Produire de l’énergie grâce aux matières organiques : le principe de base de la méthanisation est en soi très simple. Ce procédé, qui permet de produire du biogaz, lui-même utilisé dans la production énergétique, est déjà bien connu dans le secteur agricole. Mais ce traitement un peu particulier des matières organiques offre des avantages plus larges, de la diversification du mix énergétique, à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, en passant par la production d’engrais vert pour les exploitations agricoles. Début 2024, la France comptait environ 1600 unités de méthanisation réparties sur le territoire.
La méthanisation, un recyclage des déchets ? Pas tout à fait. C’est une technologie de dégradation contrôlée des matières organiques qui produit de l’énergie renouvelable (le biogaz) et un résidu (le digestat) possédant un caractère fertilisant et amendant. Pour comprendre cette filière en pleine expansion, il convient d'analyser en détail son fonctionnement biologique, sa logistique territoriale, la nature de ses produits finaux, ainsi que les débats écologiques et d'intégration locale qui l'entourent.
Origines historiques et principes fondamentaux du procédé
L’histoire de la méthanisation débute en 1776 avec la découverte du méthane par Alessandro Volta. En 1808, le britannique Humphrey Davy démontre la présence de méthane dans les gaz produits lors de la décomposition de lisiers. Cependant, la première application des traitements anaérobiques est mise en œuvre près de 100 ans après sa découverte. Plus tard, entre les deux guerres, de nombreux travaux font progresser la digestion anaérobie des boues des stations d’épuration, en particulier en Grande-Bretagne et aux États-Unis. De nombreux digesteurs entrent en service dans les années 1930-1940 sur des stations d’épuration et la méthanisation connaît un regain d’intérêt durant la Deuxième Guerre mondiale pour suppléer le manque de carburants. Dans la même logique, les différents chocs pétroliers relancent l’activité biogaz.
Dans la nature, par exemple en milieu marécageux, la méthanisation est un processus naturel. Il existe sur Terre des milieux qui produisent naturellement du méthane. Ce sont des environnements très pauvres en oxygène, mais très riches en matière organique et généralement saturés en eau, comme les rizières ou les marais et marécages. Selon les théories scientifiques, les bactéries responsables de la méthanisation constitueraient les premiers organismes vivants apparus sur Terre, il y a plus de 3 milliards d’années, à une époque où l’oxygène n’existait pas encore dans l’atmosphère.
La méthanisation est un processus de décomposition de matières pourrissables (putrescibles) par des bactéries qui agissent en l’absence d’air. C’est un processus conduit en milieu fermé (anaérobie). Toute la différence entre compostage et méthanisation réside dans les conditions du milieu. Le compost se fait en présence d’oxygène (milieu aérobie), tandis que la méthanisation doit se faire sans oxygène (milieu anaérobie). Il est impératif que cette condition soit respectée pour que puissent se développer dans le méthaniseur des micro-organismes méthanogènes, différents des micro-organismes qui peuplent le compost.
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Le fonctionnement biologique et technique dans le méthaniseur
La méthanisation repose sur un processus biologique naturel qui s'effectue dans une cuve (méthaniseur). Le processus de méthanisation s’effectue dans une unité de méthanisation composée d’un méthaniseur ou digesteur, où les matières organiques sont décomposées par des micro-organismes dans une cuve à température optimale, autour de 40°, et en l’absence d’oxygène, générant ainsi du méthane.
La méthanisation est un procédé complexe. Pour initier ce cycle, les étapes techniques suivantes sont observées :
- Préparation de la biomasse : Les matières à méthaniser sont broyées et liquéfiées.
- Hygiénisation : Elles sont ensuite pasteurisées à 70°C pendant une heure dans des cuves d'hygiénisation afin d'éliminer les éventuels germes pathogènes.
- Digestion anaérobie : Les matières entrent dans le digesteur hermétique maintenu à température constante.
- Stockage du digestat : Une fois méthanisée, la matière résiduelle (digestat) est stockée dans des cuves étanches en vue de sa valorisation agronomique.
La montée en température de la méthanisation (conduite entre 37°C et 50°C) détruit en effet la quasi-totalité des agents pathogènes et des mycotoxines contenus dans les substrats, ce qui garantit une meilleure innocuité sanitaire par rapport à un épandage direct d'effluents bruts.
