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Etat des lieux des technologies de méthanisation .pdf



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Titre: Etat des lieux des technologies de méthanisation.

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Etat des lieux des
technologies de méthanisation
OO
Juin 2014

Etat des lieux des techniques de méthanisation - Hélianthe – Avril 2014

Sommaire
Sommaire ............................................................................................................................................................... 2
1 Généralités .......................................................................................................................................................... 3
1.1 La méthanisation ............................................................................................................................................... 3
1.2 La réglementation ............................................................................................................................................. 4
2 Recensement des technologies disponibles et en voie de développement ...................................................... 7
2.1 Caractéristiques technologiques ........................................................................................................................ 7
2.2 Méthanisation en voie humide (fonctionnement en continu) .......................................................................... 12
2.3 Méthanisation en voie sèche (en phase de développement) ............................................................................ 18
2.4 Synthèse des états d’avancement .................................................................................................................... 19
3 Comparaisons et limites techniques des technologies ................................................................................... 20
3.1 Comparaison des technologies de digesteur .................................................................................................... 20
3.2 Comparaison des voies sèche et humide ......................................................................................................... 21
3.3 Comparaison des températures de fonctionnement ......................................................................................... 21
4 Traitements et valorisations : substrats, biogaz, digestat ............................................................................. 23
4.1 Prétraitement des substrats .............................................................................................................................. 23
4.2 Traitement et valorisation du biogaz ............................................................................................................... 24
4.3 Traitement et valorisation du digestat ............................................................................................................. 36
5 Répartition sectorielle des technologies et des modes de valorisation ......................................................... 40
5.1 Nature des intrants et classification sectorielle ............................................................................................... 40
5.2 Filière Industrielle ........................................................................................................................................... 42
5.3 Filière Agricole et territoriale .......................................................................................................................... 45
5.4 Filière Station d’Epuration (STEP) ................................................................................................................. 48
5.5 Filière Ordures Ménagères (OM) .................................................................................................................... 51
6 Rendements et performances atteignables ..................................................................................................... 53
6.1 Objectifs recherchés ........................................................................................................................................ 53
6.2 Quantité et qualité de biogaz produit .............................................................................................................. 54
6.3 Qualité du biométhane produit ........................................................................................................................ 56
6.4 Rendement des équipements de valorisation ................................................................................................... 56
6.5 Bilan énergétique ............................................................................................................................................ 57
7 Aspect financier ................................................................................................................................................ 58
7.1 Coûts ............................................................................................................................................................... 58
7.2 Recettes ........................................................................................................................................................... 65
7.3 Analyse de rentabilité d’un projet ................................................................................................................... 71
8 Acceptation des installations : nuisances, polémiques .................................................................................. 73
8.1 Acceptabilité sociale ....................................................................................................................................... 73
8.2 Nuisances, gênes occasionnés ......................................................................................................................... 74
9 Bibliographie .................................................................................................................................................... 77
9.1 Ouvrages ......................................................................................................................................................... 77
9.2 Publications ..................................................................................................................................................... 77
9.3 Sites Internet ................................................................................................................................................... 78

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1 Généralités
1.1 La méthanisation
Le plan EMAA définit la méthanisation comme un processus de dégradation de la matière organique, dans
un milieu sans oxygène, due à l’action de multiples bactéries. Elle peut avoir lieu naturellement dans certains
milieux, tels que les marais, ou peut être mise en œuvre volontairement dans des unités dédiées grâce à un
équipement industriel.
Cette dégradation conduit à la production d’un gaz, appelé biogaz, composé à 60% de méthane (CH4), qui
peut être transformé directement en électricité, en chaleur, en biocarburant ou alors être injecté dans le réseau
de gaz naturel.
Elle produit également un résidu, appelé digestat, qu’il est ensuite possible de valoriser comme fertilisant
pour l’agriculture. Sa valeur agronomique est considérée comme supérieure à celle du compost ou du «
déchet » seul.
La méthanisation est donc à la fois une filière alternative de traitement des déchets organiques et une filière
de production d’énergie renouvelable.
Les matières organiques pouvant être traitées par méthanisation sont :
 les déchets agro-industriels (déchets carnés, graisses de restauration, etc.)
 les déchets agricoles (lisier, fumier, résidus de récoltes, etc.)
 les déchets des collectivités locales (boues de stations d’épuration des eaux urbaines, ordures
ménagères, tontes de pelouse, etc.)
Le schéma ci-dessous résume le principe de fonctionnement global de la méthanisation :

Source : Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Energie.

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1.2 La réglementation
A la croisée des mondes de l’agriculture, de l’énergie et des déchets, la méthanisation est régie par un grand
nombre de lois et règlements. Les principaux sont les suivants :

1.2.1 Les lois Grenelle
La loi Grenelle I (loi n° 2009-967 du 3 août 2009) précise que « les sources d’énergie renouvelable sont
[…] l'énergie issue de la biomasse, du gaz de décharge, du gaz de stations d'épuration d'eaux usées et du
biogaz. »
La loi Grenelle II, (loi n° 2010-788 du 12 juillet 2010) prévoit l’instauration d’un tarif d’achat du biogaz dû
aux producteurs par les fournisseurs de gaz naturel, la compensation des charges inhérentes à ce tarif par une
contribution due par les fournisseurs de gaz naturel au prorata de leurs ventes, la désignation d’un acheteur
de dernier recours, ainsi que l’instauration d’un mécanisme de garanties d’origine.
Ainsi, le biométhane, initialement considéré comme un simple produit du traitement des déchets, a changé de
statut et il devient aujourd’hui une énergie renouvelable à part entière, qu’il est important de valoriser de la
façon la plus efficace. La méthanisation des déchets ou des sous-produits organiques peut, à ce titre,
présenter de multiples atouts pour les différents acteurs du territoire.
Le développement du biométhane nécessite de réunir deux conditions :


Un potentiel de biodéchets pouvant être méthanisés.



Un besoin de chaleur ou de gaz pour la valorisation du biométhane.

La loi sur les biodéchets, (Article L 541-21-1 du Code de l’environnement) applicable dès 2012, vient
renforcer l’existence de ce gisement potentiel en rendant progressivement obligatoire la valorisation des
biodéchets (issus des grosses et moyennes surfaces, déchets de restauration, etc.) et des huiles alimentaires
usagées, qui peuvent trouver dans la méthanisation une solution de valorisation double par production
d’énergie renouvelable, et retour au sol d’un fertilisant de qualité.

1.2.2 Texte relatif aux matières entrantes


Les déchets non dangereux :

Certaines matières entrantes sont tracées au titre de la réglementation relative aux déchets. Les matières
doivent en outre répondre à l’exigence d’innocuité des matières fertilisantes et des supports de culture prévue
par le code rural.


Sous-produits animaux :

Toute installation ayant une interaction quelconque avec des sous-produits animaux tombe sous le règlement
(CE) N°1069/2009 du parlement européen. Il établit des règles sanitaires applicables aux sous-produits
animaux et produits dérivés non destinés à la consommation humaine. Il abroge et remplace le règlement
(CE) n°1774/2002, encore fréquemment cité.

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1.2.3 Texte relatif à l’installation
Les unités de méthanisation et de compostage peuvent relever de la loi 76-633 du 19 juillet 1976 relative aux
installations classées pour la protection de l'environnement (codifiée aux articles L511-1 et suivants du code
de l’environnement) ou du règlement sanitaire départemental compte-tenu de la taille de l'installation
(quantité de matières entrantes ou sortantes, puissance installée), de la qualité des produits traités ou du type
de traitement. Si le classement de l'installation dans la nomenclature des installations classées, est lié à la
taille de l'installation, trois seuils peuvent être définis pour chaque rubrique :
 Un seuil bas, au-dessus duquel elle est soumise à déclaration. En deçà de ce seuil, l'installation n'est
pas soumise à la réglementation ICPE. On appliquera alors les dispositions du règlement sanitaire
départemental.


Un seuil intermédiaire, marquant la limite entre le régime de déclaration et celui d’enregistrement.

 Un seuil haut, au-dessus duquel l'installation est soumise à autorisation Une unité de méthanisation
ou de compostage pourra relever de plusieurs rubriques, la plus contraignante définissant la procédure
administrative à engager. Les prescriptions applicables seront reprises dans le cadre d'un arrêté type ou, à
défaut, d'un arrêté préfectoral propre à l'installation. Les prescriptions applicables sont annexées au récépissé
de déclaration ou déclinées dans l’arrêté préfectoral d’autorisation. Une rubrique spécifique encadre les
unités de compostage (n°2780) et une autre celles de méthanisation depuis fin 2009 (n°2781), les deux ayant
été revues en 2010 pour y ajouter le régime d’enregistrement.

1.2.4 Texte relatif aux produits de la méthanisation


Digestat :

Le cadre législatif relatif à l’utilisation et à la mise sur le marché des matières fertilisantes et des supports de
culture est défini aux articles L255-1 à L255-11 du code rural. Il définit deux logiques (déchets ou produits)
qui conditionnent l’utilisation ultérieure ainsi que la responsabilité des producteurs :
 Une démarche orientée vers un plan d’épandage (« logique déchets ») : la responsabilité du
producteur inclut le mode d’utilisation jusqu’au retour au sol.
 Une démarche de mise sur le marché (« logique produits ») : la responsabilité du producteur
s’arrête à l’étape de mise sur le marché du produit.
L'utilisation des matières organiques est régie par plusieurs textes qui peuvent être classés en deux groupes :
 Ceux relevant du territoire tels que la loi n°92-3 du 3 janvier 1992 sur l'eau (articles L210-1 et
suivants du code de l’environnement) ou la directive n°91/676/CE du 12 décembre 1991, dite « directive
nitrate », qui a pour objectif de réduire la pollution des eaux par les nitrates d'origine agricole. L'arrêté
ministériel d'application du 22 novembre 1993 a proposé un Code des bonnes pratiques agricoles, base de
programmes d'actions relatifs à l'épandage de tous les fertilisants et d'application obligatoire en zones
vulnérables.
 Ceux relevant de l'origine des effluents organiques (articles R211-26 à R. 211-47 du code de
l’environnement et arrêté du 8 janvier 1998, arrêté du 17 août 1998), qui conduisent, selon les cas, à une
interdiction ou une autorisation d'épandage.
Pour pouvoir être mise sur le marché, une matière fertilisante doit répondre à une procédure d'homologation
ou de normalisation.

