Comment fonctionne le biogaz : de la méthanisation à la production d'énergie

Qu'est-ce que la méthanisation et comment produit-elle du biogaz ?

La méthanisation est une technologie de valorisation des matières organiques. Elle reproduit, dans une installation contrôlée, un phénomène qui se produit naturellement dans certains milieux privés d’oxygène, comme les marais. Des micro-organismes dégradent la matière organique et produisent deux coproduits : le biogaz et le digestat.

Sur quel principe biologique repose la production de biogaz ?

La méthanisation, aussi appelée digestion anaérobie, repose sur l’action successive de plusieurs familles de bactéries. Dans ces conditions, les micro-organismes transforment progressivement les molécules complexes contenues dans les déchets en molécules plus simples, puis en gaz.

Le biogaz obtenu est principalement composé de méthane (CH₄) et de dioxyde de carbone (CO₂) : 50-70 %, 20-50 %, respectivement. Leur concentration varie selon les matières introduites et les conditions de fonctionnement du digesteur. Nous retrouvons aussi de faibles quantités d’autres gaz, comme l’hydrogène sulfuré (H₂S), l’ammoniac (NH₃), l’azote (N₂) et la vapeur d’eau.

C’est la présence de méthane qui donne au biogaz son pouvoir énergétique. Plus le biogaz est riche en CH₄, plus son potentiel calorifique augmente.

Quelles matières organiques peut-on utiliser pour produire du biogaz ?

Les matières introduites dans un méthaniseur sont appelées intrants ou substrats.

Les principaux intrants sont :

• les effluents d’élevage (lisier, fumier),
• les résidus de cultures,
• les déchets végétaux,
• les biodéchets ménagers triés à la source,
• les déchets organiques de l’industrie agroalimentaire,
• certaines matières agricoles,
• les boues et les graisses issues des stations d’épuration,
• les déchets organiques non dangereux.

En France, les installations de biogaz sont réparties en plusieurs catégories selon l’origine des matières traitées : méthanisation de déchets non dangereux ou de matières végétales, méthanisation des boues de stations d’épuration (STEP) et captage du biogaz produit dans les installations de stockage de déchets non dangereux.

Du choix des intrants dépend le fonctionnement du digesteur biogaz. Chaque matière possède une teneur spécifique en eau, en carbone, en azote et en matière organique biodégradable. L’exploitant doit alors établir une ration équilibrée afin de maintenir l’activité des bactéries et d’éviter les variations trop importantes de production.

Pour aller plus loin, découvrez notre article sur la valorisation énergétique des déchets.

Schéma biogaz : comment fonctionne un digesteur ?

Le digesteur crée les conditions nécessaires à la dégradation de la matière organique et collecte le biogaz produit.

Qu'est-ce qu'un digesteur et comment est-il constitué ?

Un digesteur prend la forme d’une cuve cylindrique étanche. Construit en béton ou en acier, il est capable de fonctionner à l’état liquide, pâteux ou plus sec, selon la nature des intrants.

Une unité de méthanisation comprend :

• une zone de réception et de stockage des matières,
• un système de préparation, de broyage ou d’hygiénisation,
• une fosse d’alimentation,
• un ou plusieurs digesteurs,
• un dispositif de brassage,
• un système de chauffage,
• un gazomètre ou une membrane de stockage du biogaz,
• des équipements d’épuration et de valorisation du gaz,
• une cuve de stockage du digestat.

Les matières sont d’abord contrôlées, pesées et préparées. Elles peuvent être mélangées afin d’obtenir une ration homogène. Dans certaines installations, une étape d’hygiénisation est nécessaire pour réduire la présence éventuelle de micro-organismes pathogènes. Le mélange est ensuite introduit progressivement dans le digesteur.

À l’intérieur de la cuve, le système de brassage évite la formation de dépôts ou de croûtes et favorise le contact entre les bactéries et la matière organique. Le biogaz remonte vers la partie supérieure du digesteur, où il est stocké avant d’être dirigé vers les équipements de traitement ou de valorisation.

Le digestat est extrait au fur et à mesure de l’introduction de nouveaux intrants. Il correspond à la fraction résiduelle de la matière après la digestion anaérobie.

Quelles conditions faut-il maintenir dans le digesteur pour optimiser la production ?