Typologie des intrants et diversité des modèles d'exploitation
La typologie des projets dans le monde agricole est très variée. Les matières méthanisées sont, dans des proportions variables, des déjections d’élevage, des résidus de cultures, des couverts d’inter-cultures, des tontes, des déchets vertes et plus rarement des biodéchets ou des cultures dédiées. Le concept est assez simple : approvisionner une cuve avec différentes matières organiques des produits agricoles (résidus de cultures, menues pailles, effluents d'élevage…), de boues de stations d'épurations, déchets d'industries agroalimentaires, biodéchets des ménages… puis faire fermenter le tout. Les apports de matières effectués pour alimenter les méthaniseurs sont aujourd’hui à 90 % d’origine agricole.
En France, les pouvoirs publics soutiennent le développement de la méthanisation à partir du traitement des effluents d’élevage et des résidus agricoles, ainsi que le co-traitement des biodéchets. Cette vision de la méthanisation diffère fortement des méthaniseurs de grande taille à visée avant tout énergétique tels que ceux qui ont été développés en Allemagne, avec l’utilisation de cultures énergétiques et donc des changements d’affectation des sols importants. D’un point de vue économique, un projet commence à être viable à partir de 8 000 tonnes/an de matières traitées. Mais la typologie très variée des projets fait que leur taille est rarement un critère pertinent pour évaluer leur durabilité agricole et environnementale.
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La taille des installations et le modèle d'organisation varient selon l'usage recherché. Un agriculteur peut par exemple posséder sur sa ferme un petit méthaniseur pour valoriser les résidus de cultures issus de son exploitation, mais aussi les déchets organiques fournis par le voisinage. Il existe aussi des associations d’agriculteurs qui se réunissent pour utiliser des méthaniseurs plus gros. Ils mettent en commun leurs déchets organiques et peuvent également récupérer ceux d’industries voisines. Un méthaniseur plus gros produit plus de biogaz et peut alimenter plus de foyers. Néanmoins, la méthanisation est dans l'incapacité de remplacer l’incinération car elle ne peut pas traiter l’ensemble des déchets actuellement incinérés, tels que les déchets non putrescibles ou les boues d'épuration qui sont souvent des boues mixtes composées de boues primaires et de boues biologiques.
La valorisation énergétique du biogaz : électricité, chaleur et biométhane
La méthanisation permet de générer du biogaz ou du digestat, chacun ayant une utilité différente. Le biogaz est un gaz renouvelable pouvant remplacer le gaz naturel dans la production d’électricité, de chaleur ou de carburant. Des bactéries méthanogènes se chargent de dégrader les matières organiques tout en produisant du biométhane. Ce biogaz peut être alors collecté pour générer de l’électricité (en faisant tourner un moteur) ou bien tout simplement utilisé par intégration dans le réseau de ville.
Pour être exploité en tant qu’énergie, le biogaz est purifié selon les normes du gaz du naturel et devient du biométhane, qui peut être utilisé dans les réseaux de gaz naturel comme source de chauffage, de production d’eau chaude sanitaire, de génération d’électricité, dans certains procédés industriels ou encore comme biocarburant (BioGNV). Le biométhane possède les mêmes qualités que le gaz naturel d’origine fossile que la France importe en totalité. Le biogaz obtenu est contrôlé par GrDF avant d’être injecté dans le réseau de gaz naturel.
La valorisation du biogaz en biométhane dans les réseaux de gaz est privilégiée à la fois pour des raisons de rendement (95 % à l’injection) et de capacité de stockage du gaz. Si l’injection n’est pas possible, la cogénération permet un rendement de 40 % à 70 % selon le taux de valorisation de la chaleur. La consommation de cette chaleur doit se faire très localement et pendant toute l’année. Pour les agriculteurs disposant d'une unité à la ferme, ils peuvent produire au passage la chaleur nécessaire à l’exploitation agricole (séchage de fourrage, chauffage de bâtiments d’élevage, etc.). Cependant, si l’unité de méthanisation est éloignée de plus de quelques kilomètres du réseau de gaz, l’injection de biométhane devient trop onéreuse. Ce circuit d'injection va à l'encontre du fonctionnement traditionnel du réseau. Historiquement, le réseau du gaz fonctionne à sens unique pour acheminer du gaz à haute pression vers des interconnexions où la pression est abaissée pour approvisionner ensuite des installations industrielles ou rejoindre le réseau de distribution.