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Biogaz :

Le biogaz est issu du processus de méthanisation. Une part de la production est généralement utilisée pour
maintenir en température le digesteur. L’excédent peut être valorisé soit en chaleur soit en électricité ou les
deux en cogénération. Dans certains cas on peut concevoir une cession/vente du biogaz brut à un tiers, ou de
la vente de chaleur à des tiers via un réseau de chaleur, et se développent également des stations biométhane
carburant. La règlementation cadrant l’injection du biogaz épuré (biométhane) dans le réseau de distribution
ou de transport de gaz naturel a été créée en novembre 2011.
La réglementation qui se rapporte à la valorisation du biogaz est liée aux aspects techniques (stockage,
transport, combustion du biogaz), juridiques (vente de chaleur à une collectivité ou à un tiers privé) et
économiques (tarifs d’achat de l'électricité issue du biogaz ou du biométhane) de cette valorisation.

Pour aller plus loin :
L’ADEME a publié en 2012 un document sur le sujet, intitulé Cadre règlementaire et juridique des activités
agricoles de méthanisation et de compostage. Ce document, très détaillé, synthétise l’ensemble des textes
réglementaires relatifs à la méthanisation.

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2 Recensement des technologies disponibles et en voie de
développement
2.1 Caractéristiques technologiques
2.1.1 Teneur en matière sèche (MS)
La teneur en eau est un aspect capital de la digestion anaérobie. Les déchets sont classés en fonction de leur
teneur en matière sèche :


Teneur inférieure à 5% de MS : domaine des effluents et des boues.



Teneur comprise entre 5 et 20% de MS : fermentation humide.



Teneur comprise entre 20 à 55% de MS : fermentation sèche.



Teneur supérieure à 55% de MS : milieu difficilement traitable par digestion.

Chaque voie de fermentation possède sa propre caractéristique. Par exemple, le tri des substrats devra être
plus sévère en voie humide qu’en voie sèche, afin d’éliminer les matières lourdes qui risquent de rester au
fond car la densité du milieu reste faible.

2.1.2 Type de digestion
On distingue trois types de procédés de méthanisation :
 Les procédés continus :
l’alimentation et la vidange du digesteur se font en permanence avec une
quantité entrante équivalente à celle sortante. Ils sont bien adaptés au traitement des déchets liquides,
permettent une automatisation du process et s’adaptent donc à des projets de grande ampleur.
 Les procédés discontinus, dits « batch » :
les digesteurs sont remplis puis vidés séquentiellement
lorsque la production de biogaz chute ou devient nulle. Ce procédé apporte plus de souplesse à l’exploitant et
sécurise davantage le procédé de méthanisation.
 Les procédés semi-continus :
le digesteur est progressivement rempli par des charges successives
convenablement réparties dans le temps. La vidange est réalisée lorsque le volume utile du digesteur est
atteint et que la production de biogaz n’est plus suffisante.


Fonctionnement discontinu :

Il s’agit de plusieurs digesteurs en parallèle avec recirculation du lixiviat (liquide résiduel qui provient de la
percolation de l'eau à travers un matériau). Les temps de séjour sont de 2 à 3 mois, et l’installation fonctionne
sans agitation.


Fonctionnement continu :

La quasi-totalité des digesteurs d’effluents et boues dans le monde sont à alimentation continue. Ils
fonctionnent selon 2 grandes familles de technologies :

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Les technologies dites à cultures libres.
Les technologies dites à cultures fixées.

Parfois, les effluents sont traités successivement par un ou plusieurs procédés.
Les cultures libres sont adaptées aux substrats riches en matière en suspension (MES), avec des teneurs
dépassant 75 à 100 g/L. Ils sont brassés et mélangés en continu dans le digesteur.
Les cultures fixées utilisent des granules ou des supports afin d’augmenter les surfaces de contact entre les
micro-organismes et les matières organiques à digérer.

2.1.3 Modèles de réacteur limites
Il existe deux modèles de digesteurs distincts :


Les réacteurs mélangés : ils diffèrent par la nature du système d’agitation utilisé.

Modèle de réacteur mélangé.
Source : © Hélianthe 2014.
 Les réacteurs piston : il s’agit d’un système cylindrique où le substrat avance sous l'influence de
pales. Dans un digesteur piston, l’effluent est introduit à une extrémité du réacteur et est soutiré par
l’extrémité opposée.

2.1.4 Méthanisation à une ou deux étapes / phases
Dans le digesteur à une étape, le processus anaérobie s’effectue dans un seul réacteur. Le digesteur à deux
étapes inclut deux réacteurs : le premier va réaliser l’hydrolyse et l’acidogenèse, le second, l’acétogenèse et
la méthanogenèse. Dans le premier digesteur, le temps de séjour sera de quelques jours, et le pH sera abaissé
à des valeurs de 5,5 à 6 (7 en temps normal), tandis que dans le second digesteur, le temps de séjour sera plus
long.
De manière générale, on choisit le système en deux étapes quand le substrat à traiter est très
fermentescible et s’il est riche en acide gras volatils (AGV) susceptibles de provoquer une acidification du
mélange.

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Méthanisation à deux étapes.
Source : © Hélianthe 2014.

2.1.5 Type de brassage / d’agitation
L’homogénéité du mélange contenu dans le méthaniseur doit être assurée par un brassage suffisant. Ce point
est déterminant pour le bon fonctionnement du digesteur. Les principales fonctions réalisées par le brassage
sont :


Réguler le mélange : répartition de l’alimentation, homogénéisation en température.



De limiter les phénomènes de sursaturation en CO2, H2 et H2S.



De prévenir la formation de dépôts qui peuvent s’accumuler dans le fond du digesteur.



D’empêcher la formation de mousses ou de croûtes en surface néfastes à la circulation du

biogaz.
Il existe plusieurs types de brassages :
 Agitation mécanique : le brassage est réalisé mécaniquement par l’action de pales ou d’hélices. Elle
convient aussi bien à des réacteurs de type mélangés ou à flux pistons, et est utilisée aussi bien en
fermentation humide qu’en fermentation sèche. C’est le cas de la technologie Kompogas qui fonctionne en
voie sèche.


Agitation par recirculation du biogaz :

Il existe différents modèles comprenant une recirculation du biogaz émis :
 Modèle où le biogaz est envoyé dans un tube situé au centre du digesteur provoquant de ce fait
l’entraînement du mélange, et donc une recirculation du milieu de digestion. Cette technologie est utilisée
par la société Linde.
 Technologie Valorga : ce procédé consiste en une injection de biogaz haute pression via des
buses situées sur le fond du digesteur. La matière est séparée en deux par une paroi intérieure en béton ce qui
permet de facilement guider le mouvement de matière.

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Source : Valorga International


Agitation par recirculation du digestat :

Cette agitation est effectuée par une pompe d’alimentation externe qui mélange les déchets avec le digestat.
C'est un digesteur de type piston. On retrouve cette technologie dans le modèle Dranco. Ce type de brassage
est très peu répandu, et son efficacité est dépendante de la taille du digesteur (plutôt adapté aux petites
tailles), à la viscosité des boues et du taux de recirculation.

Source : Dranco International

2.1.6 Chauffage et maintien en température du digesteur
La température est un des paramètres qui va conditionner la bonne croissance des micro-organismes. En
effet, les différentes bactéries impliquées dans le processus de digestion anaérobie ont des températures
optimales de croissance différente. L’influence de la température est donc déterminante sur le
fonctionnement d’une digestion : rapidité de démarrage, stabilité de la fermentation, et sur ses performances :
production de gaz, réduction des matières volatiles (MV).
On peut différencier trois plages de température distinctes : psychrophile (15~25°C), mésophile (30~40°C),
et thermophile (50~65°C). Dans le cas de la méthanisation à deux étapes par exemple, le premier réacteur
assurera une digestion thermophile, tandis que le deuxième réacteur réalisera une digestion mésophile. Nous
verrons par la suite que pour maintenir le digesteur à la température souhaitée, il est nécessaire de le chauffer
continuellement, notamment avec la chaleur produite (autoconsommation).

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2.1.7 Forme du digesteur et matériaux utilisés
Les digesteurs sont généralement construits en béton, avec une protection interne en résine époxy. Pour les
digesteurs de grande taille, l’acier vitrifié s’avère souvent plus compétitif même s’il est peu employé en
France. Seule la « zone de marnage » est sujette à corrosion, les parois en contact permanent avec les intrants
sont peu attaquées. Les canalisations sont construites de préférence en acier inox, notamment celles soumises
à des risques de corrosion (canalisations biogaz). Les digesteurs sont isolés thermiquement, par 10 à 20 cm
de laine de roche ou laine de verre, avec une protection par un bardage en acier. À noter que certains
digesteurs anciens sont peu ou mal isolés (contreparoi de brique, épaisseurs d’isolant plus faibles…).
Il existe plusieurs formes de digesteur. La plus répandue en Europe continentale est caractérisée par un fond
conique pour faciliter l’évacuation des sédiments, et un dôme conique ou bombé pour résister à la pression.
En Allemagne, les formes ovoïdes se sont développées pour les digesteurs de grande taille. Au Royaume-Uni
et en Scandinavie, on trouve des digesteurs « cylindriques » avec toit et fond plat. Un autre modèle courant
est le modèle « anglo-américain », digesteur plus large que haut.

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2.2 Méthanisation en voie humide (fonctionnement en continu)

Source : © Hélianthe 2014.

2.2.1 Cultures libres


Digesteur type infiniment mélangé (CSTR) :

Les technologies en cultures libres dites « infiniment mélangées » sont les plus fréquemment utilisées
en France. Le principe consiste en la fixation des bactéries sur les matières en suspension. Le temps de
séjour des bactéries est relativement important car celles-ci sont éloignées des matières organiques à digérer.
Cette technologie est mieux adaptée aux substrats à faible teneur en MES et riches en matières organiques
solubles, car ceux-ci présentent moins de risques de colmatage des équipements. Pour extraire les matières
en suspension, on peut utiliser en amont des filtres ou des tamis. Pour cette technologie, le substrat est
homogénéisé par un brassage mécanique ou au gaz.

Digesteur CSTR
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Digesteur type infiniment mélangé « contact » :

C’est une variante de la technologie CSTR. Une membrane située en aval du digesteur permet de décanter et
de filtrer la biomasse préalablement digérée. Les boues sont ensuite réinjectées dans le digesteur, dans le but
d’augmenter la concentration en micro-organismes et de réintroduire la biomasse non dégradée dans le cycle
de méthanisation. Cela présente l’avantage d’augmenter le temps de séjour des bactéries dans le digesteur.

Digesteur « contact »
Source : © Hélianthe 2014.

