Le gaz naturel renouvelable (GNR) est du méthane (CH₄) produit à partir de la dégradation anaérobie de matières organiques : déchets alimentaires, boues d’épuration, effluents agricoles, décharges. En France, il représente seulement « 3,2 % de la consommation primaire de gaz naturel », selon les SDES (Statistiques publiques de l’énergie, des transports, du logement et de l’environnement).
Aux États-Unis, qui consomment dix fois plus de gaz que la France, il ne pesait que 0,2 % du mix gazier national en 2022 si l’on en croit les chiffres de l’EIA (Energy Information Administration). La filière existe bien, mais elle est bridée par deux obstacles : un rendement de conversion insuffisant et un coût d’épuration trop élevé. Outre-Atlantique, il existe des milliers de stations d’épuration qui produisent déjà du biogaz, mais il est trop impur pour être injecté dans le réseau national.
Une équipe de chercheurs de la Washington State University (WSU) a souhaité s’attaquer à ce problème. Au mois de mars, elle a publié une étude dans la revue Chemical Engineering Journal, démontrant qu’il était possible, dans des conditions expérimentales, de tripler la production de GNR tout en divisant par deux le coût de traitement des boues.
Biogaz : comment mieux valoriser les déchets organiques ?
Le procédé développé par l’équipe de Birgitte Ahring, professeure au laboratoire de bioingénierie de la WSU et co-autrice de cette étude, intervient à deux endroits de la chaîne de production de GNR.
Le premier, c’est le rendement de la digestion anaérobie, processus par lequel la matière organique est dégradée par des micro-organismes privés d’oxygène. Environ 7 500 des 15 000 stations d’épuration américaines y recourent déjà, avec le même résultat décevant. Les boues qu’elles traitent (résidus organiques complexes issus notamment des eaux usées domestiques et industrielles, comprenant matières organiques variées et graisses, etc.) sont une matière très dense et hétérogène qui résiste à la digestion anaérobie car ses composants organiques s’y présentent sous forme de longues macromolécules dont les liaisons sont peu accessibles aux enzymes bactériennes.
Pour contourner ce blocage, les chercheurs ont placé un réacteur de prétraitement entre l’arrivée des boues et le digesteur anaérobie. Sous haute température et haute pression, une infime quantité d’oxygène agit comme agent oxydant et fragmente, en partie, les macromolécules récalcitrantes que les enzymes bactériennes ne pouvaient pas rompre. De cette manière, le coût de traitement des boues chute de 494 à 253 dollars par tonne de matière sèche.
Le deuxième obstacle, c’est la composition du biogaz lui-même. La digestion anaérobie ne produit pas du méthane pur : elle génère un mélange gazeux contenant entre 50 et 75 % de méthane et entre 25 et 50 % de CO₂. Ce dernier est problématique, car il abaisse le pouvoir calorifique du gaz et le rend impropre à l’injection dans le réseau, qui exige une pureté méthane proche de 97-99 %. Il existe déjà des procédés d’épuration, mais ces techniques sont coûteuses et non rentables à grande échelle.
L’équipe s’est donc tournée vers une autre voie : utiliser une souche bactérienne découverte et isolée dans le cadre de ses propres recherches, aujourd’hui brevetée, qui peut convertir le CO₂ résiduel en méthane supplémentaire en présence d’hydrogène. « Elle n’a pas besoin d’additifs organiques ni de soins particuliers », explique Ahring. « Elle se contente d’eau et d’une vitamine », ajoute-t-elle.
Le biogaz brut issu de la digestion est introduit dans un réacteur biologique où cette souche est maintenue en culture, et il en ressort avec une teneur en méthane proche de 99 %.
« En combinant prétraitement avancé et épuration biologique du biogaz, ces travaux offrent un cadre inédit pour traiter les boues de manière durable en maximisant la récupération d’énergie et en contribuant à l’économie circulaire », précise Ahring.
Rentabilité : le véritable défi
Un rendement de conversion triple et une production de biogaz deux fois moins chère : c’est presque miraculeux si l’on expose les chiffres à plat. Tenons-nous enfin le moyen de produire du GNR de manière optimale ? Pas si vite, ces résultats ont été obtenus en laboratoire, sur des boues collectées dans une station d’épuration voisine de la WSU et non sur une réelle installation.
Reproduire ces rendements à grande échelle suppose de maîtriser des variables que le laboratoire a neutralisées pour mener plus facilement son expérience : hétérogénéité des boues selon les villes et les saisons, coût et disponibilité de l’hydrogène nécessaire à la méthanation biologique, ou encore robustesse de la souche bactérienne dans des conditions moins contrôlées. L’équipe a indiqué qu’elle travaille aujourd’hui avec un partenaire industriel pour développer une version à plus grande échelle de leur nouveau procédé, mais rien ne nous dit qu’il puisse être rentable s’il est déployé plus largement. Cela n’enlève en rien son intérêt, puisqu’il débloque, sur le papier, deux faiblesses que la filière biogaz traîne depuis ses débuts ; un pas en avant qui a attiré l’intérêt du Département américain de l’Énergie, lequel a financé une partie de ces travaux.
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