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Le biogaz est un gaz combustible, incolore et piquant (odeur d'œuf pourri) qui est produit lorsque la biomasse, quelle qu'elle soit, pourrit ou fermente. Le pourrissement et la fermentation sont des processus naturels au cours desquels la matière organique est décomposée en l'absence d'air. La décomposition a lieu dans une installation technique destinée à la production de biogaz : l'installation de biogaz.
Le biogaz est donc un combustible qui peut être brûlé pour produire de la chaleur et/ou de l'électricité. Et avec cela, la différence entre les énergies renouvelables avec le biogaz d'une part et le soleil, l'eau et le vent d'autre part devient immédiatement claire : le biogaz doit être brûlé afin de rendre utilisable l'énergie qui y est stockée. La combustion en tant que telle n'est pas sans controverse d'un point de vue écologique, mais nous y reviendrons plus tard.
Dans ces installations de biogaz, diverses matières premières sont transformées en biogaz. Il peut s'agir de
- déchets organiques d'une part
- et de matières premières renouvelables d'autre part.
Les matières premières sont également appelées biomasse. Un autre terme est celui de substrats.
Il s'agit par exemple de : Le bois, les cultures dites énergétiques comme le maïs ou l'ensilage de maïs (ensilage de la plante entière de maïs), le colza ou le tournesol, et les déchets végétaux, par exemple les déchets dits verts. Le biogaz peut également être produit à partir de déchets organiques, qui sont collectés dans des bacs à déchets organiques dans tout le pays. En outre, le lisier et le fumier de vache, de porc ou de cheval sont également utilisés comme biomasse pour la production de biogaz.
Quelle est la biomasse la plus couramment utilisée pour la production de biogaz en Allemagne ?
Selonle Comité allemand du maïs (Deutsches Maiskomitee e.V., DMK), qui se réfère aux données de l'Agence des ressources renouvelables (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., FNR), entre autres, environ 46 % de matières premières renouvelables (NawaRo), 49 % de fumier et de bouse liquides, 3 % de biodéchets municipaux et 2 % de résidus de l'industrie, du commerce et de l'agriculture ont été utilisés dans les usines de biogaz allemandes en 2019.
La DMK indique que le maïs est la culture dominante parmi les matières premières renouvelables, et que son potentiel de rendement est inégalé par toute autre plante sur les sites favorables. Cependant, sur les sites marginaux, c'est-à-dire les hautes altitudes et les régions arides, le maïs perd de son excellence et l'ensilage de céréales en plante entière (GPS) peut donc apporter des avantages économiques par rapport au maïs. Dans les régions herbagères, en revanche, l'ensilage d'herbe gagne également en compétitivité en raison des prix de location bas et des faibles coûts qui en résultent.
The biomass is usually collected in a so-called pre-pit (or collecting basin). These have come via various reception points (silos, slurry pits), to which sorting and cleaning systems are attached in some cases. It is important here that there is no mixing of animal excreta (slurry, manure) and biowaste in the preliminary pit.
This could reduce the efficiency of the system and would not comply with the requirements of animal disease and hygiene legislation. In addition, according to legal regulations, possible pathogens must be destroyed before the collected biomass is transported from the pre-pit to the biogas plant.
This is done with heat (thermal pre-treatment) or with pressure (pressure sterilisation).
The preparation of the biomass also varies: it can be shredded, ground, crushed or otherwise comminuted. Shredding is important for the success of the fermentation because it increases the surface area for the bacteria to attack.
Then the biomass is mixed, i.e. homogenised with liquid manure, liquid fermentation residues or process water.
The heart of a biogas plant is its so-called fermentation tank, which is called a fermenter in technical jargon. In so-called mini-biogas plants, such as those used on farms, it is 500 to 1,200 cubic metres in size, circular and has a reinforced concrete foundation. The digester provides a light- and oxygen-free (anaerobic) environment in which countless bacteria biodegrade the substrates. This means that the water contained in the biomass and the organic compounds in it decompose, for example carbohydrates (sugar, starch, hemicellulose, cellulose), proteins, fats and others. Wet and dry fermentation are common methods of operation.
