engarantissant par exemple, des dures de contrats de rachat de plus en plus longs. Ainsi, mmesi elle a longtemps connu des cycles de progression - rgression, la valorisation du biogaz destation dpuration semble aujourdhui, et pour quelques annes encore, voluer positivement.

  • 17

    BIBLIOGRAPHIE

    AEAG, 2001. La digestion anarobie des boues urbaines , tat des lieux, tat de l'art.Toulouse, Agence de l'Eau Adour Garonne. 36 p.

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    AND International, GDF & ADEME, 2005. Le march de la mthanisation en France :Hypothses d'volution 5 et 10 ans. Paris, AND International, 11 p.

    Commission des communauts europennes, 2005. Aide en faveur de l'lectricitproduite partir de sources d'nergie renouvelables. Communication de lacommission, p. 52.

    EREF, 2007. Prices for Renewable Energies in Europe: Feed in tariffs versus QuotaSystems - a comparison - Report 2006/2007. European Renewable EnergiesFederation. 75 p.

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    J.O., 2006. Arrt du 10 juillet 2006 fixant les conditions d'achat de l'lectricit produitepar les installations qui valorisent le biogaz. Journal Officiel, 26 juillet 2006, texte22.

    Observatoire de l'Energie, 2007. Prix du gaz et de l'lerctricit en europe au 1er janvier2007. Energie & matires premires.

    OTV (Ed.) 1997. Traiter et valoriser les boues. St Maurice (Fr), OTV, 457 p., Vol. 2.Solagro, 2002. Quelle place pour la mthanisation des dchets organiques en Ile-de-

    France, Phase 1. Toulouse, Solagro. 127 p.Solagro, EDF & Ademe, 2001. From biogaz to energy, an european overview :

    regulatory, fiscal, economic and political context for developpement. Toulouse,Solagro. 55 p.

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    ANNEXE 1 Dtail du calcul des ratios

    Selon louvrage (OTV, 1997), 1000 habitants gnrent entre 15 et 25 TMS/an. Ainsi obtient-on leratio moyen de production annuelle de matire sche par habitant : 0,02 TMS/hab/an.

    Lors de la mthanisation, 55% de la MV et 40 % de la MS sont abattus. (AEAG, 2001) Lamatire sche tant compose de matire minrale et de matire volatile (assimile organique),la mthanisation peut tre schmatise comme ci-dessous :

    Avant la mthanisation Aprs la mthanisation

    Figure Dgradation de la Matire Sche au cours de la mthanisation (AEAG, 2001)

    La production de biogaz dpend proportionnellement de la quantit de matire volatile dgrade(MVd) selon le ratio suivant : 550 m3 CH4 / T MVd.

    En considrant, comme le propose la figure prcdente MVd = 55 % MV ou MVd = 40 % MSalors 550 m3 CH4 / T MVd quivaut 220 m3 CH4 / T MS.

    Par ailleurs, si les boues sont des boues daration prolonge (faible charge) alors les tauxdabattement de la figure prcdente varient. Ils deviennent MVd = 30 % MV ou MVd = 20 %MS. Ainsi, le 1er ratio 550 m3 CH4 / T MVd quivaut 110 m3 CH4 / T MS.

    Conversion en Tonne Equivalent Ptrole :Les tables de correspondances utilises sont prsentes en page 2.

    1 m3 CH4 = 35,8MJ = 35,8.106 Jor 1 TJ = 23,91 TEP soit 1012 J = 23,91 TEP

    Ainsi, 1 m3 CH4 = 35,8.106 x 23,91 / 1012 1 m3 CH4 = 856.10-6 TEP

    MS

    MM

    MV

    70 % MS

    MM

    MV

    CH4

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    ANNEXE 2 Bilan nergtique du schage des boues aprs digestion anarobie

    Pour raliser le bilan nergtique du schage des boues aprs digestion anarobie, estimonsdans un premier temps, la quantit dnergie disponible dans des boues mthanises puis laconsommation dnergie lie au schage thermique dans un deuxime temps.

    Dans cet exemple, nous considrerons 100 kg de boue de siccit 30 %, soit compose de 30 %de MS et de 70 % deau (30 kg MS et 70 kg eau).

    Quantit dnergie disponible dans les boues mthanises:

    La production de biogaz partir de MS dgrade est de : 0.9 m3 de mthane / kg MS dgradesoit 5.5kWh / kg MS dgrade (nergie produite par le biogaz brl).

    Lors de la digestion anarobie, 35 % de la MS est dgrade. Aussi, sur les 30 kg de MS initiale,10.5 kg sont dgrads.La quantit de biogaz produite partir de la MS dgrade est donc de 9.45 m3 soit 57.75 kWh.

    Consommation dnergie pour le schage:

    Aprs digestion, la quantit de boue est dsormais de : 70 kg deau et de 19.5 kg de MS.Aprs le schage, en considrant lobjectif de siccit de 80%, les boues sont composes de19.5 kg de MS et de 5 kg deau.Il faut donc vaporer : 70 - 5 = 65 kg deau. Or lnergie requise pour chauffer puis vaporer1 kg deau est de 0.92kWh.Aussi, pour vaporer 65 kg deau, (65 * 0.92 kWh =) 60 kWh sont ncessaires.

    Bilan

    La digestion anarobie permet la production de 57.75 kWh tandis que le schage ncessite60 kWh. Le bilan est donc lgrement ngatif.

    De plus, si on considre quenviron 30 % des 57.75 kWh produit par le biogaz, sont rutilisspour le digesteur (chauffage,) alors seulement 40 kWh sont disponibles pour le schage. Lebilan devient alors ngatif puisquil manque 30% de lnergie consomme par le schage.

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