Le biogaz est un mélange de gaz produit par dégradation anaérobie de la matière organique. Il est principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone et de traces d’autres gaz (H2S, H2O, ..). Le biogaz peut être produit à partir de différents substrats naturels ou artificiels qui se décomposent par des processus bactériens. Etant une source d'énergie renouvelable et neutre en carbone, le biogaz est utilisé avant tout pour générer de l'électricité, de la chaleur, du froid ou du carburant.
Composition
Le biogaz est constitué principalement de méthane et de dioxyde de carbone et de traces de sulfure d'hydrogène, d'azote, et dans certains cas de siloxanes. Le tableau 1 donne la composition typique du biogaz.
| Composition typique du biogaz | ||
| Composition | Formule | Concentration |
| Methane | CH4 | 50 - 75 vol.-% |
| Carbon dioxide | CO2 | 25 - 45 vol.-% |
| Water vapour | H2O | 2 - 7 vol.-% |
| Oxygen | O2 | < 2 vol.-% |
| Nitrogen | N2 | < 2 vol.-% |
| Ammonia | N2 | < 1 vol.-% |
| Hydrogen | H2 | < 1 vol.-% |
| Hydrogen sulphide | H2S | 20 - 20.000 ppm |
| Source: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) | ||
La valeur énergétique du biogaz est déterminée par la teneur en méthane. La composition du biogaz dépend principalement de la conception et des conditions opératoires de la digestion anaérobie, ainsi que des caractéristiques de la biomasse utilisée.
Matières premières
e biogaz peut être produit à partir d'une variété de matières premières appropriées pour la digestion anaérobie. Les matières premières potentielles sont la biomasse ou les déchets de substrats sous forme de solides, liquides et boues provenant du secteur agricole, industriel ou public.
- Déchets agricoles
- Fumier ou lisier
- Boues de stations d'épuration des eaux usées
- Déchets ménagers (Bio-déchets ou déchets alimentaires)
- Cultures énergétiques
La Figure C résume le rendement de production de biogaz et le contenu de méthane pour différentes matières organiques.
Figure C: Rendement de biogaz pour différents substrats
Source: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
Production
Le biogaz est produit par la digestion anaérobie. Dans ce processus, la matière biologique organique est décomposée en l'absence d'oxygène (i.e. en anaérobie) par des bactéries.
Les principales étapes de la digestion anaérobie sont:
- Hydrolyse: décomposition de la matière organique en composés organiques solubles par des microorganismes
- Acido- et acétogénèse: conversion de la matière décomposée en acides organiques
- Méthanogénèse: conversion des acides organiques en gaz riche en méthane (biogaz)
Le produit résiduel de la méthanisation, contenant des matériaux organiques non dégradés, des matières minéraux et des micro-organismes excédentaires est appelé digestat. Contenant des éléments nutritifs précieux comme l'azote et le potassium, le digestat peut être utilisé comme substitut des engrais chimiques ou fertilisant du sol.
La digestion anaérobie produisant le biogaz a lieu dans un digesteur. Le digesteur est couvert ou encapsulée afin de capturer le biogaz pour la génération de chaleur et d'électricité ou pour alimenter un réseau de gaz naturel.
Advantages
Le biogaz présente de nombreux avantages, notamment en matière de développement durable et de protection de l'environnement:
- Ressource renouvelable et locale:
- Facilement disponibles et durable
- Indépendant des ressources fossiles
- Neutre en carbone après combustion:
- Ne contribue pas à l'effet de serre
- Production de déchets réduite
- Digestat (fertilisants organiques) substituant des engrais industriels
Applications
Le biogaz est brûlé soit dans un moteur à gaz, une centrale de cogénération ou une pile à combustible pour produire de l'énergie renouvelable.
Les principales applications sont:
- Production d'électricité
- Génération de chaleur
- Chauffage de l'espace
- Chauffage de l'eau
- Génération de froid (Trigénération : froid, chaleur et électricité)
- Carburant (gaz naturel comprimé)
L'efficacité typique d'une centrale de cogénération est de 85-90% avec un rendement électrique de 28-47% et une efficacité thermique de 34-55%.
Faits et chiffres
Une installation de biogaz typique avec une capacité installée de 190 kWel peut couvrir les besoins en électricité de 450 ménages et les besoins en chaleur de 30 ménages. Ceci permet d’éviter en moyenne 650 tonnes de CO2 et de substituer 20000 kg d'engrais minéraux.
Des valeurs typiques d’installation de biogaz sont:
| 1 m3 Biogaz | = 5.0 to 7.5 kWh = 1.5 to 3 kWhel |
| 1 ha maïs d’ensilage | = 7800-10000 m3 Biogaz = 16 -18 MWhel. |
| 1 têtes de bétail | = 20m3/an Lisier = 650 m3/y Biogaz = 0.15 kWel |
| Source des données: Fachverband Biogas E.V. | |
Développement régional
Le développement de l’exploitation du biogaz est très variable en Europe (Figure D). L’Allemagne représente avec près de 50% du biogaz produit en Europe, le plus grand producteur. Au Luxembourg, la production se chiffrait en 2013 à 15,2 kt d’équivalents de pétrole ; ce qui représente une augmentation d’un facteur 8 par rapport à l’année 2002.
Figure D: Evolution de la production de biogaz en Europe (exprimée en équivalent de pétrole)
Source: Adapté de la base de données Eurostat