La valorisation agronomique : le rôle clé du digestat pour les sols
Outre le biogaz, le processus génère une matière digérée restante appelée « digestat », majoritairement recyclable sous forme d’engrais. Une tonne de matière méthanisée permet de produire environ 930 kilos de digestat, un résidu composé de matières organiques, majoritairement utilisé comme fertilisant dans le milieu agricole. Une fois retraité, le digestat est un produit fertilisant à haute valeur agronomique, très facilement assimilable par les plantes car il est majoritairement constitué d’ammoniac, produit de la transformation de l’azote qui y était contenu avant la gazéification. Le digestat a une valeur agronomique différente selon sa composition et peut subir un traitement complémentaire (séchage thermique, par exemple) avant d’être utilisé pour l’épandage.
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Une séparation de phase est parfois mise en place sur l’unité. Dans ce cas, la phase solide du digestat est plus riche en matière organique et en éléments phosphatés, elle a donc des propriétés amendantes pour le sol. Pour le cycle de l’azote, le digestat contient tout l’azote des matières entrantes sous une forme minéralisée, donc à la fois plus rapidement assimilable par les plantes mais aussi plus volatil et lessivable. Ainsi le digestat (notamment sa phase liquide) peut être un fertilisant intéressant à condition d’être épandu dans des conditions météorologiques adéquates et avec du matériel adapté comme des pendillards et enfouisseurs. Pour cela, un accompagnement au changement des pratiques est nécessaire.
Le digestat permet aux agriculteurs de réaliser des économies, en remplaçant les engrais chimiques à forte empreinte carbone. Les deux produits du processus de méthanisation ont ainsi un rôle à jouer : le biogaz est une énergie verte, à production constante et à applications multiples, tandis que le digestat est pour les agriculteurs une alternative plus durable aux engrais d’origines fossiles. Le bilan de la méthanisation en termes de stockage de carbone dans le sol est positif et similaire à l’épandage des effluents, avec environ 14 % de carbone restitué au sol à long-terme. La question qui reste en suspens est celle de la diminution des sources de carbone labile (carbone qui se dégrade rapidement et soutient l’activité biologique), car la méthanisation stabilise le carbone. Il est ainsi observé une légère diminution des indicateurs microbiens suite à l’utilisation de digestats.
Analyse d'impact environnemental et bilan des gaz à effet de serre
Comment un procédé qui produit du méthane peut-il être considéré comme énergie renouvelable alors que le méthane est un gaz à puissant effet de serre ? Le méthane provoque un effet de serre bien supérieur au CO2. En réalité, un méthaniseur n’est ni plus ni moins qu’une bulle permettant de capter ces gaz et de les utiliser pour se chauffer. La méthanisation permet de capter tous les gaz à effets de serre (principalement le méthane) des fumiers, lisiers et autres matières fermentescibles, qui se seraient simplement échappés dans l’air autrement.
La comptabilisation des émissions de gaz à effet de serre sur toute la chaîne du biogaz, depuis le transport des matières jusqu’à la méthanisation et à l’usage final en énergie, résulte en une réduction moyenne de 80 % des émissions par rapport à la situation antérieure sans projet de méthanisation. De plus, la méthanisation permet de mettre en place des pratiques plus vertueuses en termes d’émissions de gaz à effet de serre que celles qui pré-existaient dans les systèmes d’élevage. En effet, les effluents d’élevage stockés à l’air libre, en bout de champ ou en fosses ouvertes, dégagent spontanément du protoxyde d’azote, lui aussi puissant gaz à effet de serre.
Que ce soit au niveau de l’unité dans un moteur de cogénération ou lors de la combustion finale du biométhane injecté, l’utilisation du biogaz émet directement du CO2. Mais ce CO2 relâché dans l’air n’est autre que du CO2 qui était déjà présent dans l’atmosphère, et qui a été capté et stocké par les plantes qui ont servi à alimenter le méthaniseur grâce à la photosynthèse. C’est un circuit court qui n’ajoute pas de CO2 supplémentaire dans l’atmosphère. À l’inverse, le gaz naturel fossile est extrait des profondeurs du sol où il est piégé depuis des millions d’années, et sa combustion libère du carbone supplémentaire dans l’atmosphère.
