La méthanisation, pour un gaz non fossile

Un des objectifs de la Stratégie nationale bas-carbone (SNBC) est de remplacer progressivement le gaz naturel fossile par une molécule identique, mais d’origine renouvelable et décarbonée : le biométhane. Celui-ci est produit par purification du biogaz, lui-même obtenu par divers procédés dont le plus mature est actuellement la méthanisation.

Une énergie au bilan carbone globalement neutre

La méthanisation consiste à dégrader la biomasse par les microorganismes qui se développent naturellement dans des fermenteurs en absence d’oxygène et à une température comprise entre 35 et 60 °C selon les procédés. On obtient du biogaz et un résidu appelé digestat. Le biogaz contient environ 55 à 70 % de méthane, le reste étant principalement du CO₂ auquel s’ajoutent diverses impuretés (H2S notamment). Le biogaz peut être utilisé directement pour produire de la chaleur et de l’électricité en cogénération, ou purifié en biométhane qui peut être injecté dans le réseau de gaz naturel ou utilisé comme biocarburant (bioGNV). Bien que dégageant du CO₂, la méthanisation présente un bilan carbone globalement neutre, contrairement au gaz fossile. En effet, le CO₂ émis par la méthanisation est celui qui a été capté par la biomasse végétale dans un cycle de temps court. 
Une étude menée par INRAE Transfert à la demande de GRDF a montré qu’un scénario de méthanisation agricole réduit de 73 % l’impact sur le changement climatique et de 65 % l’impact sur l’épuisement des ressources énergétiques, par rapport à un scénario sans méthanisation, et ce dans 2 systèmes agricoles modélisés : la polyculture (méthanisation des résidus de culture et des cultures intermédiaires à vocation énergétique – CIVE) et l’élevage (méthanisation des effluents). L’étude a mobilisé la méthodologie de l’analyse de cycle de vie (ACV) et a évalué 16 indicateurs environnementaux en analysant les 3 fonctions associées à la méthanisation agricole : la production d’énergie, la gestion des effluents et la fertilisation des sols.

Une matière première essentiellement agricole

Les principales sources de biomasse utilisées actuellement en France pour la méthanisation sont d’origine agricole : les effluents d’élevage et les CIVE. Le potentiel pour développer plus avant la méthanisation agricole réside principalement dans une meilleure valorisation des CIVE et des résidus de cultures (paille de céréales, d’oléagineux ou de protéagineux, tiges de maïs, fanes de betterave), deux sources de biomasse qui n’entrent pas en concurrence avec l’usage alimentaire des terres. Les CIVE sont des cultures intermédiaires intercalées entre des cultures alimentaires principales, avec lesquelles elles n’entrent pas en compétition à condition d’être bien gérées. Il faut en particulier éviter d’allonger leur durée de culture, ce qui conduirait à avancer la récolte de la culture principale qui précède et/ou à retarder l’implantation de la culture principale qui suit. Il faut aussi veiller à ce que la consommation d’eau des CIVE n’affecte pas la culture suivante 1. Les CIVE n’occupent pas de terres supplémentaires. Elles se distinguent en cela des cultures énergétiques dédiées, qui sont implantées exclusivement pour la production d’énergie et qui peuvent entrer en compétition avec les cultures alimentaires en termes d’occupation des sols 2. Les CIVE se développent rapidement en France car elles présentent de multiples avantages. En gardant le sol couvert, elles le protègent contre l’érosion, améliorent sa structure et sa capacité à retenir de l’eau, limitent le développement des adventices. Les CIVE représentent un potentiel important encore sous-valorisé. À noter toutefois que d’un point de vue économique, il n’est pas rentable de récolter une CIVE dont la production est inférieure à 5 tonnes de matière sèche par hectare. Cependant, la tentation d’augmenter les rendements des CIVE ne doit pas conduire à des comportements non-vertueux comme l’irrigation, la fertilisation azotée ou l’usage des produits phytosanitaires. Il paraît préférable de se limiter aux CIVE d’hiver dans certaines régions.
Les résidus agricoles représentent aussi une source de biomasse non concurrentielle avec l’alimentation. La paille est la principale ressource résiduelle en France, mais elle est encore peu exploitée à des fins énergétiques. 

