MéthanIsatIon : une voie de diversification

MéthanIsatIon : une voie de diversification

La méthanisation est une production restée marginale dans l'Hexagone. Depuis cinq ans, elle a toutefois le vent en poupe auprès des agriculteurs. Ces multiples avantages sont alléchants mais encore faut-il choisir une installation adaptée pour en tirer tous les bénéfices.

Il y a dix ans, la France comptait une centaine d'unités de méthanisation alors qu'aujourd'hui elle en recense plus de 300. Ces installations de biogaz peuvent être de plusieurs types : centres d'enfouissements des déchets, unités de traitement des ordures ménagères, stations d'épuration, industries centralisées et à la ferme... Dans les années 2009-2010, le domaine agricole enregistra un regain d'intérêt pour cette technique restée marginale. Avec une tendance annuelle de 60 nouvelles unités, 140 installations à la ferme sont dénombrées à début 2014. Les agriculteurs, principalement les éleveurs, prennent conscience petit à petit des enjeux économiques et environnementaux du retraitement des matières organiques. La méthanisation possède de multiples avantages. Elle contribue tout d'abord à une meilleure gestion de l'azote. Ce dernier, renfermé dans les effluents d'élevage, est restitué sous forme de digestat puis valorisé à la place de fertilisants chimiques.  

De multiples atouts

  Cette production permet ainsi de diminuer, voire de supprimer les charges liées à ce poste de dépenses. Des économies sont également à attendre sur la facture de chauffage, car dans le cas de production d'eau chaude, ce sont plusieurs infrastructures de la ferme qui peuvent en bénéficier (bâtiment d'élevage, habitation, unité de méthanisation elle-même...). Les méthaniseurs s'inscrivent dans le plan national d'action en faveur des énergies renouvelables (PNAER) en valorisant le biogaz récolté sous forme d'électricité, de chaleur, de carburant ou de gaz domestique. La revente de cette production assure ainsi un complément de revenu aux exploitants. Mais le rayonnement d'une unité de méthanisation dépasse les frontières de l'exploitation agricole. L'installation peut notamment apporter son soutien à une collectivité en recherche de solutions de retraitement de ses déchets (exemple : tontes de pelouse). Avant la mise en production de son installation et de pouvoir en tirer les bénéfices, bien construire son projet est essentiel. Le coût d'investissement moyen est compris entre 6 000 à 9 000 €/kWe pour une unité valorisant le gaz par cogénération (production combinée d'électricité et de chaleur).  

Et l'Etat dans tout ça

  Les projets sont subventionnés à hauteur de 20 à 30 % en fonction de leur nature et des moyens des pouvoirs publics locaux. Ces aides sont octroyées par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe), le ministère de l'Agriculture, les conseils généraux, les conseils régionaux et les collectivités territoriales. En parallèle, des grilles d'achats d'énergie ont été mises en place garantissant les tarifs de l'électricité (entre 11 et 20 centimes €/kWh) et du biométhane injecté (entre 6,5 et 12,5 centimes €/kWh).    

Bioénergie de la Brie

 

« Nous valorisons le biogaz sous sa forme première »

  La génération d'électricité n'est pas l'objectif des frères Quaak, agriculteurs et dirigeants de la société Bioénergie de la Brie. L'unité de méthanisation de leur exploitation, créée en 2009, a en effet pour but la production de gaz et non d'électricité. Malgré les difficultés rencontrées à sa création, l'installation chauffe aujourd'hui 1 500 foyers.   L'exploitation de Jacques-Pierre et Mauritz Quaak, cogérants de la ferme d'Arcy située à Chaumesen- Brie (Seine-et-Marne), a, de prime abord, les caractéristiques d'une ferme de polyculture-élevage classique. Le site comprend 280 hectares de cultures céréalières et 100 hectares de prairie auxquels est rattaché un élevage de 250 vaches allaitantes de race limousine. La méthanisation a pourtant bouleversé, dès 2007, le mode de fonctionnement de l'exploitation. Les deux entrepreneurs, attentifs à toute activité capable de diminuer leurs charges ou d'accroître leurs revenus ont en effet trouvé, dans ce système, le moyen de combiner les deux avantages. Mais, à la vue des investissements à consentir, ils se montrèrent d'abord prudents. La visite d'une quarantaine d'exploitations, en Allemagne et en Scandinavie, et la rencontre d'une quinzaine d'installateurs leur ont permis d'acquérir un maximum d'informations et de retours d'expériences. Après deux années d'observation, ils décident de valoriser le biogaz, issu de la méthanisation, en le transformant en biométhane injecté ensuite dans le réseau de gaz naturel. « Ce choix fut principalement motivé par un rendement de production de l'ordre de 90 à 95 % soit plus de deux fois supérieur à celui d'un moteur à cogénération transformant, lui, le biogaz en électricité et en chaleur », explique Mauritz Quaak.  