On the one hand
- fermented residues on the one hand and a gas mixture on the other,
- and on the other hand a gas mixture: biogas.
Agitators are used, usually with so-called submersible motors, which are immersed in the biomass through the outer wall of the fermenter. The agitator has several tasks to fulfil: It stirs and mixes the biomass slowly and steadily so that the sought-after biogas is optimally released from the mass. At the same time, the agitator distributes the heat. This is because a uniform temperature of around 40 degrees Celsius (°C) is one of the best working conditions for the bacteria involved.
Important to know: A biogas plant itself generates heat during fermentation. However, this is usually not enough, especially when it is cold outside. Therefore, a very good insulation of the plant is just as recommendable as the use of the heat of a downstream combined heat and power plant (in short: CHP) as process heat in order to increase the efficiency of the plant.
A distinction is made between single-stage and two-stage biogas plants. The latter ferment the biomass in two stages, first in the fermentation stage, then in the secondary fermentation stage. The duration of the fermentation process (retention time) is usually prescribed by law; 100 days is a proven period of time for the fermentation process to be completely finished.
The biogas is stored until it is used again, either internally, i.e. directly in the gas storage tank, or externally. The internal gas storage tank is located in the bonnet of the fermenter. Its storage volume should be at least a quarter of the daily production, so that fluctuations in gas production can be easily compensated. In addition, the storage tank must be able to compensate for pressure changes inside. So-called low-pressure storage tanks with an overpressure range of no more than 30 mbar have proved their worth. These are gas-tight foil bonnets that are supplemented with a second foil as weather protection above the actual sealing foil. The upper film is a so-called supporting air roof, where air is blown into the intermediate space by means of a blower to keep the upper film in position.
Regarding the digestate, you need to know that - depending on the biomass used - it is rich in humus-forming substances and nutrients, including easily plant-available nitrogen, phosphorus, potassium, sulphur and trace elements. Uncontaminated digestate can be used in agriculture as a high-quality organic fertiliser and can largely replace or supplement mineral fertilisers. The fermentation residues are stored in the fermentation residue storage of the biogas plant until their final use. They must be covered gas-tight to prevent the emission of methane, also known as greenhouse gas, which is the main component of raw biogas (see next question).
Depending on the condition of the fermentation residues, they are then brought to the fields in slurry barrels (liquid) or with manure spreaders (solid). It is also possible to dry the fermentation residues using the heat that is released during biogas production. If the digestate, in whatever form, is spread within a farm, the return of the digestate to the farm is an important part of the process.
La composition du biogaz dépend de la biomasse qui est traitée. Initialement, c'est-à-dire avant la valorisation du biogaz, le biogaz obtenu, également appelé biogaz brut, contient :
- du méthane (CH4)
- et du dioxyde de carbone (CO2)
- souvent, de l'azote (N2)
- de l'oxygène (O2),
- du sulfure d'hydrogène (H2S),
- de l'hydrogène (H2)
- et de l'ammoniac (NH3) sont également présents
Le méthane est considéré comme précieux dans le biogaz saturé en eau, et sa part peut atteindre 65 pour cent. Plus cette proportion est élevée, plus le biogaz est riche en énergie. La vapeur d'eau, en revanche, n'est pas utilisable. Les facteurs d'interférence dans le biogaz brut sont notamment le sulfure d'hydrogène et l'ammoniac. C'est pourquoi la valorisation du biogaz a lieu avant que le biogaz brut ne soit brûlé.
Ces deux composés sont spécifiquement éliminés dans une installation de valorisation du biogaz (BGA).
Résultat : les personnes sont moins en danger. Les nuisances olfactives sont réduites. La corrosion des moteurs, des turbines et des composants en aval (y compris les échangeurs de chaleur) est évitée. Le CO2 (jusqu'à 50 %) contenu dans le biogaz brut est également une nuisance. C'est pourquoi il est séparé et recyclé dans certaines applications.