_{1. Exemples de CIVE : en cultures d’hiver : raygrass, triticale, seigle, avoine. En cultures d’été : sorgho, pois, tournesol. Par rapport à la ressource en eau, privilégier les CIVE d’hiver et/ou semer tôt les CIVE d’été. 
2. Pour la méthanisation, l’utilisation de ces cultures dédiées est limitée en France à 15 % en tonnage, décret n° 2022-1120 
du 4 août 2022.}

Le digestat, un atout pour la fertilité des sols 

Lorsqu’elle est laissée au sol, la biomasse agricole résiduelle (résidus de cultures et effluents d’élevage) constitue une source de matière organique et de nutriments (N, P, K = azote, phosphore, potassium) pour maintenir la fertilité des sols. Prélever cette biomasse pour alimenter un méthaniseur pourrait donc générer des pertes de fertilité. Le retour au sol des digestats de méthanisation permet en partie de résoudre cette question, car les digestats conservent une bonne part des matières fertilisantes de départ. 
Pour bien gérer les digestats, il est nécessaire de caractériser finement leur composition et leurs propriétés, et de comparer leurs effets sur le sol à ceux de la biomasse de départ. Les recherches d’INRAE ont permis d’identifier les principaux points d’attention. L’un d’entre eux concerne l’azote. En effet, l’azote des digestats se trouve sous forme d’ammoniac, plus facilement assimilable par les végétaux, mais présentant des risques de dispersion dans l’atmosphère et de pollution, en tant que précurseur de particules fines. La solution consiste à épandre les digestats avec des épandeurs spéciaux, ou « pendillards », qui permettent de les enfouir rapidement. La période d’épandage est aussi à étudier pour bénéficier au mieux à la culture alimentaire suivante et pour éviter que l’azote ne se retrouve dans l’eau s’il n’est pas utilisé par les végétaux, par exemple en fin de printemps et avant les semis pour le maïs, en automne pour les colzas semés en fin d’été . 
En ce qui concerne les apports en matière organique et le stockage de carbone, des travaux de modélisation d’INRAE sur la paille montrent que le prélèvement de la biomasse pour la méthanisation est le plus souvent compensé par la restitution des digestats au sol. Pour 50 % des sols français, le stock de carbone au bout de 100 ans est plus élevé en épandant le digestat qu’en laissant la paille au sol (+ 0,8 %). Les digestats issus des autres voies d’obtention du biométhane sont encore plus intéressants : les « biochars » obtenu après pyrogazéification augmentent le stock de carbone au bout de 100 ans dans tous les sols (+ 100 % sur plus de la moitié des sols) 3.
D’autres travaux d’INRAE montrent que l’on peut post-traiter les digestats avant leur épandage pour séparer la phase solide, fibreuse, riche en carbone organique (amendement de fond) et la phase liquide, plus riche en nutriments. Ce traitement permet d’ajuster finement la restitution au sol suivant les besoins, la phase solide servant d’amendement de fond et la phase liquide de fertilisant.

_{3. Andrade C. et al. (2022). Research Square preprint. DOI: 10.21203/rs.3.rs-1447950/v2}

Un processus mal ou méconnu dans la société

Un sondage d’Opinion Way (2021) révèle que seulement 22 % des Français savent et peuvent expliquer ce qu’est le biogaz. 46 % des personnes interrogées considèrent qu’il est source de mauvaises odeurs, 44 % qu’il peut être dangereux, 36 % qu’il entraîne la pollution des sols et de l’eau. 71 % pensent que la méthanisation est source d’emplois locaux. Éléments de réponse de Nicolas Bernet, qui dirige le LBE à l’INRAE de Narbonne : 
→ mauvaises odeurs : les digestats, comme les composts, dégagent une faible odeur rappelant l’humus des sols. Les mauvaises odeurs proviennent surtout des déchets avant méthanisation qu’il faut couvrir pendant les phases de collecte et de stockage ;
→ dangerosité : les fuites éventuelles de méthane posent davantage un problème environnemental que de dangerosité, car le méthane est un GES dont le pouvoir de réchauffement est beaucoup plus élevé que celui du CO2. Pour éviter les fuites, les installations doivent répondre à une réglementation stricte ;
→ pollution des sols et de l’eau : la composition et les conditions d’épandage des digestats sont réglementées et contrôlées en France. Les digestats d’origine agricole, comme toutes les matières fertilisantes, doivent être gérés de façon raisonnée pour ne pas polluer le sol, mais lui apporter au contraire des éléments minéraux et de la matière organique stabilisée ;
→ emplois : en 2018, 4 000 emplois ont été générés. Ce nombre pourrait passer à 53 000 d’ici à 2030.