Des démarches fastidieuses

  Le projet fut donc lancé en 2009, date à laquelle aucune installation de ce type n'existait en France. Cet anticonformisme limita l'avancement du dossier puisqu'il aura nécessité quatre ans pour aboutir, contre moitié moins aujourd'hui. L'absence d'un cadre réglementaire a d'abord freiné l'installation du dispositif. Deux groupes de travail furent donc formés. Le premier, suivi par la direction générale de l'énergie et du climat (DGEC), aboutit à l'écriture de quatre arrêtés, parus au Journal Officiel de novembre 2011, qui fixent notamment la grille tarifaire de rachat du biométhane. Depuis cette date, les tarifs s'échelonnent de 4,5 à 9,5 centimes d'euro par kilowattheure, bonifiés de 2 à 3 centimes si les déchets sont issus de l'agriculture ou de l'agro-industrie. Le second, nommé GT injection, incluant l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe) et Gaz réseau distribution France (GRDF), est parvenu fin 2012 à définir trois contrats. Ils régissent notamment les conditions de raccordement au réseau GRDF existant, celles nécessaires pour l'injection du biométhane (analyses, odorisation, comptage) et enfin sa vente. Le premier coup de pelle fut enfin porté à l'été 2012 et l'injection débuta en août 2013. L'installation de la Bioénergie de la Brie se compose d'un incorporateur, d'un digesteur et d'un postdigesteur de 2 000 m3, d'une cuve de 6 000 m3 pour stocker la phase liquide, d'un container d'épuration et un second d'odorisation et d'injection. Une fosse à lisier et une seconde pour le lactoserum servent à stocker ces matières avant leur incorporation.  

1 500 foyers chauffés au biométhane

  Le méthaniseur est alimenté pour un tiers avec des effluents d'élevage produits sur la ferme, pour un second tiers par des cultures intermédiaires à valorisation énergétique (Cive) et, pour le reste, par des produits extérieurs (coopérative, sucrerie, agriculteurs...). « Les Cive (blé, orge, avoine, ray-grass, sorgho, maïs, seigle) ont de multiples avantages. En plus d'être valorisées dans le méthaniseur, elles assurent un couvert végétal limitant l'érosion du sol et permettant ainsi d'être en conformité avec la directive nitrate », explique Jacques-Pierre Quaak. Les différentes matières entrant dans la ration sont chargées dans l'incorporateur puis mélangées avec du lisier en sortie. L'ajout de cette phase liquide fluidifie le mélange et le rend apte à être pompé contrairement aux mélanges solides ou pâteux. Cette technique permet ainsi de limiter la quantité d'air dans la ration et par conséquent dans le digesteur (milieu anaérobie). Les temps de séjour dans ce dernier et dans le postdigesteur sont de 50 jours à chaque fois. La matière passe ensuite au travers d'un séparateur de phase qui, d'une part, génère un compost riche en phosphore et potassium et, d'autre part, une phase liquide à fort pouvoir azoté. Quant au biogaz, il est récupéré puis épuré pour devenir du biométhane. Avant d'être injecté dans le réseau, le gaz est odoré, pour être identifiable. En parallèle, des analyses ont lieu toutes les deux minutes afin de vérifier sa conformité et de contrer toute défaillance susceptible d'être introduite dans le réseau domestique. Grâce à la construction d'une canalisation reliant la ferme au réseau GRDF, ce sont 1 500 foyers de type bâtiment basse consommation (BBC) répartis sur cinq communes qui sont alimentés en biométhane. « Outre la revente du gaz, les charges de la ferme ont également diminué. Les 10 500 tonnes de digestat produites annuellement sont épandues sur l'exploitation et couvrent près de 90 % de nos besoins en fertilisant », estiment Jacques-Pierre et Mauritz Quaak. Ils se gardent la possibilité d'augmenter la production de digestat de 20 %, équivalent à 13 000 tonnes, pour atteindre la capacité maximale du plan d'épandage. Un objectif rendu possible grâce à la mise en fonctionnement prochaine d'une unité d'hygiénisation qui permettra d'introduire des déchets de viandes animales.    