Le biogaz peut être
- Le biogaz peut être purifié et raffiné dans une usine de valorisation du biogaz afin d'atteindre la qualité du gaz naturel et peut ensuite être acheminé vers une station de remplissage de gaz naturel ou vers le réseau de gaz naturel. Le gaz naturel est (encore) un combustible fossile important pour l'industrie en Allemagne : plus d'un tiers du gaz naturel utilisé chaque année dans ce pays est consommé dans ce secteur, principalement pour la production de chaleur.
Cela s'explique par le fait que divers processus de fabrication dépendent de ce que l'on appelle la chaleur industrielle, par exemple la production de verre, de porcelaine et d'acier. Comme vous pouvez le constater, le biogaz pourrait remplacer une partie du gaz naturel fossile et soulager ainsi la situation sur le marché du gaz (nous y reviendrons plus loin dans la section consacrée aux avantages du biogaz).
- Ou, et cette utilisation est beaucoup plus courante dans la pratique, le biogaz est brûlé directement sur place (c'est-à-dire directement relié à l'installation de biogaz) dans une centrale de production combinée de chaleur et d'électricité. Cette dernière utilise généralement un moteur Otto, optimisé pour le fonctionnement au gaz. La tâche du moteur est de brûler le biogaz produit et de générer de l'électricité directement via un générateur d'électricité connecté.
La chaleur est produite comme sous-produit.
L'électricité et la chaleur peuvent être utilisées comme produit final, soit pour la consommation personnelle, soit pour être vendues par l'acheteur ou ses clients. Alors que l'électricité est injectée dans le réseau de l'entreprise ou dans le réseau public, l'utilisation de la chaleur est plus compliquée
. La raison : des pertes d'énergie considérables se produisent lors du transport de la chaleur. Par conséquent, la chaleur ne peut être utilisée que dans un réseau de chauffage local. La règle suivante s'applique : plus la chaleur peut être utilisée à proximité de l'installation de biogaz, plus le degré d'efficacité est élevé. Ainsi, les gros consommateurs de chaleur tels que les piscines, les hôtels ou les centres commerciaux proches de l'installation de biogaz sont avantageux.
Important : dans certains cas, la chaleur de la cogénération est réinjectée dans l'installation de biogaz pour soutenir le processus de fermentation (voir ci-dessus).
Les moteurs à gaz de la cogénération sont exploités en mode "pauvre" avec turbocompression afin de réduire au maximum les émissions d'oxyde d'azote. La cogénération est en grande partie entièrement automatique. Mais : Une cogénération est assez bruyante.
Par conséquent, l'emplacement de l'unité de cogénération doit répondre aux exigences de protection contre le bruit. Les conteneurs bien isolés avec alimentation en air intégrée ont fait leurs preuves. En alternative au classique moteur à gaz Otto, on utilise, quoique moins fréquemment, des moteurs à allumage par réaction ou des moteurs Stirling, ainsi que des micro-turbines à gaz et des piles à combustible.
Ces dernières ne sont actuellement pas très répandues en raison de l'investissement relativement élevé dans la technologie des piles à combustible.A l'avenir, nous devrons nous approvisionner entièrement en énergies renouvelables. Outre les sources d'énergie renouvelables que sont le soleil, l'eau et le vent, le biogaz jouera également un rôle dans le mix énergétique renouvelable.
Si vous envisagez de vous lancer dans le secteur du biogaz en tant que producteur ou investisseur, vous trouverez dans cet article les réponses à toutes les questions importantes sur le biogaz. Avec les connaissances dont vous disposez, vous prendrez la bonne décision, c'est promis !
Par rapport au gaz naturel fossile, le biogaz est produit à partir de la biomasse. Celle-ci se compose de plantes renouvelables ainsi que de fumier et de lisier provenant de l'élevage d'animaux.
C'est pourquoi le biogaz est considéré comme une source d'énergie renouvelable.