Valoriser les déchets ménagers en ville

La méthanisation n’est pas seulement une solution pour produire de l’énergie, c’est aussi un outil d’économie circulaire puisqu’elle permet de traiter de nombreux types de déchets organiques. D’ici 2050, près de 7 personnes sur 10 devraient vivre en zone urbaine en France, produisant des déchets biodégradables à hauteur d’un tiers de leurs ordures ménagères, un véritable gisement de ressources valorisables. « Nous avons développé et testé grandeur nature un système de microméthanisation en milieu urbain, à Ecully, près de Lyon, capable de produire, à partir des biodéchets, du biométhane pour de l’énergie locale. Le digestat est utilisé comme substrat pour cultiver des bactéries à propriétés insecticides, constituant un biopesticide valorisable sur les cultures maraîchères », explique Anne Trémier, chercheuse au centre INRAE de Rennes. À l’instar de ce biopesticide, les digestats non épandables pourraient être utilisés pour produire des molécules à haute valeur ajoutée, dont des acides gras pour la chimie et de l’hydrogène. Sur le plan environnemental et socio-économique, les résultats permettent d’envisager concrètement le déploiement de ce système, à l’échelle d’unités de 800 à 1 000 ménages. 

Pour une gestion territoriale 

Un méthaniseur dimensionné à l’échelle territoriale peut drainer des sources de biomasse à la fois agricoles et non agricoles (déchets verts urbains, résidus d’industries agroalimentaires, voire boues de stations d’épuration). Dans ces mélanges, c’est l’intrant majoritaire qui détermine les caractéristiques du digestat. À partir des travaux d’INRAE, un outil en ligne gratuit, financé par l’Ademe, permet d’anticiper précisément le type de digestat obtenu et son potentiel en termes de fertilisation et d’apport de carbone.
La méthanisation des boues de stations d’épuration urbaines permet de valoriser l’ensemble des eaux usées collectées au niveau d’une station en produisant du biométhane injecté dans le réseau gazier. Aujourd’hui, c’est le cas pour 43 stations d’épuration en France (soit 0,2 %) qui produisent 500 GWh/an, tandis que le potentiel est estimé à 2 TWh/an (source Infometha). Le digestat issu de cette méthanisation peut être épandu sur les champs voisins sous des conditions réglementaires strictes : contrôle de la qualité agronomique, normes en termes de microorganismes pathogènes et d’éléments traces métalliques (cuivre, zinc, mercure, cadmium) et modalités d’épandage. 
Optimiser l’organisation territoriale, c’est aussi positionner les méthaniseurs à proximité des réseaux de chauffage urbain, pour récupérer les grandes quantités de chaleur produite par la méthanisation, qui sont sinon perdues. De même, le CO2 contenu dans le biogaz, qui est actuellement éliminé, pourrait être injecté dans l’atmosphère des serres pour favoriser la photosynthèse, ce qui est fait actuellement en brûlant du gaz. 

Biométhane et hydrogène : deux partenaires interchangeables

Beaucoup de recherches et de promesses portent sur l’hydrogène (H₂) en tant que forme de stockage d’énergie. Ce stockage est particulièrement important pour lisser la production des énergies renouvelables intermittentes comme le solaire et l’éolien. On peut stocker l’électricité en excès sous forme d’hydrogène par électrolyse de l’eau (H₂O → H₂ + O₂). Le rendement de conversion (30-40 %) est néanmoins moins élevé qu’avec d’autres formes de stockage comme les batteries ou les STEP (70-80 %). Autre inconvénient : l’hydrogène est difficile à transporter car c’est un gaz léger qu’il faut comprimer à 700 bars ou liquéfier à –253 °C et qui est inflammable et potentiellement explosif dans certaines conditions. Une autre solution consiste à convertir l’hydrogène en méthane, par le processus de méthanation : H₂ + CO₂ → CH₄. On appelle cette technologie « power to gas » (= électricité sous forme de gaz).
Il faut noter qu’actuellement l’essentiel de l’hydrogène est produit à partir d’électricité d’origine fossile (gaz, charbon, pétrole) ou par réformage du gaz fossile (CH₄ → H₂ + CO₂). Ces procédés sont moins coûteux que l’hydrolyse de l’eau, mais plus impactants en termes de changement climatique. INRAE s’intéresse à une autre source d’hydrogène : celui qui se forme naturellement comme intermédiaire de méthanisation. Cette production d’hydrogène par voie biologique (biohydrogène) est encore moins impactante que l’électrolyse, laquelle nécessite des composants ayant une empreinte carbone non négligeable (électrodes, membranes). « En réalité, on réalise ce processus en 2 étapes : production d’hydrogène dans un petit fermenteur, avec seulement une quinzaine d’espèces microbiennes majoritaires, puis injection de cet hydrogène dans le méthaniseur pour l’étape de méthanation, par interaction avec le CO₂ présent dans le méthaniseur », détaille Éric Trably, directeur adjoint du LBE à Narbonne. Le rendement global en biométhane du couple fermenteur/méthaniseur est ainsi augmenté. La construction d’un prototype utilisant cette méthanation in situ est prévue en 2024.