Gaec du Bois Joly La Verrie (Vendée)

 

« Moins de charge et plus d'autonomie avec l'unité par voie sèche et alimentation discontinue »

  Le Gaec du Bois Joly, une ferme d'élevage de 70 hectares implantée en Vendée, utilise depuis 2008 une unité de méthanisation par voie sèche à alimentation discontinue. Ce procédé, peu répandu, a pour vocation principale de limiter les charges de l'exploitation et de lui conférer une relative autonomie de fonctionnement.   «La méthanisation n'est qu'un complément de revenu. Je suis avant tout éleveur », rappelle d'emblée Denis Brosset, cogérant avec Jean-Louis Vrignaud du Gaec du Bois Joly, situé à la Verrie en Vendée. Cet état d'esprit a conduit l'agriculteur à opter, en 2008, pour une unité de méthanisation par voie sèche à alimentation discontinue. Sa simplicité de fonctionnement et sa taille, adaptée à celle de l'exploitation et aux matières entrant dans la ration ont pesé dans le choix des agriculteurs. En 2002, la mise aux normes de leur exploitation de 70 hectares et de 52 vaches allaitantes avec leur suite, a poussé les associés à revoir le mode de gestion globale de leur ferme. S'engageant dans un système de production moins intensif, les agriculteurs souhaitent limiter l'achat d'intrants et réduire leur consommation énergétique. Ils sont accompagnés dans leur projet par le bureau d'étude Aria Énergie, qui les aide à concevoir leur installation.  

Un module de cogénération de 30 kWe

  L'unité comprend principalement quatre fermenteurs, un module de cogénération et deux cuves de stockage des jus. « Depuis début 2013, elle ingère 1 800 tonnes de matière dont 75 % de fumier généré à 55 % sur place, précise l'exploitant. Le reste provient des fermes voisines (poussières de céréales, fumier de volailles), de collectivités (tontes de pelouse) et de restaurateurs (graisses et huiles de friture). » Ces différentes matières sont stockées sur une aire de 100 m² avant d'être mélangées, puis chargées dans l'un des fermenteurs. Chacun d'eux s'apparente à un silo. Ses parois et son plancher sont chauffés grâce à un réseau coulé dans le béton. L'une des deux cuves externes de 37 m3 maintient une phase liquide à 40 °C. Ce jus passe au travers d'un système d'aspersion et arrose la matière en décomposition. Une grille d'évacuation collecte les jus au fond du fermenteur. Après six à huit semaines de fermentation, le gaz est vidé et alimente une unité de cogénération. Cette dernière utilise un moteur développant 30 kWe et qui, en six ans, enregistre 41 000 heures de fonctionnement. Électricité de France (EDF) rachète intégralement la production électrique au tarif de 11 centimes du kilowattheure, bonifié de 3 centimes grâce à la valorisation de la chaleur. Cette dernière, générée par le moteur, sert en priorité à chauffer un bâtiment d'élevage hors-sol et les fermenteurs. Si la production est suffisante, l'habitation de Denis Brosset profite également de ce mode de chauffage. À l'heure du bilan, le contrat est presque rempli pour les associés. « Outre les 25 000 à 30 000 € de revenus issus de la revente d'électricité, l'économie de chauffage représente un gain de 4 000 €/an », constate l'agriculteur. Une fois le fermenteur vide, le digestat est acheminé jusqu'à une aire de stockage de 750 m² avant d'être épandu. « L'autoproduction de cet engrais naturel a induit la suppression totale des charges liées à la fertilisation. De plus, la surproduction de digestat est échangée contre de la paille permettant d'économiser 6 000 €/an. »  

Gaec des chavanas, Brazey-en-Plaine (Côte-d'Or)

 