Selon Statista.de, environ 9 700 installations de biogaz étaient en service en Allemagne à la fin de 2020. L'Agence fédérale de l'environnement (UBA) écrit ici que 50,4 milliards de kilowattheures (kWh) d'électricité ont été fournis à partir de la biomasse en Allemagne en 2021. Par rapport à 2020 (50,9 milliards de kWh), cela représente environ 1 % de moins d'électricité issue de la biomasse.
Selon le rapport, les principales sources de production d'électricité à partir de la biomasse étaient les suivantes :
- Biogaz (28,5 milliards de kWh),
- biomasse solide (11,4 milliards de kWh) et la part biogène
- et la part biogène des déchets (5,6 milliards de kWh).
Globalement, selon l'UBA, la production d'électricité à partir de la biomasse s'est maintenue à peu près au même niveau au cours des cinq dernières années.
La puissance installée avait augmenté d'environ un pour cent pour atteindre 10 431 mégawatts (MW) en 2021. Par rapport à 2016, l'augmentation de la capacité installée est d'un bon 20 pour cent. Cependant, l'expansion de la capacité des centrales à biomasse ces dernières années a surtout servi à rendre la production d'électricité plus flexible. Ce que l'on appelle la "surconstruction" n'a guère conduit à une augmentation de la quantité d'électricité produite annuellement ces dernières années, mais elle garantit que l'électricité renouvelable peut être fournie de manière plus flexible en fonction de la demande (par exemple, en période de faible production d'électricité éolienne et photovoltaïque).
Selon le BDEW, la majorité des installations de biogaz en Allemagne utilisent le biogaz produit directement sur place. Selon l'association allemande de l'industrie de l'énergie et de l'eau, cela signifie que le biogaz est converti en électricité et en chaleur directement au point d'origine au moyen d'un processus de production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE) dans une centrale de cogénération.
Pour ce faire, on utilise généralement des moteurs à combustion interne (moteurs à gaz). L'électricité produite est généralement injectée dans le réseau public et rémunérée conformément à la loi sur les sources d'énergie renouvelables (EEG). La chaleur est utilisée sur place, injectée dans un réseau de chauffage local ou utilisée pour chauffer l'installation de biogaz.
L'association allemande des industries de l'énergie et de l'eau (BDEW) a résumé le potentiel du biogaz dans son info énergie "Gas kann grün : Die Potentiale von Biogas/Biomethan. Statu quo, faits et développement" (en 2019) l'a résumé ainsi :
- Le biogaz pourrait apporter une contribution importante à la transition énergétique en tant qu'énergie renouvelable flexible. Selon le rapport, il fournit une énergie sûre et peut être stocké sur de longues périodes.
- Le potentiel du biogaz n'est pas encore épuisé. La nouvelle diversité de la biomasse en tant que matière première offre des possibilités d'expansion permettant d'économiser l'eau. Une dégressivité des coûts est possible en regroupant l'alimentation et en ouvrant ainsi d'autres voies d'utilisation.
- Selon le BDEW, jusqu'à 10,3 milliards de m³ de biogaz pourraient être injectés annuellement dans le réseau gazier allemand d'ici 2030, ce qui correspondrait à 100 térawattheures (TWh).
Pour augmenter le potentiel du biogaz, le BDEW propose les étapes suivantes :
- Optimiser les installations de biogaz en termes de procédés, de flexibilité et d'approvisionnement en biomasse.
- Convertir le plus largement possible les installations de production d'électricité sur site à l'alimentation en biométhane. Des exemples de calculs montreraient ici des potentiels allant jusqu'à 26% des ventes de gaz dans différentes régions
- Utilisation et développement d'autres matières premières de biomasse
- Connexion systémique de la valorisation du biogaz et du power-to-gas
Le BDEW note également que la condition préalable à l'exploitation du potentiel du biogaz est une amélioration significative du marché. Selon l'association industrielle, aucune expansion supplémentaire n'est prévisible avec les conditions cadres actuelles pour le biogaz sur les marchés de vente de la production d'électricité, de chaleur et de carburant. Les incitations du marché, la stabilisation du cadre réglementaire et l'optimisation des installations fourniraient ensemble le potentiel nécessaire pour accroître la décarbonisation du gaz.
