Le biogaz prend de plus en plus d’importance en tant que source d’énergie renouvelable. Mais que recouvre exactement ce terme ? Le biogaz est un mélange gazeux combustible issu de la fermentation de matières organiques en l’absence d’air. Il est produitdans des installations de biogaz et peut être utilisé de multiples façons pour la production d’énergie, que ce soit pour la production d’électricité et de chaleur ou, après un traitement approprié, sous forme de biométhane injecté dans le réseau de gaz. En tant qu’alternative respectueuse du climat aux combustibles fossiles, le biogaz joue un rôle important dans la transition énergétique.

Définition du biogaz : qu’entend-on par « biogaz » ?

La définition du biogaz peut être formulée avec précision : le biogaz est un mélange de différents gaz issu de la dégradation microbienne de substances organiques dans des conditions anaérobies, c’est-à-dire en l’absence d’oxygène. Sa composition chimique se compose principalement de méthane (CH₄) et de dioxyde de carbone (CO₂), le méthane constituant la fraction combustible et riche en énergie. Dans un contexte scientifique, le biogaz est désigné comme le produit de la fermentation anaérobie. Ce processus biologique se produit naturellement dans les tourbières, les marécages ou dans le tube digestif des ruminants. Dans les installations de biogaz, ce processus naturel est optimisé sur le plan technique et mis en œuvre de manière contrôlée afin de produire de l’énergie de manière ciblée. Sur le plan juridique, le biogaz est ancré en Allemagne dans la loi sur les énergies renouvelables (EEG) et est classé comme source d’énergie biogène. Il fait partie des énergies renouvelables, car les matières premières utilisées sont renouvelables et, lors de leur combustion, la quantité de CO₂ libérée correspond exactement à celle que les plantes ont préalablement absorbée dans l’atmosphère – un cycle du carbone fermé.

Le biogaz – qu’est-ce que c’est ? Les principes de base expliqués de manière simple

Le biogaz – qu’est-ce que c’est concrètement dans la pratique ? Pour simplifier, il s’agit de « gaz issu de déchets biologiques ». Imaginez comment les déchets de cuisine, le lisier provenant des exploitations agricoles ou les résidus végétaux se décomposeraient normalement. Ce processus de décomposition génère des gaz qui s’échappent simplement dans l’atmosphère. Dans une installation de biogaz, ce processus naturel est contrôlé dans un réservoir fermé – le digesteur – et le gaz produit est capté. Le digesteur est le cœur de toute installation de biogaz. Ce réservoir hermétique offre des conditions optimales pour les micro-organismes : une température constante comprise entre 35 et 55 degrés Celsius, l’absence d’oxygène et un apport régulier en substrat. Les bactéries décomposent progressivement les matières organiques et les transforment en biogaz. Le gaz ainsi produit peut ensuite être utilisé de différentes manières :

• Directement sur place, dans une centrale de cogénération, pour la production combinée d’électricité et de chaleur
• Injecté dans le réseau de gaz naturel sous forme de biométhane après traitement
• Utilisé comme carburant pour les véhicules
• Utilisé pour la production exclusive de chaleur dans des chaudières

Le grand avantage : le biogaz peut être stocké et utilisé en fonction des besoins, contrairement à l’énergie solaire ou éolienne, qui dépendent des conditions météorologiques.

Qu’est-ce que le biogaz, expliqué simplement ? Le processus étape par étape

Qu’est-ce que le biogaz, expliqué simplement, si l’on considère l’ensemble du processus de formation ? Imaginez un cycle fermé qui se déroule en plusieurs phases successives : Phase 1 : hydrolyse La première étape commence par la décomposition de molécules organiques complexes. Les glucides, les protéines et les lipides sont décomposés par des enzymes en éléments constitutifs plus petits : sucres, acides aminés et acides gras. Cette étape est comparable à la digestion dans le corps humain. Phase 2 : Acidogenèse (formation d’acides) Les molécules décomposées sont ensuite dégradées par des bactéries acidogènes. Il en résulte des acides organiques à chaîne courte, tels que l’acide acétique, l’acide propionique et l’acide butyrique, ainsi que des alcools, de l’hydrogène et du dioxyde de carbone. Au cours de cette phase, le pH dans le fermenteur diminue légèrement. Phase 3 : Acétogénèse (formationd’acideacétique) Les bactéries acétogènes transforment les acides et les alcools ainsi produits en acide acétique, en hydrogène et en dioxyde de carbone. Ces composés constituent les précurseurs directs de la formation de méthane. Phase 4 : Méthanogénèse (formation de méthane) Lors de la dernière étape, des micro-organismes méthanogènes (archées) produisent du méthane, un gaz riche en énergie, à partir d’acide acétique, d’hydrogène et de dioxyde de carbone. Ces microbes sont très sensibles et ont besoin de conditions stables. C’est la raison pour laquelle le processus doit se dérouler en l’absence d’oxygène. La durée de séjour de la matière dans le digesteur est comprise entre 20 et 80 jours, en fonction du substrat et de la température. Pendant cette période, du biogaz est produit en continu ; il est évacué par une conduite de gaz puis stocké.