2.2.2 Cultures fixées sur granules


Digesteur UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Banket)

Cette technologie s’appuie sur la formation de granules. Le mélange est initialement réparti au fond du
digesteur, et une couche de boue composée d’un floc de granulés microbiens se forme spontanément et
dégrade la matière organique. Les bulles de gaz libérées par digestion montent et vont se piéger en haut du
digesteur, alors que les organismes floculés entrainés par le mouvement ascendant sont filtrés et donc
redirigés vers le bas du digesteur. Le biogaz est ensuite collecté dans un dôme en haut du digesteur. La
vitesse ascensionnelle du liquide doit être suffisante pour maintenir le lit de boue en suspension (entre 0,6 et
0,9m/h).
Aujourd’hui, les procédés à lit de boues granulaires sont utilisés dans 80 % des unités de traitement des
effluents industriels dans le monde.

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Digesteur UASB
Source : © Hélianthe 2014.


Digesteur UASB avec recirculation interne (IC, internal recirculation)

C’est une variante de la technologie UASB présentant une recirculation spontanée de biogaz. Le principe de
base est le même : le mélange est introduit au fond du digesteur et la biomasse granulaire est également
utilisée comme support des bactéries, Le biogaz est produit dans le compartiment inférieur, à lit de boues, et
celui-ci génère un mouvement ascendant (phénomène de « gas lift »). Une recirculation du biogaz est ensuite
mise en place ce qui favorise la recirculation du mélange à l’intérieur du digesteur, et qui permet donc
d’améliorer le rendement de la dégradation. Cette recirculation est spontanée et ne nécessite par conséquent
aucun apport quelconque.
1 : Le biogaz emmène l’effluent en tête de digesteur par le biais d‘une ou plusieurs canalisations.
2 : Sous la pression du gaz, l’effluent est redirigé vers le compartiment à lit de boues.
3 : Le liquide décanté traverse le premier séparateur et vient s’accumuler dans le compartiment supérieur dit
« de finition ». Le biogaz est quant à lui traité par le second séparateur.
En dernier lieu, l’effluent est évacué en tête de digesteur.

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Digesteur UASB avec recirculation interne
Source : © Hélianthe 2014.

2.2.3 Cultures fixées sur support


Digesteur à lit fixé sur support statique :

Le digesteur à lit fixé contient un support inamovible, constitué d’un matériau inerte de nature quelconque :
céramique, gravier, plastique, matériaux fibreux, pierres concassées, etc. Les populations bactériennes se
développent soit en se fixant sur le support, soit en suspension dans les interstices inhérents au support. Plus
le diamètre du support est grand, et plus la superficie offerte à la masse bactérienne est importante, ce qui
facilite et améliore la digestion.
Les effluents peuvent être introduits en tête de digesteur, et dans ce cas, le flux est descendant et on parle de
« lit bactérien ». Si les effluents sont introduits par le bas du réacteur, le flux est alors ascendant et on parle
de « filtres anaérobies ». Dans les deux cas, les substrats sont filtrés à la traversée du support puis digérés
par les micro-organismes.

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Digesteur à lit fixé sur support statique
Source : © Hélianthe 2014.


Digesteur à lit fluidisé

Dans ce cas, le support est constitué par des particules fluidisées par le mouvement des effluents. La nature
du flux dépend de la valeur de la densité du support par rapport à 1 (ascendant si supérieure, descendant si
inférieure). La vitesse de fluidisation doit être constante, ce qui suppose un renouvellement des intrants.
Celui-ci peut être effectué via un décanteur situé en aval du digesteur qui permet de séparer la biomasse
organique et de la réinjecter dans le digesteur.
Etant donné la nature particulaire du support, la concentration en micro-organismes est considérable, ce qui
permet d’atteindre une forte capacité de traitement par rapport aux autres technologies (voir paragraphe 3.1).
En revanche, le temps de séjour hydraulique est relativement faible, ce qui signifie que ce processus peut être
réalisé dans un méthaniseur à deux étapes.

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Digesteur à lit fluidisé
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2.2.4 Autres technologies de digesteur
Il existe plusieurs autres types de réacteur se basant sur le principe de lits bactériens. A titre d’exemple, le
réacteur « hybride » est composé d’un lit de boues en partie basse et d’un filtre anaérobie en partie haute.
D’autres procédés provenant de la digestion aérobie ont été adaptés en milieu anaérobie, comme le filtre
rotatif qui est une sorte de « bio-disque » dont les plaques qui le composent sont mises en rotation
directement dans le mélange à digérer.

Digesteur hybride.
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2.3 Méthanisation en voie sèche (en phase de développement)
2.3.1 Présentation et filières de prédilection
On parle de méthanisation en voie sèche lorsque les substrats ont une consistance solide et comportent plus
de 20 % de matière sèche, ou lorsqu’ils ne sont plus pompables et qu’il n’est alors plus possible de les
brasser par une simple agitation. Bien que relativement peu utilisée par les unités agricoles, la méthanisation
en voie sèche prédomine dans la filière des ordures ménagères. Encore méconnue, elle pourrait néanmoins
rapidement s’adapter à des installations agricoles, car elle convient bien aux petits projets ; généralement, le
fumier de l’exploitation sert de base à la digestion. L’offre industrielle est quant à elle très restreinte et les
retours d’expérience sont faibles.

2.3.2 Technologies disponibles
Deux types de voie existent : la voie sèche continue ou discontinue. Le type de voie utilisée est directement
relié à la teneur en MS des intrants. Le procédé discontinu est de loin le plus répandu, même si le procédé
continu est largement employé pour la méthanisation des déchets ménagers.


Déchets secs, MS comprise entre 20% et 40% :

Dans ce cas, le chargement quotidien de matière sèche fraîche et l’expulsion d’un volume équivalent de
matière dégradée permet d’assurer un fonctionnement continu. L’avancée de la matière est permise par des
pompes à vides (systèmes horizontaux), par gravité (systèmes verticaux), ou par piston avec une agitation
mécanique par rotation d’un axe longitudinal équipé de pales.
La température est majoritairement mésophile, et le temps de séjour moyen est de 15 à 30 jours.


Déchets secs, MS supérieure à 40% :

Le digesteur est comparable à un garage, une grange, ou à un silo (batch) complètement étanche. Il est
rempli au fur et à mesure de la production de déchets, puis fermé une fois plein. Un système d’aspersion
permet d’injecter dans les déchets solides un percolat riche en micro-organismes faisant office d’inoculum.
Au bout de plusieurs semaines, lorsque la méthanisation est achevée, le digesteur est vidé d’une traite puis
rempli avec de la biomasse fraîche à nouveau. Il est donc nécessaire d’installer plusieurs silos en parallèle (4
au minimum) afin de traiter régulièrement les substrats d’une part, et d’assurer une continuité et une stabilité
de la production de biogaz d’autre part.
Le fonctionnement est donc discontinu et les substrats ne sont pas soumis à un brassage quelconque. La
température est majoritairement mésophile, et le temps de séjour moyen est de 30 à 60 jours.

Digesteur « batch » avec percolation
Source : © Hélianthe 2014.

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2.4 Synthèse des états d’avancement
Ci-dessous, un tableau récapitulatif des états d’avancement des technologies en voie humide et sèche :
Système continu

Système discontinu

Voie humide

Le plus courant, développé et approuvé dans
la plupart des secteurs

Très peu de références. Quelques
pistes de développement pour la filière
industrielle.

Voie sèche

Entièrement développé pour les déchets
ménagers, peu développé par ailleurs

En voie de développement, notamment
dans le secteur agricole

Digesteur de 21m de diamètre, fonctionnement continu en voie humide.
GAEC P2MN, Courtes (01). © Hélianthe 2014.

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3 Comparaisons et limites techniques des technologies
3.1 Comparaison des technologies de digesteur
Les principaux critères de comparaison des technologies existantes sont d’ordre technique. Les défauts
techniques peuvent être à l’origine de dysfonctionnements se répercutant sur l’ensemble de l’installation de
méthanisation. Voici les défauts majeurs pouvant survenir au sein du digesteur :





Mauvais contrôle et régulation de la température.
Inétanchéité du digesteur (entrée d’oxygène, pertes de gaz).
Brassage insuffisant provoquant une accumulation de sédiments.
Colmatage par des matières solides, des graisses ou des carbonates précipités.

Le tableau ci-dessous compare les technologies citées précédemment selon ce genre de critères. Pour certains
d’entre eux, les technologies seront comparées selon la codification suivante :

+
++

Critère

Système infiniment
mélangé
CSTR

Temps de séjour
hydraulique (TSH)
Capacité de
traitement
(kg DCO/m3/j)
Temps de démarrage
Accumulation de
biomasse
Brassage de la phase
liquide
Résistance aux chocs
hydrauliques
Résistance aux chocs
organiques
Insensibilité aux
matières en
suspension (MES)
Insensibilité aux
colmatages
Besoins en contrôle
du digesteur

défavorable
favorable
très favorable

Contact

10 à 30 jours

Sur granules
UASB

IC

Sur support
Lit fixé

1 à 5 jours
10 à 15

15 à 25

Lit fluidisé

1 à 2 jours

2à6

3à7

8 à 20

30 à 50

Quelques
jours

Moins
d’une
semaine

Moins d’une semaine

-

+

++

+

++

+

+

-

+

++

+

-

-

++

++

-

-

+

+

+

++

+

-

+

++

++

+

++

-

++

++

+

+

+

-

Un mois à un an

Remarque : Afin de limiter le phénomène de colmatage, un système de détassage des supports peut être mis
en place par recirculation sous pression du biogaz produit.

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3.2 Comparaison des voies sèche et humide
Plus la teneur en MS des substrats est élevée, moins les intrants contiennent d’eau, ce qui permet de réduire
les volumes d’installation, et donc les coûts. Au vu du tableau ci-dessous, on peut remarquer que la voie
sèche continue s’adresse plutôt à des projets collectifs de grande ampleur, tandis que la voie sèche
discontinue semble plus adaptée aux projets agricoles individuels :
Aspect

Voie humide
(MS inférieure à 20%)

Voie sèche continue
(MS entre 20% et 40%)

Voie sèche discontinue
(MS supérieure à 40%)

Technologie éprouvée dans
le secteur agricole

Aucun apport d’eau
nécessaire

Flexibilité et traçabilité de
l’approvisionnement

Peu de besoins en
manutention

Processus stable, peu
sensible aux à-coups de
charge

Réduction du volume de
cuverie et de la
consommation d’eau

Fonctionnement continu

Fonctionnement continu

Possibilité d’autoconstruction

Positif

Négatif

Maîtrise des paramètres
optimaux de digestion :
pH, température,
homogénéisation.