Voici 6 avantages du biogaz :
- Le biogaz est considéré comme neutre en CO2 car lorsqu'il est brûlé, seule est libérée la quantité de CO2 que les plantes qui ont fermenté dans l'usine de biogaz ont absorbée jusque-là. D'après ce calcul, le biogaz n'émet pas de CO2 supplémentaire. Cependant, la production et l'utilisation du biogaz ne sont pas totalement exemptes d'émissions de CO2. Des gaz à effet de serre sont émis pendant la construction et l'exploitation de l'installation, le stockage et l'épandage des résidus de fermentation, la récolte, l'utilisation d'engrais et la conduite des tracteurs. Néanmoins, l'essentiel est que l'électricité produite par les installations de biogaz émet nettement moins de CO2 que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles.
À titre de comparaison :
- Les centrales au lignite génèrent plus de 1 000 grammes d'équivalent CO2 par kilowattheure d'électricité produit,
- Les installations de biogaz produisent moins de 250 grammes d'équivalent CO2 par kWh. Si la chaleur produite par l'installation de biogaz est également utilisée, le bilan est encore plus positif.
- Les installations de biogaz, une source de revenu supplémentaire pour les agriculteurs
Une installation de biogaz est une source de revenu intéressante pour les agriculteurs. En vertu de la loi sur les sources d'énergie renouvelables (EEG) de 2000, ils bénéficient d'un tarif de rachat fixe pour l'électricité produite à partir de biogaz, bien qu'ils ne soient pas nécessairement tenus d'injecter le gaz produit, mais puissent également le consommer eux-mêmes. Et ils peuvent utiliser les résidus de fermentation comme engrais sur leurs champs.
- Le biogaz complète les énergies renouvelables indépendamment des conditions météorologiques
Contrairement à l'énergie éolienne et solaire, le biogaz peut être produit indépendamment des conditions météorologiques et peut également être assez bien stocké. Il peut donc couvrir la charge de base et compenser les fluctuations du réseau.
- Le biogaz est une énergie "Made in Germany"
Le biogaz étant "Made in Germany", on évite les longs trajets de transport, on maintient la valeur ajoutée et les emplois dans la région rurale, et on contribue en même temps à l'indépendance énergétique de l'Allemagne.
- Le biogaz favorise l'économie circulaire (cradle to cradle)
Avec le biogaz, nous recyclons les déchets biologiques que nous produisons. Cela réduit la charge sur l'environnement et rend les combustibles fossiles moins nécessaires.
- Avec le biogaz, nous obtenons également un substrat de fermentation comme engrais.
Le fumier fermenté sent moins que le fumier normal et l'odeur s'estompe également plus rapidement. Les plantes absorbent mieux les résidus de fermentation que le fumier normal, ce qui améliore le rendement des champs. En outre, l'agriculteur économise le coût des engrais artificiels et évite la pollution de l'environnement due à leur utilisation.
Et voici les inconvénients du biogaz
- Les cultures énergétiques occupent des terres arables.
Les cultures dites énergétiques sont souvent cultivées comme biomasse pour la production de biogaz. Cela nécessite des terres, ce qui augmente la concurrence foncière résultant de l'intérêt pour les terres des trois secteurs de l'habitat et des transports, de l'agriculture et de la production d'énergie renouvelable.
- Nuisances olfactives
De nombreuses personnes qui vivent à proximité d'une installation de biogaz trouvent que ses "gaz d'échappement" sont une nuisance.
- La production de biogaz peut polluer le climat
Outre le biométhane, la production de biogaz peut produire de l'ammoniac, du sulfure d'hydrogène et d'autres substances problématiques. Si celles-ci se retrouvent dans l'environnement, elles polluent le sol, les eaux souterraines et l'atmosphère.
- Les transports de biomasse provoquent des émissions de CO2
Les grandes installations de biogaz ont besoin de beaucoup de biomasse, qui n'est pas toujours disponible localement. Si la biomasse et le lisier doivent être transportés sur de longues distances par camion, du CO2 est émis pendant le transport.