« Un projet viable grâce à une malterie »

  Le Gaec des Chavanas, établi à 30 km au sud-est de Dijon (Côte-d'Or), a inauguré fin juin une installation de méthanisation de 250 kWe. La particularité de ce projet réside dans la coopération des exploitants avec la malterie locale.   «Un partenariat tissé avec la malterie locale Soufflet a rendu possible notre projet d'installation d'une unité de méthanisation, reconnaît Jean-Michel Fèvre associé avec son frère Frédéric au sein du Gaec des Chavanas, situé à Brazeyen- Plaine (Côte-d'Or). La malterie alimente en boue l'installation de méthanisation et reçoit, en retour, l'eau chaude produite par l'unité de cogénération. L'autre avantage pour elle, et non des moindres, est d'éviter l'épandage des boues et les nuisances olfactives qui les accompagnent. » Ce projet n'est toutefois que le prolongement d'une réflexion menée depuis quelques années sur la diversification des revenus au sein de cette exploitation de 310 hectares et 55 vaches allaitantes. Car les deux frères ont commencé par installer des panneaux photovoltaïques d'une puissance de 103 kWc sur le toit d'un hangar il y a cinq ans. Puis, courant 2010, les agriculteurs se lancent dans des visites d'infrastructures de méthanisation en France et en Allemagne afin de profiter de l'expérience de divers exploitants. En parallèle, ils se familiarisent avec les différentes techniques proposées par quelques fabricants avant de s'accorder en 2011 avec la société PlanET Biogaz.  

Un digestat bien valorisé

  « Il aura fallu deux ans d'études, de démarches administratives et de construction avant que l'installation ne soit opérationnelle. Après un peu plus de deux mois de montée en charge, le moteur a été mis en route au 1er mars 2014 », se réjouit Frédéric Fèvre. Les substrats solides sont chargés dans un incorporateur de 50 m3 toutes les 36 heures environ. Une vis sans fin conduit cette matière vers le digesteur tout en la mélangeant. Les liquides sont, eux, stockés dans deux fosses dont l'une accueille le lisier et l'autre les déchets de l'industrie agroalimentaire. Ces derniers sont traités par hygiénisation (maintien dans une cuve de 2 m3 à 70 °C durant une heure) avant d'être envoyés dans le digesteur. Celui-ci, isolé et chauffé à 38 °C grâce à la cogénération, conserve la matière durant 40 jours puis la transvase dans un postdigesteur dans les mêmes conditions de séjour. À la fin du cycle, le séparateur de phase presse la matière pour en extraire un digestat solide d'un côté et liquide de l'autre. Le premier, dont la production est estimée à 3 500 tonnes par an, sert d'engrais de fond en raison de sa richesse en phosphore et en potasse. Un tiers de la partie liquide, riche en azote ammoniacale et potasse, est stocké puis épandue à la reprise de végétation. Les deux tiers restant sont réinjectés dans le circuit de fermentation afin de maintenir un taux de matières sèches inférieur à 10 %. Le gaz stocké au sommet des fermenteurs alimente un moteur de cogénération MAN de 250 kWe. Il produit à la fois de d'électricité (estimée à 2 M kWh/an) et de la chaleur (2 M kWh/an). Les calories produites servent à chauffer l'installation et le reste est envoyé, via un réseau enterré, vers la malterie située à 1,3 km. Elles couvrent aujourd'hui 3 % de ses besoins par ce biais et l'objectif à terme est d'atteindre les 10 %.  

Gaec du Trécoeur, Condé-sur-Vire (Manche)

 

« Nous valorisons la chaleur issue de la cogénération pour produire un compost plus concentré en éléments fertilisants »