Temps de séjour court

Investissement important
pour les petites unités

Investissement élevé

Forte influence de
l’efficacité du brassage sur
les performances

Soucis d’homogénéité en
température dans le
digesteur

Besoin d’injection en d’eau
pour les intrants trop secs

Difficultés d’homogénéiser
le mélange du digesteur

Technologie simple
d’utilisation
Investissement peu élevé
Problèmes éventuels
d’étanchéité au biogaz
Manutention importante due
à l’accumulation des
chargements et
déchargements manuels des
digesteurs
Soucis d’homogénéité en
température et au niveau de
la répartition des
populations bactériennes

3.3 Comparaison des températures de fonctionnement
Chaque technique présente des avantages et des inconvénients. Dans l’ensemble, la digestion thermophile
présente l’avantage de diminuer le temps de séjour des bactéries, ce qui permet de renouveler plus
fréquemment la biomasse et donc de réduire le volume d’intrants. Les réacteurs ont donc une taille plus
petite qu’en voie mésophile ce qui est moins coûteux à l’investissement. Cependant, le maintien à une
température proche de 55°C nécessite une consommation énergétique plus élevée que pour une digestion
mésophile.
Le traitement mésophile, qui nécessite une exploitation moins fine et une consommation énergétique moins
importante que la configuration thermophile, constitue une très grande majorité des installations fonctionnant
en France. La configuration en deux étapes peut donc s’avérer comme un bon compromis entre les
configurations mésophiles et thermophiles. Sa mise en œuvre est cependant plus délicate, surtout pour les
exploitations de petite taille.

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Mésophile
(30~40°C)

Thermophile
(50~65°C)
Investissement peu élevé

Mise en œuvre simple,
exploitation basique

Avantages

Rendement de dégradation
élevé (CO acceptable :
entre 3 et 5 kgMV.m-3.j-1)

Degré d’hygiénisation
élevé
Faible consommation
énergétique
Temps de séjour court
(2 à 3 semaines)

Investissement élevé
Rendement de dégradation
moyen (CO acceptable :
entre 1 et 3 kgMV.m-3.j-1)

Inconvénients

Mise en œuvre délicate,
exploitation sensible aux
variations de température
et de charge organique
Forte consommation
énergétique

2 étapes
(30~40°C puis 50~65°C)
Pas de besoins en
chauffage de la phase
thermophile
Rendement de dégradation
élevé (CO acceptable :
entre 10 et 30 kgMV.m-3.j-1
dans la première phase,
entre 2 et 4 kgMV.m-3.j-1
dans la seconde phase)
Première phase peu
sensible aux à-coups de
charge ce qui assure la
stabilité de la seconde
phase
Degré d’hygiénisation
élevé
Temps de séjour court
(2 à 3 semaines)

Exploitation fine et
soignée : machines,
équipements et contrôle
commande sophistiqués

Sensibilité aux à-coups de
charge
Faible degré
d’hygiénisation
Sensibilité aux à-coups de
charge

Investissement élevé

Temps de séjour long (4 à
6 semaines)

CO : charge organique

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4 Traitements et valorisations : substrats, biogaz, digestat
4.1 Prétraitement des substrats
Avant de rentrer dans le digesteur, les effluents subissent très souvent des prétraitements :
 Des presses et/ou broyeurs permettent d’alléger le volume de la biomasse entrante.
 Des équipements de préchauffage portent les intrants à une température avoisinant celle du
digesteur, bien que le chauffage du digesteur soit indispensable au bon déroulement de la méthanisation.
 Des équipements de dégrillage et/ou tamisage permettent de filtrer les déchets solides trop
volumineux afin qu’ils n’entravent pas le bon fonctionnement de la digestion.
 Des équipements d’hygiénisation peuvent être nécessaires pour supprimer les micro-organismes
pathogènes qui peuvent potentiellement se développer dans les déchets de restauration et les invendus de
supermarché. La plupart de ces bactéries ne survivent pas à un séjour de plusieurs heures dans une cuve à
haute température (environ 70°C).

Appareil d’hygiénisation des substrats.
Lausanne, Suisse. © Hélianthe 2007.
 Des fosses de pré-mélange permettent d’homogénéiser la biomasse avant digestion et de faciliter
ainsi le brassage dans le digesteur. De plus, ces fosses servent de lieux de stockage de la matière en attente
d’entrer dans le digesteur.

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Fosse de pré-mélange.
GAEC P2MN, Courtes (01). © Hélianthe 2014.
Si les effluents ne sont pas traités en station d’épuration collective, et si leur teneur en DCO (Demande
Chimique en Oxygène : consommation en O2 par les oxydants chimiques forts pour oxyder les substances
organiques et minérales de l’eau) est supérieure aux réglementations environnementales (la concentration en
DCO ne doit pas dépasser 300 mg/L si le flux journalier n'excède pas 100 kg/j ; 125 mg/l au-delà), des
équipements supplémentaires sont requis. Ceux-ci sont également nécessaires dans le cas ou d’autres
indicateurs de pollution sont hors norme : taux de nitrate, phosphore, matière en suspension, etc. D’autres
procédés de traitement chimiques ou biologiques concernant la dépollution des intrants peuvent aussi être
mis en œuvre, comme le chaulage, ou l’ajustement du pH, selon la nature des déchets utilisés par
l’exploitation.

4.2 Traitement et valorisation du biogaz
4.2.1 Traitement du biogaz
Si le biogaz peut être valorisé en énergie, c’est grâce au méthane qu’il contient. Cependant, la présence
d’autres composés peut endommager les équipements de valorisation. Une épuration est donc nécessaire
pour une valorisation par cogénération. Pour l’injection dans le réseau de gaz naturel et l’utilisation en biocarburant, le biogaz doit être épuré de telle manière qu’il soit composé très majoritairement de méthane (au
moins 97%), comparable au gaz naturel.

4.2.1.1 Composition du biogaz
Le biogaz brut issu du digesteur est principalement composé de CH4 (50 à 80%) et de CO2 (20 à 40%).
D’autres gaz peuvent être présents : H2, N2, H2S (0 à 3% au total). La proportion de ces gaz dépend du type
de substrats utilisé.

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4.2.1.2 Gaz traités
 Décarbonatation : Bien qu’inerte, le CO2 peut être corrosif en solution, et sa présence diminue la
teneur en méthane du biogaz.
 Déshydratation : La vapeur d’eau contenue dans le biogaz diminue fortement son PCI, car la
chaleur latente et la chaleur spécifique de l’eau est très élevée. Les condensats qui peuvent se former dans les
canalisations doivent être évacués pour ne pas les obstruer.
 Désulfuration : Le H2S cause la formation d’acides, pouvant endommager de manière importante
les moteurs et les canalisations. Il est également mortel à haute dose, et en grande partie responsable des
odeurs nauséabondes générées par la dégradation des déchets organiques.
 Elimination des siloxanes : Les siloxanes proviennent de produits tels que les shampoings ou
déodorants et sont donc présents dans les biogaz de station d‘épuration et de décharges. Il n’y en pas dans
des biogaz agricoles. Ces substances peuvent être néfastes lorsqu’elles sont brûlées dans des moteurs ou des
appareils de combustions, à cause des dépôts de silice.

4.2.1.3 Procédés d’épuration du biogaz
4.2.1.3.1 Descriptif des procédés existants
Il existe actuellement tout un panorama de procédés d’épuration du biogaz. Ceux-ci diffèrent par leur
principes physico-chimiques, mais aussi par leurs besoins : en électricité, en chauffage, en consommables.
Voici un descriptif des principaux procédés d’épuration du biogaz :

Source : © Hélianthe 2014.

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 L’adsorption par variation de pression (PSA : Pressure Swing Adsorption) : la séparation des
gaz par adsorption est basée sur les différences de comportements d’adsorption des composés du gaz sur une
surface solide sous haute pression. Des matériaux, comme les charbons actifs ou les tamis moléculaires,
adsorbent sélectivement le CO2 du biogaz brut, tout en enrichissant son contenu en méthane. Après
l’adsorption sous haute pression, le matériau adsorbant chargé est régénéré par une diminution progressive
de la pression avec du biogaz brut ou du biométhane. Au cours de cette étape, le gaz pauvre est libéré du
matériau adsorbant. Suite à cela, la pression est à nouveau augmentée et le matériau adsorbant est prêt pour
la prochaine séance d’adsorption. A échelle industrielle, l’unité d’épuration comprend 4, 6 ou 9 absorbeurs
en parallèle afin d’avoir une opération continue. L’eau et le H2S doivent être séparés avant la colonne
d’absorption car ils saturent de manière irréversible le matériel d’adsorption.
 L’absorption : le principe de la séparation par absorption est basé sur les différences de solubilités
des composants du gaz dans un même liquide de lavage. Les composés à séparer du biogaz (le CO2
principalement) sont nettement plus solubles dans le liquide que le méthane et sont extraits du gaz. Ainsi, le
gaz qui reste dans la colonne est plus riche en méthane et le liquide de lavage extrait de la colonne est riche
en dioxyde de carbone. Afin de maintenir les performances de l’absorption, le liquide de lavage doit être
régulièrement remplacé par un liquide nouveau ou être régénéré dans le cadre d’une étape séparée
(désorption ou étape de régénération). Habituellement 3 différentes technologies utilisant ce principe sont
utilisées :


Par lavage à l’eau



Par lavage aux amines (absorption chimique)



Avec un solvant organique (absorption physique)

 La séparation membranaire : les membranes utilisées pour l’épuration du biogaz sont faites en
polymère, matériaux perméables au CO2, à l’eau et à l’ammoniac. Le sulfure d’hydrogène, l’oxygène, et
l’azote sont filtrés par la membrane jusqu’à un certain seuil tandis que le méthane traverse en très faible
quantité. Ces matériaux montrent une bonne sélectivité dans la séparation du méthane et du CO2 avec une
certaine robustesse face aux composés traces contenus dans le biogaz brut. Afin d’offrir une surface
membranaire suffisante dans une unité compacte, ces membranes sont organisées en fibres creuses et
combinées en modules.
 L’épuration cryogénique : elle met à profit les différents points d’ébullition des composés gazeux
du biogaz: le CO2 a son point d’ébullition à 78°C à pression atmosphérique ; celui du méthane se situe à
160°C à pression atmosphérique. On porte le biogaz à 165°C, ce qui permet d’extraire le méthane durant sa
phase liquide. Deux produits apparaissent : l’un composé de méthane, l’autre de CO2. L’eau et le H2S
doivent être préalablement traités pour notamment éviter les problèmes de gel. Cette technique est
particulièrement adaptée aux gaz de décharge car elle traite efficacement les siloxanes et l’azote.

4.2.1.3.2. Lien entre gaz épuré et procédé utilisé


Procédés utilisés pour séparer le CO2 : absorption, adsorption et séparation membranaire.

