Déchets – Énergie – Eau – Biogaz

quels gaz ? quelle est la composition de ces gaz ?

De nombreux gaz sont associés à la digestion anaérobie (DA) ou en sont issus — un processus par lequel des micro-organismes bactériens dégradent métaboliquement la matière organique en l’absence d’oxygène. Certains gaz sont également produits lors de la combustion de ces produits.

Le gaz des décharges (LFG) est issu de la dégradation des matières fermentescibles des déchets ménagers et assimilés (DMA), composés notamment des déchets alimentaires, de papier/carton, de textiles et de bois. Certains se dégradent en quelques mois, d’autres en plusieurs années. Le gaz d’enfouissement est constitué d’environ 50 % de méthane et 50 % de CO₂, sauf si le vide appliqué est trop important et entraîne l’aspiration d’air (N₂ et O₂). Le gaz des décharges est similaire au biogaz, mais avec plus d’impureté .

Le biogaz est le produit d’un réacteur de digestion anaérobie, une installation dans laquelle on contrôle l’alimentation (par exemple fumier et lisier de vache), la température, ainsi que des paramètres comme le pH ou l’ammoniac, en ajoutant des oligo-éléments, des enzymes, etc. Selon le substrat utilisé, la teneur en méthane varie entre 50 % et 75 %.

Le gaz de station d’épuration (gaz d’égout) est un biogaz issu d’un digesteur dans le cadre du traitement des boues de Station d’épuration (STEP) ; il s’agit essentiellement d’un sous-produit du traitement des eaux usées domestiques. La teneur en méthane est généralement supérieure à 60 %.

gaz naturel renouvelable – GNR.

Le gaz naturel renouvelable repose sur deux principes fondamentaux :

• Un cycle court du carbone : Lorsque ces gaz d’origine biogénique sont brûlés, ils émettent du dioxyde de carbone (CO₂). Toutefois, ce CO₂ provient du carbone récemment capté dans l’atmosphère par les plantes via la photosynthèse (herbe, maïs, cultures alimentaires, etc.). Autrement dit, il s’inscrit dans un cycle naturel de court terme et n’ajoute pas de carbone fossile supplémentaire stocké depuis des millions d’années dans le sous-sol.
• Un double bénéfice pour le climat : La valorisation du gaz des décharges — ou même de la mise en décharge des déchets organiques avec un système d’extraction du gaz — présente un double avantage climatique. Elle permet d’abord d’éviter l’émission de méthane, un gaz à effet de serre au Pouvoir de Réchauffement Global (PRG) très élevé. Elle contribue ensuite à remplacer des combustibles fossiles comme le charbon ou le gaz naturel, réduisant ainsi les émissions nettes de CO₂.

Par ailleurs, différents gaz secondaires sont présents et impliquent des contraintes techniques spécifiques que nous maîtrisons son atténuation chez generizon.

Le sulfure d’hydrogène (H₂S) est systématiquement généré lors des processus de digestion anaérobie, avec des concentrations généralement plus élevées dans les gaz issus des STEP. Le gaz des décharges contient quant à lui davantage de Composés Organiques Volatils (COV) et de siloxanes. Le protoxyde d’azote (N₂O) est principalement émis lors du traitement biologique des eaux usées. Enfin, les oxydes d’azote (NOx) et le dioxyde de soufre (SO₂) sont des sous-produits liés aux procédés de combustion.

méthane – CH₄.

Le méthane (CH₄) est classé parmi les polluants climatiques de courte durée de vie (Short Lived Climate Pollutant – SLCP). Il constitue aujourd’hui le deuxième gaz à effet de serre le plus présent dans l’atmosphère après le dioxyde de carbone (CO₂). Depuis la révolution industrielle, sa concentration a plus que doublé, principalement sous l’effet des activités anthropiques. Les principales sources d’émissions sont l’exploitation du charbon, du pétrole et du gaz (notamment à cause des fuites lors de l’extraction et du transport), l’élevage via la fermentation entérique, les décharges ainsi que les stations d’épuration des eaux usées (STEP).

Contrairement au CO₂, qui peut persister dans l’atmosphère pendant plusieurs siècles (entre 300 et 1 000 ans), le méthane a une durée de vie atmosphérique beaucoup plus courte, avec une demi-vie d’environ 12 ans. Toutefois, sa capacité de réchauffement est nettement plus élevée. Sur une période de 20 ans, son pouvoir de réchauffement global est environ 86 fois supérieur à celui du CO₂ ; même sur un horizon de 100 ans, il reste 27 à 30 fois plus impactant. Cela en fait un levier stratégique majeur pour l’action climatique, car réduire les émissions de méthane permet d’obtenir des bénéfices relativement rapides sur le ralentissement du réchauffement à court terme.