Le fonctionnement d’une unité de biogaz dépend de l’équilibre entre les différentes populations de micro-organismes. Plusieurs paramètres doivent être suivis avec précision :

• l’ absence d’oxygène : la méthanogénèse, dernière étape de la transformation, est réalisée par des micro-organismes très sensibles à la présence d’oxygène,
• la température : elle doit se situer autour de 37 à 42 °C et rester stable pour favoriser l’activité bactérienne,
• le pH : acide pour les phases d’hydrolyse et d’acidogénèse (4,5 à 6,3), neutre pour les phases d’acétogénèse et de méthanogénèse (6,8 à 7,5),
• le temps de séjour : 40 à 60 jours selon la technologie et les intrants,
• la charge organique, c’est-à-dire la quantité de matière introduite chaque jour par rapport au volume du digesteur : une alimentation trop importante peut provoquer une accumulation d’acides gras volatils (AGV) et ralentir la méthanogénèse.

Schéma biogaz : quelles sont les 4 étapes biologiques de la méthanisation ?

Les étapes de la méthanisation s’enchaînent et se complètent.

Hydrolyse et acidogénèse : comment les déchets sont-ils liquéfiés et transformés ?

Le schéma de fonctionnement du biogaz débute par l’hydrolyse. Les bactéries hydrolytiques découpent les grandes molécules organiques, comme les glucides complexes, les protéines et les lipides. Ces molécules sont transformées en éléments plus simples : sucres, acides aminés et acides gras. Cette réaction facilite la suite du processus. L’eau présente dans le mélange participe à cette décomposition.

Vient ensuite l’acidogénèse. Les produits issus de l’hydrolyse sont transformés en acides organiques, en alcools, en hydrogène (H₂), en dioxyde de carbone (CO₂) et autres composés intermédiaires. Cette phase peut entraîner une baisse du pH, car elle produit notamment des acides gras volatils.

L’hydrolyse et l’acidogénèse sont relativement rapides. Elles doivent cependant rester équilibrées avec les étapes suivantes. Si les bactéries produisent des acides plus vite que les bactéries méthanogènes ne les consomment, le milieu peut devenir trop acide et la production de biogaz, diminuer.

Acétogénèse et méthanogénèse : comment le méthane est-il produit ?

Lors de l’acétogénèse, les composés issus de l’acidogénèse sont transformés en acétate (CH 3COO ⁻⁾, en hydrogène (H) et en dioxyde de carbone. L’acétate joue un rôle central, car il constitue l’un des principaux précurseurs du méthane. Cette étape dépend notamment de la pression en hydrogène dans le digesteur. Si l’hydrogène s’accumule, l’activité des bactéries acétogènes peut être ralentie. L’équilibre entre les différents groupes de micro-organismes est donc essentiel.

La dernière étape est la méthanogénèse. Des micro-organismes appelés archées méthanogènes transforment l’acétate, l’hydrogène et le dioxyde de carbone en méthane. Ce dernier se mélange alors au dioxyde de carbone pour former le biogaz brut. La méthanogénèse est une réaction plus lente et plus sensible que les précédentes. Elle nécessite un environnement stable, un pH adapté et une température régulière.

Comment le biogaz produit est-il valorisé ?

Une fois produit, le biogaz peut suivre plusieurs voies de valorisation, selon l’usage final recherché.

Quels sont les usages du biogaz et quelle est sa chaîne de valorisation ?

Le biogaz brut peut être :

• soit utilisé directement comme combustible pour produire de la chaleur, de l’électricité, ou les deux simultanément par cogénération en vue d’alimenter les bâtiments, les sites industriels ou les réseaux de chaleur,
• soit être épuré pour en extraire le méthane.

Le biométhane obtenu peut alors être injecté dans les réseaux de gaz naturel ou utilisé comme carburant, sous forme de bioGNV (biogaz naturel véhicule).

Que devient le digestat issu de la méthanisation ?

Le digestat est le résidu humide obtenu après la dégradation de la matière organique. Riche en nutriments, comme l’azote, le phosphore et le potassium, il peut être utilisé comme fertilisant ou amendement.

Inscrite dans une logique d’économie circulaire, la méthanisation contribue au développement d’une production énergétique renouvelable ainsi qu’à la valorisation des ressources locales.

Sources :

Biogaz | Ministères Transition écologique, Aménagement du Territoire, Transports, Ville et Logement

Fiche thématique n°12 : Le biogaz | Décarboner la France : votre voix compte !

Code de l'environnement - Article D543-292