 Procédés utilisés pour enlever le soufre et/ou le H2S : ajouts de sels minéraux, désulfurisation
biologique via des micro-organismes, lavage aux oxydants chimiques, adsorption sur oxydes métalliques ou
par charbons actifs.
 Procédés utilisés pour enlever l’eau : lavage au glycol, adsorption sur des silicates, sur du charbon
actif ou encore sur des tamis moléculaires type zéolithes.

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4.2.1.4 Traitements du biométhane nécessaire à l’injection réseau
Pour être injecté, le biométhane est acheminé jusqu’au poste d’injection acheté, installé et maintenu par
l'opérateur de réseaux concerné ou le prestataire ayant gagné l’appel d’offre en vigueur. Dans ce poste ont
lieu quatre étapes :
 L’odorisation permet de donner au biométhane l’odeur caractéristique du gaz naturel et ainsi assurer
la sécurité des usagers.
 Le contrôle de la qualité du biométhane permet de vérifier la conformité de ses caractéristiques
physico-chimiques aux prescriptions techniques en vigueur.


La régulation de la pression permet au biométhane d’être prioritaire pour pénétrer dans le réseau.



Le comptage permet de connaître les volumes de biométhane injectés (ou non) dans le réseau.

Procédé d’odorisation pour injection réseau.
Suède. © Hélianthe 2013.

4.2.1.5 Devenir des gaz traités (offgaz)
Les gaz rejetés par épuration sont appelés « offgaz ». Il s’agit principalement de dioxyde de carbone, de
méthane et d’azote. Ces gaz peuvent être rejetés dans l’atmosphère, mais le rejet de méthane a un effet
néfaste sur l’environnement. Par conséquent, l’offgaz sera la plupart du temps oxydé, via une chaudière par
exemple, pour produire du CO2 et ainsi assurer la disparition de tout le méthane. On peut également produire
de la chaleur en brulant le méthane contenu dans l’offgaz dans une chaudière à bas PCI pour maintenir le
digesteur en température. Enfin, certains projets envisagent aussi de valoriser le CO2 dans des serres par
exemples. Le traitement et la valorisation de l’offgaz constitue donc un enjeu important dans le processus de
méthanisation.

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4.2.2 Stockage du biogaz
La production de biogaz dépend de nombreux facteurs et varie fortement au cours du temps. De plus, il doit
exister une adéquation entre la quantité de biogaz autoconsommée pour chauffer le digesteur et le débit de
biogaz sortant du digesteur. C’est pourquoi il est primordial de stocker le biogaz produit.
Les équipements de stockage doivent être dimensionnés pour pouvoir contenir au maximum un tiers de la
production journalière de biogaz, sachant que le temps de stockage moyen du biogaz est d’environ 7 à 8
heures, temps suffisant pour réaliser des opérations de maintenance ponctuelles. La capacité de stockage à
pourvoir augmente en fonction de la complexité du mode de valorisation envisagé ; pour le bio-méthane
carburant par exemple, l’utilisation du biogaz est discontinue et fractionnée ce qui suppose un mode de
stockage optimal du biogaz.
Pour collecter le biogaz, il suffit de mettre en dépression le dôme de stockage par le biais d’un surpresseur.
La pression et les fluctuations de pression du biogaz sont donc des paramètres à maîtriser, tout comme la
teneur en CH4 (minimum 50%) qui ne doit pas être fluctuante.
Un gazomètre est l’équipement principal de stockage. Pour une cogénération de type moteur à gaz, il permet
au moteur de fonctionner continuellement à une puissance proche de la puissance nominale. En effet, le
rendement d’un moteur est maximal à puissance nominale, or la production de biogaz pouvant fluctuer, le
gazomètre absorbe les variations de production du digesteur ce qui permet de réguler le fonctionnement du
moteur autour de son régime nominal.
Il existe sur le marché actuel quatre trois grands types de gazomètres :
 Les gazomètres indépendants de type sphérique comportent deux membranes : une membrane
souple déformable enfermée dans une membrane textile externe tendue. La membrane non rigide permet
d’adapter le volume de biogaz selon les quantités de gaz disponibles et consommées. La pression du gaz est
régulée par un système électrique. Ce modèle est courant dans les unités de méthanisation de station
d’épurations.
 Les gazomètres souples ou « ballons » ne sont constitués que d’une unique membrane. Un
surpresseur est nécessaire pour évacuer le biogaz à l’extérieur du gazomètre. Les gazomètres actuellement
sur le marché diffèrent par la pression de service régnant à l’intérieur du gazomètre.
 Le gazomètre cloche est structuré par un réservoir en béton dans lequel flotte une cloche à virole.
Cette cloche gazométrique s’adapte à la production et à la consommation de biogaz en effectuant des
mouvements ascendants ou descendants pour modifier le volume disponible en fonction des besoins
situationnels. Ce type de gazomètre est également répandu sur les stations d’épuration d’eaux usées. A noter
que la cloche peut faire partie intégrante du digesteur.
D’autres équipements non intégrés au digesteur peuvent compléter le stockage du biogaz :
 Les couvertures de cuve : ce sont des bâches étanches couvrant les cuves de stockage, les fosses ou
les digesteurs. Une membrane élastique amovible fixée à la bâche se déforme selon la pression du biogaz. On
retrouve ces couvertures sur les digesteurs agricoles ou encore sur les fosses de stockage du digestat dans
plusieurs pays d’Europe.
 Le post-digesteur est une cuve de stockage isolée, éventuellement chauffée, et couverte d’une
membrane étanche au biogaz. Le digestat issus du digesteur principal peut encore libérer du biogaz via une
seconde digestion. Le post-digesteur permet de stocker le biogaz résiduel produit.

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Post-digesteur enterré avec gazomètre.
Lausanne, Suisse. © Hélianthe 2007.

4.2.3 Valorisation du biogaz
4.2.3.1 Enjeux principaux
La valorisation du biogaz ne peut se faire sans d’importants coûts d’investissements. C’est pourquoi celle-ci
n’est pas toujours systématiquement envisagée. En effet, si les objectifs recherchés à la base sont
l’abattement de la charge polluante, la diminution du volume des intrants ou encore la réduction des odeurs,
alors la valorisation n’a pas lieu d’être. Ceci est fréquemment le cas pour les installations de stations
d’épuration pour lesquelles le traitement et la dépollution des eaux usées constituent un enjeu majeur. Dans
ce cas, le biogaz est uniquement torché (brûlé).
Dans tous les cas, une torchère est obligatoire, pour pallier aux problèmes d’excédent de production, de
dysfonctionnements des équipements de valorisation, ou tout simplement en l’absence d’équipements de
valorisation. Une chaudière peut également jouer ce rôle si elle est couplée à un système d’évacuation de la
chaleur (aérothermes). Le méthane étant un gaz à effet de serre, il doit en effet être brûlé et non relâché dans
l’atmosphère, les produits de la combustion étant majoritairement de l’eau et du CO2, gaz respectivement 3 et
23 fois moins néfastes pour l’environnement que le CH4.
Le mode de valorisation adopté par une installation de méthanisation dépend de nombreux facteurs : capacité
de stockage, budget alloué, besoins internes du site, besoins en consommation, proximité des débouchés,
etc. Ce dernier paramètre est crucial car il renferme de nombreuses autres problématiques : transport du
biogaz, acheminement de l’énergie, ou encore proximité des réseaux de distribution. Tenant compte de tous
ces facteurs, chaque projet est par conséquent unique en soi, regroupant son propre panel d’acteurs
concernés, et motivé par la volonté des porteurs de projet.

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Torchère.
La Motte-Servolex (73). © Hélianthe 2011.

4.2.3.2 Modes de valorisation du biogaz les plus répandus
4.2.3.2.1 Valorisation thermique uniquement
La valorisation en chaleur seule est historiquement le premier et unique mode de valorisation du biogaz. Le
biogaz est brûlé en chaudière, et la chaleur dégagée peut être exploitée sous forme d’eau chaude, d’huile
chaude, ou de vapeur d’eau. Le principe de fonctionnement d’une chaudière à biogaz est similaire à celui
d’une chaudière classique utilisant des combustibles fossiles, excepté pour le brûleur qui possède une
composition différente. Dans la plupart des cas, la chaudière peut également être alimentée en utilisant du
gaz naturel comme combustible.
Les contraintes techniques sont relativement faibles, ce qui permet d’affirmer que ce mode de valorisation
convient très bien aux petites exploitations ayant des besoins importants en chaleur.

4.2.3.2.2 Valorisation électrique uniquement
La valorisation en électricité seule est privilégiée pour les exploitations n’ayant pas la possibilité de valoriser
la chaleur ou ayant peu de besoins en chaleur. C’est notamment le cas pour les décharges. Un moteur ou
une turbine à gaz génère de l’énergie mécanique convertie en électricité par un alternateur. Cela convient
donc aux installations de forte puissance. Le principal inconvénient de ce mode de valorisation est son faible
rendement électrique (cf paragraphe 6.4.2). Les tarifs de rachat sont détaillés dans le paragraphe 7.2.1.1.3.

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Brûleur à gaz pour chaudière.
Lavigny, Suisse. © Hélianthe 2013.

4.2.3.2.3 Production conjointe de chaleur et d’électricité
La cogénération allie production de chaleur et d’électricité. Le rendement est ainsi augmenté par rapport à
une valorisation simple puisque ces deux types d’énergie sont valorisés à la fois. C’est le mode de
valorisation le plus répandu en France à l’heure actuelle. La grandeur physique caractérisant le mieux une
unité de cogénération est sa puissance électrique (en kWé).
Le principe de production d’électricité est le même que pour une simple valorisation électrique. La chaleur
est quant à elle récupérée soit via des échangeurs situés sur le système de refroidissement du bloc moteur,
soit à partir des fumées. Lorsque la production de chaleur est trop importante, ou dans le cas d’une
diminution de la consommation de chaleur, des aérothermes situés le plus souvent sur le toit de l’installation
servent à évacuer le surplus de chaleur.
L’utilisation de la chaleur concerne le chauffage du digesteur et/ou des substrats (autoconsommation),
les usages internes au site de production : séchage (des boues, des fourrages, des récoltes, des bois),
chauffage des locaux, production d’eau chaude, réchauffage de serres, etc., et les usages externes de
proximité : industries, réseaux de chaleur, maisons, autres exploitations, etc. Pour des usages externes, le
point clé est la proximité des débouchés ; une dispersion trop grande du réseau de chaleur n’est pas
favorable. Un bon indicateur peut être la densité thermique (énergie transportée par mètre linéaire de réseau).
Il faut également faire attention à la saisonnalité des besoins en chaleur.
L’électricité peut être soit utilisée pour les besoins internes du site, soit revendue à EDF sur la base d’un
contrat d’achat d’une période de 15 ans. L’injection d’électricité sur le réseau est un processus aujourd’hui
maitrisé et relativement simple.
Deux types de moteur existent : les moteurs à gaz et les moteurs « dual fioul ». Les moteurs à gaz ne
fonctionnent qu’au biogaz, tandis que dans les moteurs « dual fioul », une petite quantité de fioul est injecté
pour permettre l’inflammation du mélange air/biogaz. On peut également utiliser des turbines à gaz (à vapeur
ou à combustion) à la place du moteur pour des cogénérations de très hautes puissances (supérieures à 3
MW).