D’un point de vue énergétique, le méthane est l’une des formes de carbone les plus riches en énergie. Il peut être converti efficacement en chaleur, en électricité ou en carburants avec un apport énergétique relativement faible. À l’inverse, le CO₂ représente une forme très stable et pauvre en énergie du carbone, dont la transformation en produits valorisables nécessite un apport énergétique important.

Le gaz des décharges, composé d’environ 50 % de méthane, illustre parfaitement ce potentiel : il permet de transformer un puissant GES en source d’énergie utile. Chez generizon, nous considérons le méthane non seulement comme un enjeu environnemental, mais également comme une ressource à valoriser.

Il convient néanmoins de rappeler que le méthane est un gaz inflammable et explosif lorsqu’il est présent dans l’air à des concentrations comprises entre 5 % (limite inférieure d’explosivité – LIE) et 15 % (limite supérieure d’explosivité – LSE). Plus léger que l’air, il est incolore, inodore et non toxique, ce qui rend sa détection impossible sans capteurs spécifiques. Bien qu’il ne soit pas directement toxique pour l’être humain, son impact sur le climat est significatif.

Notre objectif est donc clair : capter ce gaz à fort impact climatique et le transformer en une solution énergétique durable et respectueuse du climat.

dioxyde de carbone – CO₂.

Le dioxyde de carbone (CO₂) est le principal gaz à effet de serre d’origine anthropique et l’un des moteurs majeurs du changement climatique. Il est émis principalement par la combustion des énergies fossiles, les procédés industriels, la production d’électricité et de chaleur, le transport, ainsi que par le secteur d’Utilisation des Terres, Changement d’Affectation des Terres et Foresterie (UTCATF). En raison de sa longue durée de vie dans l’atmosphère, le CO₂ s’y accumule progressivement, renforçant l’effet de serre et contribuant au réchauffement global ainsi qu’aux déséquilibres climatiques.

Dans le secteur des déchets, le CO₂ provient notamment de la dégradation biologique des matières organiques, des émissions de gaz de décharge, de l’incinération des déchets, ainsi que de la combustion du gaz de décharge (méthane), des carburants et de l’énergie nécessaires aux opérations de collecte, de transport et de traitement.

Le CO₂ issu de la biodégradation des déchets organiques et de la combustion du méthane de décharge est qualifié de CO₂ biogénique. Cela signifie qu’il provient d’un carbone récemment capté dans l’atmosphère par la biomasse, et qu’il s’inscrit dans le cycle court du carbone. À ce titre, il est généralement considéré comme climatiquement neutre, contrairement au CO₂ d’origine fossile provenant de la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel.

D’un point de vue thermodynamique, le méthane (CH₄) est une forme réduite du carbone à fort contenu énergétique. Son oxydation libère une quantité importante d’énergie, ce qui en fait un combustible efficace pour la production de chaleur, d’électricité ou de carburants.

À l’inverse, le dioxyde de carbone (CO₂) correspond à la forme la plus oxydée et la plus stable du carbone. Il se situe à un niveau énergétique bas et ne peut pas libérer d’énergie supplémentaire par oxydation. Sa transformation en composés énergétiques nécessite donc un apport externe d’énergie.

Cette différence fondamentale explique pourquoi le CH₄ est un vecteur énergétique valorisable, tandis que le CO₂ représente une molécule stable dont la conversion implique des procédés énergivores.

D’autre part, le CO₂ n’est pas considéré comme toxique aux concentrations atmosphériques normales. La concentration actuelle est d’environ 430 ppm (0,043 %), soit près du double du niveau préindustriel (~280 ppm), mais reste très inférieure aux seuils associés à des effets directs sur la santé humaine. Le CO₂ devient problématique essentiellement à des concentrations élevées, notamment en milieux confinés ou industriels. Par exemple, une exposition à des niveaux compris entre 2 000 et 5 000 ppm peut déjà provoquer une légère altération des capacités cognitives, des sensations d’inconfort ou des vertiges.