Composition du biogaz : quels gaz contient-il ?

La composition du biogaz varie en fonction des matières premières utilisées, mais peut être indiquée dans des fourchettes typiques : Composants principaux :

• Méthane (CH₄): 50 à 75 % en volume – le composant à haute valeur énergétique
• Dioxyde de carbone (CO₂): 25 à 45 % en volume – ininflammable, doit être séparé pour une utilisation à plus forte valeur ajoutée

Composants secondaires :

• Vapeur d’eau (H₂O): 1 à 5 % en volume – en fonction de la température du gaz
• Azote (N₂): 0 à 5 % en volume – pénètre dans le processus par des fuites ou avec le substrat
• Oxygène (O₂): 0 à 2 % en volume – à éviter autant que possible
• Sulfure d’hydrogène (H₂S): 0,01 à 2 % en volume – corrosif, doit être éliminé avant utilisation
• Ammoniac (NH₃): traces – se forme en présence de substrats riches en protéines
• Hydrogène (H₂): < 1 % en volume – produit intermédiaire du processus de dégradation

La teneur en méthane détermine de manière déterminante le pouvoir calorifique du biogaz. Plus la teneur en méthane est élevée, plus le pouvoir calorifique est élevé. Le biogaz brut présente un pouvoir calorifique d’environ 5 à 7,5 kWh par mètre cube, tandis que le biométhane traité, d’une teneur en méthane de 97 %, atteint environ 10 kWh par mètre cube – ce qui est comparable au gaz naturel.

Matières premières pour la production de biogaz

La diversité des substrats utilisables confère au biogaz une grande flexibilité. En principe, toute matière organique contenant du carbone peut être soumise à une fermentation. Dans la pratique, on distingue les groupes de matières suivants : Matières premières renouvelables (NawaRo) :

• Cultures énergétiques telles que le maïs, les céréales, les graminées et les betteraves sucrières
• Cultivées spécifiquement pour la production d’énergie
• Rendements élevés en méthane par hectare
• Disponibilité prévisible et qualité constante

Engrais d’élevage :

• lisier provenant des bovins, des porcs ou de la volaille
• Fumier solide issu de l’élevage
• Produits en continu dans les exploitations agricoles
• Contribue à la réduction des émissions, car le méthane n’est pas rejeté de manière incontrôlée dans l’atmosphère

Résidus et déchets organiques :

• Déchets organiques issus des ménages et des collectivités locales
• Restes alimentaires issus de la restauration et de l’industrie agroalimentaire
• Résidus issus de la transformation alimentaire (drêches, marcs, petit-lait)
• Déchets verts et matériaux issus de l’entretien des espaces verts
• Boues d’épuration issues des stations d’épuration municipales

Substrats innovants :

• algues et plantes aquatiques
• Paille et autres résidus de récolte
• Déchets industriels organiques

Le choix des substrats influe non seulement sur la quantité et la qualité du gaz, mais aussi sur la rentabilité de l’installation. Un mélange équilibré de différents substrats (mélange de substrats) garantit des conditions de traitement stables et un rendement en gaz optimal.

Le processus dans l’installation de biogaz : de la biomasse au gaz utilisable

Une installation de biogaz moderne se compose de plusieurs éléments coordonnés qui, ensemble, garantissent un processus continu : Stockage et préparation des substrats : Avant d’être acheminées vers le digesteur, les matières organiques sont collectées, broyées si nécessaire, puis homogénéisées. Les substrats solides, tels que l’ensilage, sont mélangés à des composants liquides, comme le lisier, afin d’obtenir une consistance permettant leur pompage. Des techniques d’alimentation modernes, telles que les systèmes Easyfeeder de Biogastechnik Süd, assurent un dosage régulier et économe en énergie du substrat. Digesteurs (cuves de fermentation principales) : C’est dans le digesteur que s’effectue la production proprement dite de biogaz. Ces cuves étanches aux gaz, généralement cylindriques, ont une capacité comprise entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres cubes. Une température constante est maintenue à l’aide de serpentins de chauffage ou de systèmes de chauffage intégrés aux cuves. Des agitateurs – par exemple des agitateurs à pales comme le Varibull – assurent un mélange homogène du substrat, empêchent la formation de couches flottantes et de sédiments, et garantissent un contact optimal entre les bactéries et les nutriments. Fermenteur secondaire : Après la fermentation principale, la matière est acheminée vers un fermenteur secondaire, où le potentiel gazeux résiduel est exploité grâce à un temps de séjour prolongé. Ici aussi, la matière est agitée et chauffée, mais de manière moins intensive que dans le fermenteur. Stockage du gaz : Le biogaz produit est collecté dans des réservoirs de stockage – soit dans des toitures en membrane installées directement sur les digesteurs (toitures gonflables), soit dans des réservoirs de stockage séparés. Le gaz peut ainsi être stocké et prélevé en fonction des besoins. Traitement dugaz: Avant que le biogaz ne puisse être utilisé, les impuretés telles que l’hydrogène sulfuré doivent être éliminées afin d’éviter la corrosion. Pour l’injection dans le réseau de gaz naturel ou son utilisation comme carburant, un traitement plus complexe en vue de la production de biométhane est nécessaire : Au cours de ce processus, le CO₂ est séparé, ce qui permet d’atteindre une teneur en méthane supérieure à 96 %. Stockage des résidus de fermentation : La matière fermentée (résidu de fermentation) constitue un engrais organique de grande qualité. Il est stocké temporairement dans des dépôts de résidus de fermentation et peut être épandu sur des terres agricoles conformément aux dispositions du règlement sur les engrais. Des techniques de séparation telles que le « Sepogant » de Biogastechnik Süd séparent le résidu de fermentation en une phase liquide et une phase solide, ce qui facilite son transport et son stockage.