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Groupe froid (à gauche) et aérothermes (à droite).
Lescheroux (01). © Hélianthe 2013.

Moteur de cogénération de 190kWé.
Lescheroux (01). © Hélianthe 2013.

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4.2.3.3 Valorisations nécessitant une épuration sophistiquée
4.2.3.3.1 Injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel
Depuis Novembre 2011, il est légalement possible d’injecter du bio-méthane dans le réseau national de
gaz. L’avantage de l’injection sur la cogénération est qu’il n’y a pas besoin de trouver un débouché pour la
chaleur. L’énergie est stockée et déplacée sous forme gazeuse, qui est la forme la plus souple d’utilisation.
Les tarifs de rachat sont détaillés dans le paragraphe 7.2.1.2.2. La grandeur physique caractérisant le mieux
une injection dans le réseau de gaz naturel est le débit injecté (en N.m3/h).
L’injection du biométhane dans le réseau de gaz naturel n’est possible qu’à deux conditions :


S’il a été produit à partir d’intrants autorisés (voir figure ci-dessous)

 S’il possède les caractéristiques physico-chimiques requises : minimum de 97% de CH4, PCS,
densité, teneur des autres gaz, etc., permettant de garantir une bonne combustion, un niveau de facturation
équivalent à celui du gaz naturel, la sécurité des usagers et la préservation de l’intégrité des canalisations. Ce
dernier point nécessite une épuration poussée (voir paragraphe 4.2.1).
Les inconvénients sont d’abord le coût de l’unité d’épuration du biogaz et du raccordement au réseau. Cela
handicape la rentabilité des projets de faible envergure. GrDF estime qu’en deçà de 60 N.m3/h, la rentabilité
n’est plus assurée. Il convient aussi de veiller à l’innocuité du gaz vis-à-vis des utilisateurs et du réseau. Par
ailleurs, il faut tenir compte de la capacité d’absorption du réseau. Cette problématique est développée plus
en détail dans le paragraphe 7.2.1.2.1.

Liste des déchets concernés par l’injection de biométhane dans le réseau de gaz naturel.
Source : © Hélianthe 2014.

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Poste d’injection réseau.
Suède. © Hélianthe 2013..

4.2.3.3.2 La double valorisation
Depuis le 27 février 2013, le dispositif de double valorisation permet aux producteurs de biogaz de valoriser
simultanément leur production sous forme d’électricité et sous forme de biométhane injecté dans les
réseaux de gaz naturel, en leur accordant le double bénéfice des dispositifs de soutien existants pour la
production d’électricité à partir de biogaz (tarif d’obligation d’achat) et pour la production de biométhane
injecté (tarif d’achat garanti). Les tarifs de rachat sont détaillés dans le paragraphe 7.2.1.3.

4.2.3.3.3 Le biométhane carburant
Tout comme l’injection dans le réseau de gaz naturel, la valorisation en biométhane carburant nécessite une
épuration du biogaz jusqu’à atteindre 97% de méthane minimum. Le biométhane sert alors à alimenter des
véhicules dont le moteur est adapté à ce gaz particulier (on parle de GNV, ou Gaz Naturel Véhicule). Les
véhicules cibles sont les flottes captives rattachées à un site équipé d’un compresseur. Il s’agit le plus
souvent des flottes de véhicules des collectivités locales et des entreprises, possédant leur propre station de
bio-GNV : bus, véhicules légers, bennes à ordures, ou autres véhicules utilitaires urbains. A l’heure actuelle,
le réseau de distribution de GNV rend difficile le développement de ce biocarburant à grande échelle pour les
particuliers, d’autant plus que très peu de modèles de véhicules adaptés au bio-GNV sont actuellement
disponibles sur le marché français.
Ce mode de valorisation engendre de lourds investissements et est par conséquent tout juste en
développement en France. Par contre, cette technique est couramment utilisée dans les pays voisins : Suède,
Allemagne, Autriche, ou encore Suisse.

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Borne de distribution de biocarburant GNV.
Suède. © Hélianthe 2013.

4.2.3.4 Autres modes de valorisations
4.2.3.4.1 La trigénération
Une cogénération est couplée à une machine frigorifique à absorption pour produire du froid à partir de la
chaleur, de la chaleur et de l’électricité. Les faibles rendements et les coûts d’investissement et
d’exploitation élevés rendent aujourd’hui cette technologie peu rentable, spécialement pour les unités de
petites dimensions. La plupart des offres disponibles concernent en effet des puissances dépassant 300 kW
froid. Néanmoins, de nombreux constructeurs commencent à s’intéresser à ce procédé, ce qui devrait élargir
la gamme existante et diminuer les prix.

4.2.3.4.2 La pile à combustible microbienne (PCM)
La conception est similaire à celle des piles à combustible standard, à l’exception du fait que l’anode est
directement en contact avec des micro-organismes, ce qui permet la génération d’électricité par
dégradation de molécules organiques simples (sucres, protéines) ou directement avec les effluents à traiter.
Comme les bactéries se nourrissent des eaux usées, les PCM constituent également une solution alternative à
petite échelle au traitement de l’eau.
Cette technologie est viable pour des petites installations reculées et isolées du réseau électrique. Cependant,
elle n’est pas encore assez développée pour qu’un marché concurrentiel et des dispositifs incitatifs soient mis
en place.

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4.3 Traitement et valorisation du digestat
Après avoir été digéré pendant quelques dizaines de jours, le résidu de méthanisation contient une fraction
non dégradée de la matière organique initiale et l’ensemble des matières minérales appelée digestat. Ce
digestat est généralement un fertilisant d’excellente qualité, s’il ne contient pas de composants nocifs pour
l’environnement, ce qui peut être le cas lorsqu’il est issu de la méthanisation d’effluents d’industries
chimiques ou d’ordures ménagères. Le procédé de méthanisation n’entraîne pas de perte en eau.

4.3.1 Caractéristiques du digestat
Le digestat issu de la méthanisation possède de nombreuses propriétés physiques, biologiques et fertilisantes.
Parmi celles-ci, le digestat est :
 Hygiénisé : le digestat ne contient pas de substances pouvant s’avérer toxiques vis-à-vis des cultures
(AGV par exemple) ou de matériaux inertes tels que le verre ou le plastique.
 Désodorisé : les matières organiques qui sont source de mauvaises odeurs sont les matières les plus
facilement dégradables par la digestion. En sortie du digesteur, le digestat est donc quasiment inodore.
 Fortement nutritif : toutes les propriétés fertilisantes et amendantes des effluents ont été préservées
lors de la méthanisation, notamment l’azote, le phosphore, et le carbone récalcitrant qui est à l’origine de la
formation d’humus dans les sols.
 Nettoyé des graines de mauvaises herbes : celles-ci ont été incinérées dans le digesteur. Des
traitements phytosanitaires ne sont donc pas nécessaires.

4.3.2 Traitement du digestat
Les traitements du digestat visent principalement à réduire son volume pour faire des économies au niveau
du stockage, du transport et de l’épandage, ou alors à obtenir un produit avec des qualités agronomiques
particulières pour éventuellement le commercialiser.
Le digestat brut peut subir plusieurs traitements comme l’extraction de l’azote, la déshydratation ou la
granulation, mais le plus fréquemment, on a recours au procédé de séparation de phase : via une presse à
vis, une centrifugeuse, et par simple séchage. Au terme du processus, on obtient deux phases distinctes :
 La fraction solide (matière sèche), composée essentiellement de matière organique, de phosphore et
de matière fibreuse.


La fraction liquide (concentrat), riche en nutriments : ammonium, potassium et phosphore.

Les traitements liés à la phase solide sont le compostage avec ou sans aération forcée, et le séchage. Le
compostage a pour but de stabiliser le digestat en éliminant les résidus carbonés et les micro-organismes
pathogènes. Le séchage du digestat brut se fait à l’aide d’un séchoir à tapis horizontal. Une bonne solution
est d’utiliser la chaleur excédentaire provenant du module de cogénération. Le but du séchage est de réduire
le volume du digestat et de concentrer ses éléments nutritifs en évaporant l’eau.
Les traitements associés à la phase liquide sont :

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Equipement de séparation de phase du digestat.
Lausanne, Suisse. © Hélianthe 2007.
 La filtration membranaire : une membrane permet, sous l’effet d’un gradient de pression, de
séparer la phase liquide en deux autres phases : une ne contenant que de l’eau, et une concentrée en
composants fertilisants. Plus les pores de la membrane sont petits et plus le filtrage est important, le procédé
le plus sophistiqué étant l’osmose inverse (jusqu’à 0,001 µm).
 L’évaporation / la condensation : la phase liquide passe à travers plusieurs évaporateurs en
cascade. L’eau peut être récupérée par condensation et ainsi servir à l’irrigation des parcelles à proximité ou
être redirigée vers une STEP.
 Le stripping de l’azote : après méthanisation, l’azote se trouve sous forme ammoniacale (NH4+).
Pour le récupérer, on utilise une colonne d’échange gaz/liquide fonctionnant à pH et température élevés, ce
qui permet de libérer l’ammoniac volatil. L’azote est récupéré dans une solution concentrée de sulfate
d’ammonium.
 La précipitation sous forme de struvite : après méthanisation, le phosphore se trouve sous forme
d’ions phosphates (PO43-). On utilise la co-précipitation des ions phosphates et ammonium en ajoutant un
réactif magnésien Mg(OH)2. Le précipité contient alors des cristaux de struvite.
Les deux premiers procédés permettent de diminuer drastiquement la teneur en eau de la fraction liquide du
digestat et donc son volume, tandis que les deux derniers, utilisés dans les régions excédentaires en
nutriments, permettent d’évacuer l’azote.

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4.3.3 Stockage du digestat
Le digestat est stocké dans des post-digesteurs. Sachant que l’épandage du digestat ne peut se faire en
période trop froide (4 à 6 mois dans l’année, variable en fonction des régions), le dimensionnement des postdigesteurs doit donc être pensé en fonction de la quantité de digestat à stocker pendant cette période. Il est
possible d’utiliser des citernes comme stockage d’appoint.

