Illustration couverture : photo de digesteurs ovoïdes à Dinslaken (RSB Roundtech).

1 - Introduction

La matière organique comme source d'énergie

Entre dans la catégorie des bioconversions l'utilisation comme source d'énergie des végétaux ou de leurs sous produits, considérés comme des déchets après une ultime utilisation par l'homme et l'animal.

Le biométhane issu de la fermentation n'est qu'une des possibilités de récupérer de l'énergie parmi de nombreuses autres, parfois plus efficaces et plus adaptés, nous les décrirons ci-après.

Histoire du biométhane

Le biométhane, gaz issu de la décomposition, a été découvert par Shirley en 1667; il est alors connu sous le nom de gaz des marais, en raison de sa présence en abondance dans le fond des eaux stagnantes.
En 1884, Ulysse Gayon, élève de Louis Pasteur présente ses travaux sur la fermentation, et conclut déjà, que le gaz issu de la fermentation serait une source utilisable d'énergie pour le chauffage et l'éclairage.
Ce n'est que dans la première moitié du XX^ième siècle que sont mises au point différentes techniques de fermentations. L'influence sur les fermentations des composants de la matière organique, de la faune microbienne, de la température ... sont étudiées .
Dans les années 1950 à 1960, les stations d'épurations ont permis de grandes avancées dans la recherche sur la méthanisation.

2 - Les différentes bioconversions

Figure 1 : un distillateur

c - La Pyrolyse :

La pyrolyse du bois est utilisée depuis longtemps par les charbonniers pour la fabrication du charbon de bois. Le fonctionnement général est une incinération à haute température dans un milieu très pauvre en dioxygène (figure 2 ). On obtient alors un gaz de qualité stable, parfaitement combustible.
Ce type de procédé permet aussi la pyrolyse de déchets ménagers et industriels, les déchets sont transformés physiquement en d'autres produits, exactement comme le bois dans les meules des charbonniers. On peut classer la technique de pyrolyse en deux catégories, d'après la température de combustion : à moins de 1000 °C, c'est la méthode d'extraction de gaz, et à plus de 1000°C, on parle d'hydrogénation ou encore de pyrofusion.

d - Les plantes à hydrocarbures :

Le latex, sève des euphorbiacées, est susceptible de donner des hydrocarbures. On connaît l'hévéa qui sert à fabriquer le caoutchouc naturel grâce à ses hydrocarbures.

e - La chimiurgie :

Le terme de chimiurgie regroupe toutes les opérations chimiques qui transforment la biomasse en énergie directement utilisable (solvants, combustibles volatiles …) Par des procédés chimiques complexes, on parvient à synthétiser des bases chimiques qui entrent dans la fabrication de résines plastiques.

3 - La fermentation méthanique : un processus biologique

La fermentation anaérobie  est l'un des processus qui contribue à la dégradation des matières organiques mortes en éléments simples gazeux et minéraux. L'un des processus anaérobie, celui qui nous intéresse, est la fermentation qui aboutit à la formation de " biogaz ", un gaz combustible. La fermentation est le résultat de l'activité microbienne complexe qui se déroule en deux étapes essentiellement :
- l'hydrolyse par laquelle les macromolécules sont décomposées en produits plus simples, il s'agit d'une liquéfaction ou d'une gazéification avec transformation des molécules en acides gras, en sels ou même en gaz.
- la deuxième étant la transformation de ses acides, sels ou gaz en méthane et autres gaz.
On l'a dit précédemment, la fermentation est essentiellement le résultat de l'activité des bactéries méthanogènes. Celles-ci sont très répandues dans les sédiments naturels, les champs d'épandage, le rumen du bétail, les eaux usées.Elles sont caractérisées par une croissance très lente, une vie en anaérobiose stricte. Ces bactéries synthétisent du méthane à l'aide d'un processus enzymatique complexe.
Elles sont regroupées sous le genre des Méthanobacterium, parmi elles, la Conidie Mobile , les Methanobacillus, les Methanococcus, et les Methanosarcina (Photo figure 3).

Figure 2 : cheminée de pyrolyse

Figure 3 : bactéries du genre Méthobactérium

Domestication de la fermentation 

Les bactéries se trouvent donc partout dans la nature (sol, jardin, boue, excréments, mares, égouts, appareil digestif …). On les retrouvera dans l'enceinte fermée ou se déroule la méthanisation, le digesteur, pour peu qu'on ensemence un tout petit peu celui-ci. D'autre part des études ont montré que les populations de bactéries sont très interdépendantes, certaines éliminent le dioxygène, toxique pour celles-ci, d'autres fournissent de la nourriture de base pour la production de méthane. Le résultat est qu'à l'intérieur du digesteur, une population équilibrée se construit à partir d'une relation d'interdépendance, appelée symbiose, entre deux types de bactéries.
Les conditions indispensables à la synthèse de méthane sont :
-un milieu anaérobie : Seule la décomposition à l'abri de l'air conduit à la formation de méthane.
-une température permettant l'activité microbienne dépendant  étroitement de la température; vers 10°C, cette activité est pratiquement nulle, au dessus de 65°C les enzymes sont détruites.