Ainsi, bien que le CO₂ soit un GES majeur avec un impact climatique significatif, il n’est pas intrinsèquement toxique aux concentrations ambiantes ; les risques pour la santé apparaissent principalement en cas d’accumulation dans des espaces mal ventilés ou des environnements industriels.

monoxyde de carbone – CO.

Le monoxyde de carbone (CO) est le principal sous-produit d’une combustion incomplète, dite en mélange riche (sub-stœchiométrique), lorsque l’apport en oxygène est insuffisant pour permettre l’oxydation complète du combustible en CO₂.

Avec une masse molaire proche de celle de l’air, le CO se disperse facilement dans l’atmosphère. Gaz incolore et inodore, il constitue un poison chimique particulièrement dangereux car il est indétectable sans instrumentation spécifique et interfère avec le transport de l’oxygène dans le sang.

Dans le contexte des décharges, la présence de CO dans un puits d’extraction de gaz des décharges est un indicateur critique d’un phénomène d’oxydation interne ou d’un début de combustion souterraine.

Bien que le CO ne soit pas un GES direct, il demeure un intermédiaire combustible issu d’une oxydation partielle : le carbone qu’il contient n’a pas atteint son état d’oxydation le plus stable (CO₂) et peut encore réagir avec l’oxygène pour libérer de l’énergie supplémentaire.

azote – N₂.

L’azote (N₂) est le composant le plus abondant de l’atmosphère terrestre : l’air sec contient environ 78 % d’azote et 21 % d’oxygène, soit un rapport N₂/O₂ d’environ 3,76 pour 1. Dans les déchets organiques, l’azote se retrouve sous forme de protéines, d’ammoniac et d’autres composés azotés. Dans le secteur des déchets, il joue un rôle essentiel dans les processus biologiques comme le compostage et la digestion anaérobie, en soutenant la croissance microbienne et le cycle des nutriments.

Dans un système d’extraction de gaz des décharges, la présence d’azote sert d’indicateur d’un puits mal réglé : un vide excessif peut compromettre l’intégrité anaérobie de la décharge. Si le flux du gaz d’enfouissement contient du N₂ alors qu’aucun O₂, cela signifie un problème biologique ou thermique dans le bioréacteur (la décharge contrôlée) : l’oxygène a été consommé par des bactéries aérobies, pouvant provoquer une réaction thermique dangereuse souterraine (incendie interne). Seul l’azote, gaz inerte et sans utilité énergétique, apparaît alors dans le flux de LFG.

Le contrôle précis de la pression de vide appliquée sur tous les puits est donc crucial pour maintenir le bon fonctionnement du système et éviter ces risques.

protoxyde d’azote – N₂O.

Une mauvaise gestion de l’azote dans les déchets peut entraîner des émissions de protoxyde d’azote (N₂O), un puissant gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement global (PRG) est près de 300 fois supérieur à celui du CO₂ sur une période de 100 ans.

L’azote récupéré à partir des déchets organiques constitue un nutriment essentiel pour les fertilisants, indispensable à la croissance des plantes et à la fertilité des sols. Une gestion adéquate de l’azote dans le traitement des déchets permet de produire du compost ou du digestat riches en nutriments, favorisant ainsi une agriculture durable et une économie circulaire.

oxydes d’azote NOx – NO et dioxyde d’azote – NO₂. 

Les oxydes d’azote (NOx) sont des produits de combustion qui contribuent au smog local et aux pluies acides. Lors de la combustion du méthane, que ce soit dans une torchère ou un moteur à combustion interne (ICE), les températures élevées (supérieures à 1 300 °C) provoquent la réaction entre l’azote et l’oxygène présents dans l’air.

Les NOx sont classés parmi les polluants climatiques de courte durée de vie (SLCP), mais ne sont pas considérés comme des gaz à effet de serre (GES).

sulfure d’hydrogène – H₂S.

Le sulfure d’hydrogène (H₂S) est le principal gaz problématique parmi les gaz traces produits par des bactéries spécialisées appelées bactéries réductrices de sulfate. Il est extrêmement corrosif et toxique.

• Seuil olfactif : 0,0005 – 0,01 ppm (0,5 – 10 ppb) – odeur d’œuf pourri.
• Limite de sécurité : 10 – 20 ppm – niveau nécessitant le port d’un appareil respiratoire ou l’évacuation de la zone.
• Fatigue olfactive : 100 – 150 ppm – dangereux ; le nez cesse de détecter le gaz même à des niveaux létaux.
• Perte de conscience : 500 – 700 ppm après 30 à 60 minutes d’exposition.
• Perte de conscience immédiate : 700 – 1 000 ppm, entraînant la mort en quelques minutes.
• Mort quasi instantanée : >1 000 ppm, due à une paralysie respiratoire immédiate.