4.3.4 Valorisation du digestat
Une valorisation optimale du digestat passe par une qualité et une efficacité maximale de l’installation de
méthanisation. La qualité du digestat dépend du type d’intrants, de la technologie utilisée, ainsi que des
traitements et du mode d’entreposage. L’efficacité varie quant à elle en fonction des modalités d’épandage et
des conditions pédoclimatiques. La valeur fertilisante est le principal indicateur de qualité pour les digestats
bruts et la fraction liquide, alors que la valeur d’amendement constitue un indicateur pour la fraction solide.
En Europe, 95% des digestats sont valorisés comme engrais liquide sans traitement. Souvent, les usines de
méthanisation payent les producteurs ou des intermédiaires pour valoriser les digestats.

4.3.4.1 L’épandage
Les digestats du secteur agricole, des industries agroalimentaires et des stations d’épurations des boues
urbaines sont dans la majorité des cas épandus sur des surfaces agricoles, selon un plan d’épandage régi
par la réglementation ICPE et des prescriptions locales. Ce plan d’épandage est défini de telle sorte que la
terre soit en mesure d’absorber les éléments fournis par le digestat, sans polluer les nappes phréatiques.
La fraction solide peut servir d’amendement en raison de sa teneur élevée en calcium récalcitrant. En
revanche, et contrairement à la phase liquide, la phase solide ne respecte que très rarement les critères pour
être appliquée directement en agriculture. Il faut donc procéder au traitement du digestat, en le
compostant par exemple.
L’épandage, s’il est mal réalisé, peut présenter des risques pour l’environnement. Les solutions pour éviter la
volatilisation de l’azote sont les suivantes : privilégier une teneur en MS du digestat élevée, utiliser des
équipements adaptés, comme une tonne à lisier avec une rampe pendillard par exemple, ou encore recouvrir
les structures d’entreposage avec une couverture flottante (ce qui permet également de collecter du biogaz).
Concernant les risques de lessivage, il est conseillé d’épandre sur sol humide en dehors des périodes
pluvieuses.

4.3.4.2 Le compostage
Pour le compostage, il est nécessaire de mélanger le digestat à des co-substrats comme les déchets verts par
exemple, ce qui en améliore la structure et l’enrichit en matière organique. Le compostage est aujourd’hui
le seul moyen d’avoir un produit final normalisé et de s’affranchir d’un plan d’épandage. Le digestat
entre alors dans la composition d’un compost qui doit répondre aux seuils spécifiés par la norme AFNOR
NFU 44-051 (amendements organiques) ou NFU 44-095 (amendements organiques et composts issus du
traitement des eaux).

4.3.4.3 La réinjection dans le digesteur
Une proportion de la fraction liquide (et du digestat brut) peut être réacheminée dans le digesteur dans
plusieurs procédés (voir paragraphe 2.1.5). Cependant, il est recommandé de réintroduire moins de 50 % du
volume de la fraction liquide pour maintenir un niveau de production de méthane stable.

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Halles à composte.
Lavigny, Suisse. © Hélianthe 2013.

Intérieur d’une halle à composte.
Lavigny, Suisse. © Hélianthe 2013.

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5 Répartition sectorielle des technologies et des modes de valorisation
Toute installation de méthanisation peut être répertoriée selon des critères spécifiques : nature et origine des
intrants, taille de l’installation, puissance. Dans cette partie, nous allons définir les filières types et cerner s’il
existe des corrélations entre une filière donnée et une technologie ou un mode de valorisation en particulier,
en adoptant une approche statistique. Le critère prédominant permettant d’établir cette classification sera
l’origine et la nature des intrants.

5.1 Nature des intrants et classification sectorielle
5.1.1 Que peut-on méthaniser ?
Toutes les matières organiques, à l’exception des produits ligneux (déchets de bois et tailles d’élagage), sont
méthanisables.

5.1.2 Classification sectorielle des intrants
Les intrants susceptibles d’être méthanisés peuvent être regroupés selon trois catégories :
Famille d’intrant

Type d’intrant

Matières fermentescibles d’origine agricole

Effluents d’élevage, résidus de cultures, cultures
énergétiques

Déchets et sous-produits des industries agroalimentaires

Issues de silos, déchets de la grande
distribution/marchés, de l’industrie des viandes, de
l’industrie laitière, de l’industrie agro-alimentaire
de seconde transformation

Déchets des collectivités

Huiles alimentaires usagées, déchets de repas,
boues de STEP, matières de vidange, FFOM,
déchets verts

Les filières ordures ménagères et stations d’épuration (STEP) produisent une grande majorité du
biogaz issu des déchets des collectivités. Les autres intrants issus des collectivités seront donc abordés de
façon très succinte :
 Les matières de vidanges sont les résidus de l’assainissement non collectif. Ils sont très peu
méthanogènes, mais leur traitement peut être lucratif, les solutions alternatives étant limitées.
 Les déchets verts proviennent de l’entretien des espaces communaux et privés des particuliers et des
professionnels paysagistes. Leur importante fraction ligneuse rend leur usage plus pertinent en compostage
ou co-compostage avec le digestat qu’en méthanisation.
 Les huiles alimentaires usagées (HAU) sont principalement les huiles de friture utilisées dans la
préparation des repas des cuisines collectives. Leur pouvoir méthanogène est très important et les
producteurs ont une obligation de collecte. Toutefois, il s’agit d’une denrée convoitée, car utilisable en
carburant dans de nombreux pays.

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5.1.3 Du mélange d’intrants à la co-digestion
5.1.3.1. A propos des mélanges
Les effluents d’élevage présentent un faible pouvoir méthanogène (cf. paragraphe 6.2.1.2) car ils contiennent
peu de molécules organiques, mais renferment un nombre important de bactéries indispensables au processus
de digestion anaérobie. A l’inverse, les résidus de cultures, les déchets d’origine agroalimentaire et les
graisses sont fortement chargés en matières organiques. L’association de ces deux types d’intrants au sein
d’un même digesteur accroît donc ses performances et permet également de s’affranchir des problèmes
causés par la saisonnalité de certains substrats. Il faut néanmoins veiller à l’équilibre du mélange, notamment
la quantité de graisses qui, bien que leur potentiel méthanogène soit très élevé, dégagent après digestion des
AGV néfastes aux micro-organismes. La teneur maximale en graisses ne doit donc pas dépasser 15 à 20% de
la matière sèche totale entrante.

5.1.3.2. La co-digestion
La co-digestion consiste en la centralisation de substrats issus de territoires et filières diverses. Le plus
souvent, la co-digestion associe la filière agricole, dont les effluents d’élevage sont très peu méthanogènes,
avec la filière industrielle, dont les substrats sont fortement méthanogènes. Mais elle peut également
intervenir entre plusieurs industriels, ou entre des industries et des partenaires locaux (autres industries agroalimentaires, restauration, supermarchés, communes, etc). On parle alors de méthanisation centralisée ou
territoriale.
La co-digestion présente de multiples avantages. Elle permet d’abord de pallier aux problèmes liés à la
saisonnalité de la production de déchets de manière à maintenir un fonctionnement continu des digesteurs.
De plus, la co-digestion met en jeu les déchets industriels solides qui sont pour la plupart facilement
transportables. Or, le gisement lié à ce type de déchets est très important. Le développement des projets de
co-digestion pourrait donc accélérer le développement de la méthanisation de manière significative.
Aujourd’hui, ce type d’installation est minoritaire, mais dans les années à venir, cela pourrait se développer
très largement et former un secteur à part entière. Cependant, s’il n’existe aujourd’hui pas de compétition au
niveau des substrats agricoles, l’utilisation de co-substrats industriels pourrait générer des coûts importants.
La compétition pour des co-substrats méthanogènes pourrait donc exister si la méthanisation se développe à
un rythme soutenu à l’avenir.

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5.2 Filière Industrielle
5.2.1 Types de déchets utilisés et sous-secteurs concernés
Le secteur industriel a été le premier à développer la méthanisation pour le traitement des effluents. En
France, on compte plus de 80 installations industrielles recensées en 3 sous-secteurs distincts :
 Les industries agroalimentaires (IAA) regroupent les industries de transformation des produits
suivants :







Viandes
Produits laitiers (fromage, lactosérum, eaux blanches, yaourts, glaces)
Sucre, miel et friandises
Boissons et alcools
Fruits, légumes et pommes de terre
Amidon et additifs alimentaires



Les industries chimiques, industries de production de biocarburants, industries pharmaceutiques.



Les papeteries et cartonneries.

5.2.2 Répartition de la production de biogaz
Voici la répartition de la production de biogaz par type d’industrie :

Source : Etude de marché de la méthanisation et des valorisations du biogaz, ADEME.
Près de 64% du biogaz produit provient donc des IAA, le reste revenant aux secteurs de la papeterie et de
la chimie (36%).

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5.2.3 Technologies privilégiées
5.2.3.1. Répartition des températures de fonctionnement
Voici la répartition des températures de fonctionnement du digesteur des installations industrielles en France.
L’échantillon statistique comprend 47 industriels français.

Source : Etat des lieux de la filière méthanisation en France, ATEE.
La technologie mésophile est de loin la plus employée par la filière industrielle. Notons qu’aucune
installation n’emploie la technologie thermophile.

5.2.3.2. Répartition des technologies de digesteur par sous-secteurs
Voici la répartition des technologies de digesteur des installations industrielles en France L’échantillon
statistique comprend 47 industriels français.

Infiniment
mélangé

UASB

Lit fixé

Lit fluidisé

Produits laitiers

71%

29%

0%

0%

Fruits et
légumes

33%

0%

67%

0%

Sucre

33%

33%

33%

0%

Brasserie

20%

80%

0%

0%

Distillerie

67%

0%

33%

0%

Effluents
vinicoles

38%

50%

0%

13%

Chimie

29%

43%

14%

14%

Pharmacie

100%

0%

0%

0%

Papeterie

0%

50%

0%

50%

42%

36%

11%

11%

Technologies de digesteur

IAA

Chimie,
biocarburant,
pharmacie
Papeterie,
Cartonnerie

Répartition globale

Source : Etat des lieux de la filière méthanisation en France, ATEE.

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Au vu de ces données, on constate donc que les digesteurs les plus largement employés dans la filière
industrielle sont les digesteurs de type infiniment mélangés et UASB, en proportions quasi-équivalentes.
Compte tenu du nombre d’industries de l’échantillon, aucune conclusion ne peut être formulée sur les
corrélations entre la technologie et le secteur industriel concerné. Les procédés sont adaptés à la nature des
déchets (liquides ou solides, charge organique, …) au cas par cas.
Enfin, une industrie peut disposer de plusieurs digesteurs du même type sur son site, mais la majorité des
installations (70%) ne dispose que d’un seul digesteur.