L'activité biologique est visible par la production de gaz. Elle est illustrée par les graphiques ci-contre (figure 4 et 5 ). On s'aperçoit qu'il existe deux pics de production optimum, l'un en phase dite mésophile et l'autre en phase  dite thermophile. Entre 10°C et 20°C on parle de psychrophilie. L'activité microbienne étant plus intense à certaines températures, on comprend que pour une même quantité à digérer, la durée de digestion sera d'autant plus courte que la fermentation sera intense.
Le biogaz est un mélange de méthane et de dioxyde de carbone. Les proportions relatives de ces gaz dépendent de la nature du substrat fermenté (voir composition moyenne du biogaz : tableaux en annexe).

4 - Les différentes techniques de méthanisation

(gouttelettes) au moyen d'un séparateur. Il est ensuite comprimé, déshydraté, analysé, pour s'assurer qu'il soit un carburant convenable (mesure de la teneur en méthane, en dioxyde de carbone, en oxygène, en azote, en hydrogène sulfuré, mesure de son point de rosée).
Enfin il peut-être est acheminé directement vers une centrale électrique, ou une chaudière (cf. partie valorisation).

L'environnement profite du captage et de l'utilisation des gaz d'enfouissement. Sur les sites d'enfouissement où le gaz n'est pas recueillit, on note des effets néfastes sur la végétation des terrains à proximité. Le gaz en s'accumulant dans le sol repousse l'oxygène dont les racines des plantes ont besoin. Par ailleurs, le méthane représente environ 60% du gaz extrait; or, il participe à l'effet de serre à un niveau 21 fois plus grand que celui du CO₂. Le captage et la consommation de celui-ci réduisent donc les rejets de ce gaz dans l'atmosphère en le transformant en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau. Cette consommation a alors des effets favorables sur la Terre.
Enfin le fait d'utiliser ces gaz pour la production d'électricité ou de chaleur permet de réduire la consommation d'autres types de sources d'énergies non renouvelables. On aura dégagé ici les avantages importants en terme environnemental qui peuvent découler de l'utilisation du gaz d'enfouissement.

b - Digestion en continu, un moyen d'épuration :  Gaz de STEP

Le système continu est issu de fosses septiques qui ont été développées au XIXième siècle. La caractéristique principale du système continu est sa ressemblance avec un tube digestif. Tout comme lui, il cultive les bactéries, a besoin d'une certaine température pour être efficace et reçoit une alimentation régulièrement. Le système est constitué d'un réacteur (ou se déroule la réaction), et d'une cloche gazométrique ou d'un réservoir de stockage (où est stocké le gaz  si son utilisation n'est pas directe) (photo figure 8).
Le système continu permet de traiter les boues de stations d'épurations (STEP). En effet les STEP, souvent gérées par les collectivités, comprennent souvent des installations de grandes tailles : elles traitent les effluents produits par des centaines de milliers, voir parfois par des millions d'habitants (station d'Achères, banlieue parisienne) qui rejettent entre 120 et 200 litres d'eaux grises par jours.
On dénombre deux types d'eaux usées :
-  les eaux dites ménagères,
- les eaux de ruissellement (lavage de rue) et de drainage (terres agricoles, parcs, golf …).
Dans un premier temps, on réalise un pré-traitement, qui permet de dégraisser les eaux et séparer le plus gros des matières en suspensions. Les boues récupérées sont traitées en aérobiose, de manière à les activer. Elles subissent en suite un traitement anaérobie, dans un digesteur (photo figure 9 ) où la matière organique se décompose en quelques jours. Une bonne stabilisation et un bon procédé de fermentation des boues fournissent d'un côté un amendement organique valorisable en agriculture et de l'autre du biogaz riche en méthane (le plus souvent 60%, et jusqu'à 80%).

c - La digestion en discontinu, et le traitement des fumiers agricoles :

L'origine des digesteurs en discontinu est mal connue. Depuis très longtemps (en Chine notamment) les émanations naturelles de gaz étaient utilisés. D'ailleurs le processus d'un marais est comparable à un digesteur discontinu. Tous l'intérêt ici sera de s'attacher aux digesteurs artificiels.
A la différence de la digestion continue, la production dans ce système ne peut être régulière, elle commence après le chargement et la fermeture de la cuve, et s'arrête ou est arrêtée lorsque la production baisse jusqu'à devenir nulle.
Les installations de biogaz de type agricole ont pour but de valoriser le potentiel énergétique du fumier et du lisier. La méthanisation supplémentaire de déchets verts provenant de l'extérieur de l'exploitation (des communes, des restaurants, ou des établissement horticoles), permet d'optimiser les rendements de l'installation (figure 9).