  Au Gaec du Trécoeur, dans la Manche, la chaleur issue de la cogénération est en majeure partie valorisée par un dispositif d'évapoconcentration. Le procédé présente les intérêts de réduire les volumes d'effluents liquides à transporter et de créer un compost particulièrement concentré en unités fertilisantes.   Eric Guellaff, associé du Gaec du Trécoeur avec son épouse Anne et installé à Condé-sur- Vire (Manche), est un des premiers agriculteurs français à retenir la solution de l'évapoconcentration pour valoriser une grande partie de la chaleur émise lors de la cogénération de son unité de méthanisation. Son installation, opérationnelle depuis décembre 2013 et calibrée pour produire 2,1 millions de kilowatts par an, représente un investissement de 2,3 M€ subventionné à hauteur de 20 %. Elle utilise un seul digesteur consommant quotidiennement du lisier, produit par l'élevage laitier, et 16 tonnes de déchets solides. La partie liquide arrive automatiquement dans le circuit d'alimentation du digesteur à l'aide de pompes via des canalisations partant de la fosse collectant les effluents de la stabulation à logettes. La matière solide est chargée chaque jour dans un incorporateur à l'aide d'un chariot télescopique. Elle est pour le moment constituée du fumier produit par les 500 bovins, de fientes provenant du poulailler (poule pondeuse) et des déchets de maïs ensilage. Du babeurre et des graisses, fournis par la laiterie située à deux kilomètres, sont également ajoutés. Les graisses sont conditionnées en cuve de 1 000 litres et demandent de passer dans un réchauffeur pour être liquéfiées avant leur incorporation.  

Jusqu'à 4 000 m3 d'effluents liquides en moins à épandre

  « Le besoin pour alimenter le digesteur s'élève à dix à douze milles mètres cubes de déchets par an mais notre exploitation ne peut fournir qu'à hauteur de 60 %, précise Eric Guellaff. Nous prévoyons donc à terme d'intégrer des récoltes de couverts végétaux, des tontes de pelouses et des boues d'industries agroalimentaires. » Après la fermentation, le digestat sortant du digesteur passe en intégralité dans un séparateur de phase, Après ce traitement, le volume se répartit pour 15 % en matière solide (compost) et 85 % en liquide dont une partie est stockée dans une fosse couverte. Le biogaz émis par le digesteur alimente un moteur thermique V8 tournant constamment à 1 500 tr/min. « Si le régime de rotation ne change pas, la production électrique varie en revanche de 160 à 265 kWh en fonction du niveau de gaz émis par l'unité de méthanisation, remarque l'agriculteur. D'ailleurs, si la quantité n'est pas suffisante, le moteur s'arrête. » L'électricité produite est intégralement vendue à EDF à un tarif indexé sur la part de matières d'origine agricole utilisée et le taux de valorisation de la chaleur. Le prix final se trouve ainsi dans une fourchette de 13 à 19 centimes d'euros par kilowatt. La chaleur émise par le dispositif de cogénération est, elle, valorisée en interne. Elle sert à mettre le digesteur à la bonne température, à produire l'eau chaude pour l'élevage et le robot de traite ainsi qu'à chauffer le bureau de la ferme. Toutefois, la plus grande partie est exploitée par le système d'évapoconcentration. Ce processus, fourni par la société K-Révert de Saint-Savin (Isère) et déjà éprouvé dans les installations industrielles, traite, chez Eric Guellaff, la moitié des effluents liquides issus de la séparation de phase, soit 4 500 à 5 000 m3 par an, le maximum permis par la quantité de chaleur disponible. Il utilise un évaporateur dans lequel l'effluent liquide est mis sous vide et chauffé à 70 °C. L'eau s'évapore alors sous l'effet de la chaleur avant de subir une osmose. Elle est ensuite stockée dans une fosse géomembrane pour se réoxygéner avant son introduction dans le milieu naturel à l'aide de champs d'infiltration (type épandage de fosse toutes eaux). « Les 3 500 à 4 000 m3 d'eau pure rejetés par cette installation sont appréciables en termes de coût de mécanisation et de main d'oeuvre car ce volume ne demande pas d'être épandu à la tonne à lisier », apprécie l'éleveur. La partie solide, particulièrement concentrée, représente, elle, 1 000 m3. «Nous mélangeons ce concentrat avec le compost produit par le séparateur de phase afin de l'enrichir. Nous obtenons ainsi un fertilisant dosant, à la tonne, dix unités d'azote, dix de phospore et dix de potasse». Cet engrais organique, stocké dans un bâtiment couvert, est apporté en partie sur les sols du Gaec. Le reste est livré chez des agriculteurs qui prêtent leurs terres. « Une telle installation de méthanisation nécessite 600 hectares de surface d'épandage mais notre exploitation ne compte que 140 hectares », note Eric Guellaff.        

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