5.2.3.3. Répartition des modes de valorisation du biogaz
Voici la répartition des installations industrielles en France en fonction de leur procédé de valorisation du
biogaz. L’échantillon statistique comprend 38 industriels français.

Source : Etude de marché de la méthanisation et des valorisations du biogaz, ADEME.
On constate donc que plus de 65% des installations industrielles valorisent l’énergie produite en chaleur
seule, et l’énergie est quasi-systématiquement autoconsommée.

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5.3 Filière Agricole et territoriale
Le principal motif du développement de la méthanisation d’effluents agricoles est la production d’énergie
qu’elle permet. En second lieu, les effluents d’agriculture et d’élevage sont souvent sources de pollution, et
la méthanisation apparait comme une excellente solution pour les traiter ou les contrôler. Cependant, les
installations de traitement d’effluents agricoles sont pour l’instant dans l’ensemble peu rentables, et
dépendent largement des subventions accordées.

5.3.1 Type de déchets utilisés
On peut distinguer trois catégories de déchets agricoles :
 Les effluents agricoles regroupent les lisiers, fumiers, fientes et eaux de nettoyage des élevages.
S’ils sont peu méthanogènes et sujets à une certaine saisonnalité, ils sont abondants et disponibles.
 Les résidus de cultures sont les parties résiduelles des plantes après récolte (pailles, pulpes, fanes,
etc.). Fortement méthanogènes et présents en grande quantité, leur ramassage est compliqué techniquement
et cela les rend souvent non rentables.
 Les cultures énergétiques sont des cultures intercalées entre les cultures classiques, en
remplacement ou en complément des couverts obligatoires dans certaines zones. Entre autres critères, ces
cultures peuvent être choisies pour leur fort pouvoir méthanogène. Cependant la nature même des cultures
intercalaires limite leur rendement et requiert une maîtrise technique importante de la part de l’agriculteur.

5.3.2 Sous-secteurs concernés
Selon les quantités de matières méthanisées (de quelques milliers à plusieurs dizaines de milliers de tonnes),
et selon le porteur du projet, on peut distinguer deux types d’installations de traitement d’effluents agricoles :
 Projets « à la ferme » : pour les projets « à la ferme », un agriculteur ou des agriculteurs regroupés
dans une entité juridique (GAEC, EARL, par exemple) exploitent l’installation. Ces unités traitent de l’ordre
de 3 000 à 10 000 tonnes annuellement, pour une puissance électrique comprise entre 100 et 300 kWé dans
le cas d’une valorisation par cogénération. Certains projets à la ferme se font en partenariat avec un lycée
agricole.
 Projets centralisés / territoriaux : de taille plus conséquente, ces unités sont exploitées par des
sociétés traitant les déchets de plusieurs structures agricoles, souvent conjointement à des effluents provenant
d’autres secteurs (co-produits agro-industriels, déchets de grandes surfaces ou collectivités, boues de stations
d’épuration, etc.)
On distingue :


Les « petits collectifs » : 10 000 à 20 000 tonnes de capacité de traitement.

 Les « grands collectifs » : la capacité de traitement va jusqu’à 100 000 tonnes de matières et une
puissance électrique de l’ordre du MW.

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5.3.3 Répartition des intrants traités
5.3.3.1. Exploitations n’utilisant que des intrants d’origine agricole
Sur l’ensemble des exploitations françaises n’utilisant que des déchets agricoles, plus de la moitié
n’emploie uniquement que des déjections animales. Concernant l’autre moitié des exploitations, les
déjections animales restent majoritaires mais sont le plus souvent complétées par des cultures énergétiques.

5.3.3.2. Exploitations utilisant la co-digestion
Pour les installations « à la ferme », les intrants d’origine agricole sont très largement majoritaires, environ
80% du mélange, tandis que les résidus industriels (essentiellement graisses et déchets de céréales)
occupent quant à eux près de 20% du mélange. Plus l’exploitation est importante, et plus la part liée aux
déchets industriels est importante. On estime ainsi que pour les unités centralisées, on retrouve une équité
entre les substrats d’élevage et les flux d’origine industrielle. Dans tous les cas, les déchets de collectivités
sont très peu présents alors que le gisement existant est important.
La répartition des installations agricoles utilisant la co-digestion en France selon le pourcentage d’intrants
d’origine agricole dans le mélange est la suivante :

Source : Etude de marché de la méthanisation et des valorisations du biogaz, ADEME.
On remarque qu’une très large majorité d’exploitations utilisent principalement des déchets d’origine
agricole, ce qui s’explique par le fait que beaucoup d’exploitations sont « à la ferme ».

5.3.4 Technologies privilégiées
5.3.4.1. Répartition des températures de fonctionnement
La répartition des températures de fonctionnement du digesteur des installations agricoles en France est
donnée ci-dessous. L’échantillon statistique comprend 40 exploitations françaises :

Source : Etat des lieux de la filière méthanisation en France, ATEE.
Là encore, c’est la technologie mésophile qui est de loin la plus employée.

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5.3.4.2. Répartition des technologies de digesteur
La quasi-totalité des installations fonctionnent en voie humide, avec un digesteur infiniment mélangé. La
minorité restante fonctionne en voie sèche, et utilise soit des digesteurs de type batch, soit des digesteurs
piston. Sur certaines exploitations de taille relativement importante, un digesteur dédié peut être mis en
place. En général le digesteur est de type « silo vertical » (digesteur dont la cuve possède une hauteur plus
grande que le diamètre de sa circonférence), isolé thermiquement, muni d’un système d’échange chaleur
eau/effluents et muni d’agitateurs mécaniques.

5.3.4.3. Répartition des technologies de brassage
La répartition des températures de brassage du digesteur des installations agricoles en France est la suivante.
L’échantillon statistique comprend 42 exploitations françaises :

Source : Etat des lieux de la filière méthanisation en France, ATEE.
Le brassage mécanique est de loin le plus usité, même si quelques petites installations ont choisi un
brassage par recirculation du digestat. Les installations ayant recours à une agitation par recirculation du
digestat sont toutes des installations « à la ferme ».

5.3.4.4. Répartition des modes de valorisation du biogaz
La répartition des modes de valorisation du biogaz des installations agricoles en France est donnée cidessosu. L’échantillon statistique comprend 12 exploitations françaises :

Source : Etude de marché de la méthanisation et des valorisations du biogaz, ADEME.
La valorisation du biogaz d’installations agricoles se fait principalement sous forme de cogénération.
La chaleur produite par le groupe de cogénération est valorisée de 40% à 60%. Pour le peu d’exploitations
utilisant le biogaz en chaudière, la chaleur est autoconsommée pour le maintien en température du digesteur
ou pour les activités du site. Très peu d’unités valorisent le biogaz sous forme d’électricité seule.

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5.4 Filière Station d’Epuration (STEP)
La digestion anaérobie des boues des stations d’épuration urbaines est un procédé largement éprouvé et bien
maîtrisé par les exploitants. Le parc de digesteurs s’est stabilisé au cours des dernières années, après un
temps de décroissance. Les contraintes sur l’élimination des boues et l’augmentation des coûts de l’énergie
ont relancé une dynamique d’installation venant en compensation des fermetures.
A ce jour, plus de 60 stations d’épuration sont équipées d’installations de digestion anaérobie. Les capacités
des stations se chiffrent en Equivalents Habitants (EH). L’ensemble des capacités est recensé sur le site
Eaufrance (www.eaufrance.fr).
Dans cet état des lieux, seuls les systèmes d’assainissement collectifs seront étudiés, et non les systèmes
d’assainissement non collectif (ANC) des particuliers. Ces derniers contiennent des matières de vidange,
issues des fosses septiques (sanitaires) et des fosses toutes eaux (sanitaires, cuisine et lavage), et leur
composition est proche de celle des boues de STEP.

5.4.1 Type de déchets utilisés
Les résidus de l’épuration sont des boues. Les stations d’épuration traitent en grande majorité des effluents
urbains, mais également pour certaines une faible proportion d’effluents industriels. L’effluent est donc
généralement très variable, en qualité comme en quantité, le débit entrant étant largement supérieur en temps
de pluie, et le taux de matière sèche inférieur. Les graisses issues de bacs de cuisine (provenant des ANC),
malgré la réglementation en vigueur qui veut qu’elles soient traitées à part, peuvent se retrouver en partie
dans les déchets graisseux des STEP. Certaines STEP sont équipées d’un dispositif spécifique de
déshuilage/dégraissage permettant de retenir 30 à 40 % des graisses contenues dans les eaux usées.

5.4.2 Proportion de STEP ayant recours à la méthanisation
La proportion de STEP équipées d’un digesteur augmente avec la taille des installations : la digestion est
d’autant plus pertinente que le volume de boues à traiter est important. Pour des petites installations, il n’est
pas toujours rentable de recourir à la méthanisation. La proportion de STEP ayant au moins un digesteur
selon la classe d’installation est indiquée dans la figure suivante :

Source : Etude de marché de la méthanisation et des valorisations du biogaz, ADEME.
Au-delà de 200 000EH, près de la moitié des STEP utilise la méthanisation pour traiter leurs boues.

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5.4.3 Technologies privilégiées
5.4.3.1. Répartition des températures de fonctionnement
La répartition des températures de fonctionnement du digesteur des stations d’épuration en France est la
suivante. L’échantillon statistique comprend 35 exploitations françaises :

Source : Etat des lieux de la filière méthanisation en France, ATEE.
Là encore, c’est la technologie mésophile qui est de loin la plus employée. Le retour d’expérience n’est
cependant pas suffisant pour comparer de manière rigoureuse les deux types de digestion, mais quelques
remarques peuvent tout de même être formulées :
Les stations à fonctionnement thermophile possèdent une très grande capacité par rapport aux
stations d’épuration standard. Le choix de cette gamme se justifie notamment par la construction de plus
petit digesteur (1,5 à 2 fois plus petit qu’en mésophile) étant donnée la charge volumique plus importante et
le temps de séjour plus faible nécessaire pour atteindre des performances similaires à la digestion mésophile.
La mise en œuvre d’une digestion thermophile permet des économies d’espace et d’argent à l’investissement.
On observe également que cette technologie thermophile est mise en œuvre dans des régions ou les hivers ne
sont pas trop froids, comme la région PACA.

5.4.3.2. Répartition des technologies de digesteur
L’ensemble des digesteurs des stations d’épuration utilise la technologie infiniment mélangé.

5.4.3.3. Répartition des technologies de brassage du digesteur
La répartition des technologies de brassage du digesteur des stations d’épuration en France est donnée cidessous. L’échantillon statistique comprend 20 exploitations françaises :

Source : Etat des lieux de la filière méthanisation en France, ATEE.
Le brassage par recirculation du biogaz est majoritaire.

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