Avantages et utilité du biogaz en tant que source d’énergie

Le biogaz offre de nombreux avantages par rapport aux énergies fossiles ainsi qu’aux autres énergies renouvelables : Protection du climat : Lors de la combustion du biogaz, la quantité de CO₂ libérée correspond exactement à celle absorbée par les plantes au cours de leur croissance. De plus, l’utilisation du lisier et des déchets organiques permet d’éviter les émissions de méthane qui seraient autrement générées par leur stockage à l’air libre. Le méthane est environ 25 fois plus nocif pour le climat que le CO₂. Indépendance énergétique : Le biogaz peut être produit localement et réduit la dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles importés. Les exploitations agricoles peuvent produire leur propre énergie et deviennent ainsi des producteurs d’énergie. Capacité à assurer la charge de base : Contrairement à l’énergie éolienne et solaire, le biogaz peut être stocké et sa disponibilité est prévisible. Les installations de biogaz peuvent produire de l’électricité en fonction des besoins et stabilisent ainsi le réseau électrique, ce qui est particulièrement important pour l’intégration des énergies renouvelables volatiles. Cycle des nutriments : Les résidus de fermentation contiennent tous les nutriments essentiels aux plantes et sont mieux assimilables par celles-ci que le lisier non fermenté. L’azote se présente en grande partie sous forme minérale, ce qui permet de réduire l’utilisation d’engrais chimiques. Réduction des émissions : Les installations de biogaz modernes sont des systèmes fermés qui réduisent considérablement les nuisances olfactives liées au stockage du lisier. Les émissions d’ammoniac et de méthane sont minimisées. Perspectives économiques : Les installations de biogaz génèrent de la valeur ajoutée dans les zones rurales, garantissent les revenus agricoles et créent des emplois. Les exploitants bénéficient de tarifs de rachat stables et développent des sources de revenus supplémentaires.

Possibilités d’utilisation : comment le biogaz est-il utilisé ?

Les utilisations du biogaz sont multiples et dépendent de son degré de pureté ainsi que des conditions locales : Cogénération (CHP) : La forme d’utilisation la plus courante est la production simultanée d’électricité et de chaleur dans des centrales de cogénération. Un moteur à gaz entraîne un générateur pour produire de l’électricité, tandis que la chaleur résiduelle du moteur est utilisée à des fins de chauffage. L’électricité est injectée dans le réseau public, tandis que la chaleur sert à chauffer les digesteurs ainsi que les bâtiments, serres ou installations de séchage situés à proximité. Le rendement électrique est d’environ 35 à 40 %, le rendement global dépasse 85 %. Injection de biométhane : Une fois transformé en biométhane, le gaz peut être injecté dans le réseau de gaz naturel. Il est alors à la disposition de tous les clients du gaz naturel et peutêtreutilisé de manière flexible, du chauffage aux processus industriels, en passant par la production d’électricité dans les centrales à gaz. Carburant pour véhicules : Le biométhane traité (bio-GNC) peut être utilisé comme carburant respectueux du climat pour les véhicules fonctionnant au gaz naturel. Les bus, camions et voitures particulières fonctionnant au gaz roulent ainsi de manière quasi neutre en CO₂. Dans certaines régions, il existe déjà des stations-service proposant du biométhane. Utilisation pour le chauffage : Dans les systèmes de chauffage au gaz, le biogaz ou le biométhane peut remplacer le gaz naturel conventionnel et chauffer les bâtiments de manière respectueuse du climat. Cette solution est particulièrement efficace dans les réseaux de chauffage urbain qui alimentent plusieurs consommateurs. Applications industrielles : Certaines entreprises industrielles utilisent directement le biogaz pour leurs processus de production, notamment dans l’industrie céramique, l’agroalimentaire ou l’industrie chimique.