Une vigilance élevée sur les fuites de méthane est requise, car l’effet de serre engendré par le méthane est 25 fois plus élevé que celui du CO2. La méthanisation se déroule en atmosphère fermée et une unité bien entretenue ne présente pas de fuites. Si une fuite survient, le méthane rejeté serait d'origine biogénique, mais son fort pouvoir de réchauffement nuirait gravement au bilan environnemental du site.
Logistique, insertion locale et sécurité des installations
Les unités de méthanisation font l’objet d’une installation répondant à un cahier des charges précis. Au niveau logistique, la plupart des unités de méthanisation sont localisées à proximité des fermes et de leurs effluents : en moyenne souvent autour de 5 kilomètres - car à partir de 10 kilomètres, le coût du transport des effluents est rédhibitoire pour la viabilité économique de l’unité. Pour favoriser le succès d'une installation de méthanisation, il faut trouver des débouchés à proximité pour écouler la matière organique et l’énergie produites à moindre coût.
L’intégration des unités au sein des territoires soulève des questions récurrentes de la part des riverains :
- Nuisances olfactives : Tout le processus de méthanisation s’effectue en milieu fermé et les diverses cuves sont étanches. Des odeurs peuvent néanmoins émaner des déchets avant leur transformation. Le transport des matières est ainsi assuré en camions étanches et les chargements et déchargements sont réalisés à l'abri dans des hangars. De plus, la transformation subie par les matières dans le digesteur rend le digestat destiné à l’épandage inodore, réduisant ainsi les nuisances olfactives des périodes d’épandage par rapport aux lisiers bruts. Les odeurs ne sont pas pour autant totalement supprimées sur le site industriel de traitement.
- Trafic routier : La logistique des matières peut occasionner des réticences des riverains. Pourtant, sur des unités bien dimensionnées, l'augmentation du trafic routier reste limitée (souvent moins de 0,25 % du trafic global de la zone, représentant 4 à 5 passages de tracteurs par jour ouvré).
- Risques d'accident et d'explosion : Les risques d’incendie et d’explosion liés au biogaz sont très faibles. Ils sont équivalents à ceux d’une cuve de fioul de 1000 litres. Plusieurs dispositifs de sécurité (détecteurs de gaz, systèmes d’alerte, voies d’accès pompiers) garantissent un risque réduit au minimum.
- Intégration paysagère : L'impact visuel est généralement atténué par des aménagements paysagers, par exemple une haie arbustive plantée le long des axes routiers.
Les installations de méthanisation sont soumises à la réglementation ICPE (Installation classée pour la protection de l’environnement) et sont surveillées en continu. Le digestat rentre dans les plans d’épandage des fermes concernées. Dès lors qu’elles traitent des matières organiques d’origine animale, les installations sont également soumises à une demande préalable d’agrément sanitaire auprès de l’administration.
Modèles économiques, financements et transition agricole
L'installation d'un méthaniseur « à la ferme » commence par le dimensionnement des installations. Si elle coûte généralement plusieurs millions d'euros, la construction d'un méthaniseur fait l'objet d'aides publiques. Pour soutenir le développement de la filière méthanisation dans les exploitations agricoles, Bpifrance propose le Prêt Méthanisation Agricole, offrant un financement à hauteur de 500 000 € maximum. L’ADEME propose également une aide à la réalisation d’installations de méthanisation pour les entreprises agroalimentaires et agricoles.
Le soutien public à la méthanisation vise en France à la fois le développement des énergies renouvelables (par des tarifs d’achat garantis de l’énergie sur 15 ans) et la réduction des pollutions aux nitrates (plan Énergie méthanisation autonomie azote). Le biogaz peut apporter aux agriculteurs un complément de revenus par la vente de gaz injecté ou d'électricité, offrant une sécurité financière contrairement aux marchés volatils du lait ou du porc. De plus, dans certaines zones à excédent structurel d'azote (ZES), des éleveurs ont couplé une étape de méthanisation et de déshydratation des effluents pour pouvoir exporter leurs excédents sous forme de granulés ou d'ammoniac transformé.
Cependant, les récents mécanismes de soutien, notamment basés sur des dispositifs comme les certificats de production de biogaz visant à faire contribuer les fournisseurs de gaz, tendent à favoriser les installations de grande taille et le portage des projets par des industriels ou des énergéticiens, ce qui peut modifier l'ancrage purement agricole des projets.