Différence entre le biogaz, le biométhane et le gaz naturel

Les termes « biogaz », « biométhane » et « gaz naturel » sont souvent confondus. Il existe pourtant des différences importantes : Biogaz : Le biogaz brut issu directement du digesteur contient environ 50 à 75 % de méthane, 25 à 45 % de CO₂, ainsi que de l’hydrogène sulfuré, de la vapeur d’eau et d’autres gaz à l’état de traces. Sous cette forme, il peut être brûlé dans des centrales de cogénération, mais n’est pas injectable dans le réseau. Biométhane : Biogaz traité et purifié présentant une teneur en méthane supérieure à 96 %. Sa qualité est équivalente à celle du gaz naturel et il peut être injecté dans le réseau de gaz ou utilisé comme carburant. Le terme « bio-gaz naturel » est utilisé comme synonyme. Gaz naturel : Une source d’énergie fossile qui s’est formée il y a des millions d’années à partir de matière organique, sous haute pression et à haute température. Il se compose principalement de méthane (>80 %) et est extrait de gisements souterrains. Lors de sa combustion, il libère du CO₂ fossile qui vient s’ajouter à l’atmosphère. L’avantage décisif du biogaz et du biométhane : ils sont renouvelables et neutres sur le plan climatique, tandis que le gaz naturel augmente la concentration en CO₂ dans l’atmosphère.

Défis et évolutions dans le domaine de la technologie du biogaz

Malgré tous ces avantages, le secteur du biogaz est confronté à des défis auxquels des technologies innovantes apportent des réponses : Diversité des substrats et flexibilité : La tendance s’éloigne de la fermentation exclusive du maïs pour s’orienter vers une gamme plus large de substrats. Les résidus, le lisier et l’herbe gagnent en importance. Les techniques modernes d’alimentation et les systèmes d’agitation, tels que ceux proposés par Biogastechnik Süd avec les produits Easyfeeder et Varibull, permettent de traiter même des substrats riches en fibres et hétérogènes. Optimisation des procédés : Grâce à une commande intelligente, à une technologie thermique optimisée et à des systèmes innovants tels que la technologie à ultrasons (Wavebox), le taux de dégradation de la matière organique est accru. Cela se traduit par des rendements en gaz plus élevés pour une même quantité de substrat utilisée. Traitement des résidus de fermentation : Les techniques modernes de séparation et l’évaporation des résidus de fermentation (Vapogant) réduisent le volume de stockage et concentrent les nutriments. Cela permet de diminuer les coûts de transport et de commercialiser de manière ciblée des engrais précieux tels que le sulfate d’ammonium. Flexibilisation : Afin de compenser les fluctuations du réseau électrique, les installations de biogaz sont de plus en plus exploitées de manière flexible. Cela signifie que le biogaz est stocké et transformé en électricité de manière ciblée en cas de forte demande en électricité. Des concepts flexibles de centrales de cogénération et des réservoirs de gaz de plus grande capacité rendent cela possible. Certification de durabilité : Des exigences légales et des critères de durabilité plus stricts imposent une documentation précise des flux de matières et des émissions. Seul le biométhane produit de manière durable bénéficie de subventions et peut être pris en compte dans les quotas de gaz à effet de serre.

Le biogaz dans le contexte de la transition énergétique

Lebiogazapporte une contribution importante à la transition énergétique, en particulier dans les secteurs difficiles à électrifier : Dans l’agriculture, le biogaz permet l’exploitation énergétique des effluents d’élevage et des résidus agricoles. Les agriculteurs deviennent ainsi des acteurs actifs de la transition énergétique tout en améliorant leur bilan nutritif. Dans le secteur du chauffage, le biométhane peut remplacer le gaz naturel fossile dans les systèmes de chauffage et contribue à la décarbonisation du parc immobilier. Les réseaux de chauffage urbain fonctionnant au biogaz alimentent des localités entières en chaleur de manière respectueuse du climat. Dans le secteur des transports, le biométhane offre une alternative en tant que carburant, en particulier pour le transport lourd et les véhicules utilitaires, pour lesquels les motorisations électriques à batterie atteignent leurs limites. Dans l’industrie, le biogaz remplace les combustibles fossiles dans les processus de production et contribue à la réduction des émissions industrielles. Son intégration dans des systèmes énergétiques intelligents fait du biogaz un élément précieux d’un approvisionnement énergétique sûr, décentralisé et renouvelable. Alors que l’énergie éolienne et solaire sont volatiles, le biogaz offre une énergie prévisible et régulable – un complément idéal au mix énergétique de demain.