Dans l’air libre d’une décharge, H₂S est une nuisance. Dans un tuyau ou une fosse confinée, il devient mortel.

Pour les moteurs et équipements, H₂S est également un gaz très corrosif, capable d’endommager les pistons, les chemises de cylindres, les échangeurs de chaleur des gaz d’échappement, et d’augmenter fortement la maintenance.

Chez generizon, nous fournissons :

• Des équipements pour mesurer le H₂S dans les flux de gaz.
• Des systèmes de désulfuration pour protéger les installations et valoriser le biogaz.

dioxyde de soufre – SO₂.

Lorsque H₂S est brûlé, il se transforme en dioxyde de soufre (SO₂), principal responsable des pluies acides. Les pluies acides sont un poison pour les écosystèmes aquatiques et forestiers.

Ce sont le SO₂ et les condensats présents dans le système d’échappement (pluies acides) qui endommagent l’échangeur de chaleur des gaz d’échappement. 

composés organiques non méthaniques (COVNM).

Les Composés Organiques Volatils Non Méthaniques (COVNM) sont des Composés Organiques Volatils (COV) émis lors de la décomposition des déchets organiques dans les décharges. Bien qu’ils soient moins abondants (≈1 % dans le gaz des décharges) que le méthane, les COVNM contribuent à la pollution atmosphérique toxique (odeurs) et peuvent former de l’ozone troposphérique (O₃), affectant la santé humaine et l’environnement.

L’ozone est à la fois un polluant climatique de courte durée de vie (SLCP) et un gaz à effet de serre (GES), mais il n’apparaît pas dans les inventaires nationaux car il n’est pas directement émis : il se forme de manière indirecte à partir des COV, des NOx et du CH₄ par des réactions chimiques dans l’atmosphère.

siloxanes.

Les composés à base de silicium se trouvent dans des produits de consommation courante tels que les shampoings, les déodorants, les cosmétiques, etc., et sont largement présents dans les Déchets Ménagers et Assimilés (DMA) mis en décharge. Le siloxane est tout aussi dommageable pour les moteurs, les turbocompresseurs, les bougies, les soupapes, les pistons, les chemises de cylindres, etc. Lorsqu’il est brûlé, le siloxane s’oxyde et se transforme en dioxyde de silicium (SiO₂), qui correspond essentiellement à du sable ou du verre de quartz.

Chez generizon, nous fournissons des équipements permettant de neutraliser le siloxane dans le flux de biogaz ou de gaz de décharge.

ammoniac – NH₃ – ammonium – NH₄⁺.

Alors que le carbone quitte la décharge sous forme de gaz, principalement sous forme de méthane et de CO₂, l’azote reste piégé dans le cycle de l’eau et du lixiviat pendant 50 à 100 ans.

L’azote ammoniacal présent dans le lixiviat se trouve dans un équilibre dépendant du pH entre l’ion ammonium non toxique (NH₄⁺, un sel) et le gaz ammoniac dissous toxique (NH₃). L’ammoniac en solution (dilué) est un neurotoxique, mortel pour les poissons. L’ammoniac anhydre (sans eau) est encore plus dangereux.

Cependant, l’ammoniac anhydre peut également être utilisé comme combustible sans carbone et comme transporteur d’hydrogène, offrant ainsi un potentiel énergétique, mais sous des conditions contrôlées pour éviter tout risque.

hydrogène – H₂.

L’hydrogène, et en particulier l’hydrogène vert, a pris une importance croissante ces dernières années et est abordé ici.

Dans le contexte du biogaz, lors d’une digestion anaérobie standard, l’H₂ est un intermédiaire transitoire, rapidement consommé par les méthanogènes pour produire du méthane. Tenter de récolter directement l’hydrogène implique de bloquer le processus méthanogène, généralement par un choc thermique ou une inhibition du pH, afin d’arrêter la fermentation avant la production de méthane.

Cependant, cette approche est énergétiquement contre-productive : la fermentation sombre seule ne permet pas une dégradation complète de la matière organique, ce qui entraîne une récupération d’énergie nettement inférieure à celle obtenue par la conversion complète en méthane à haute enthalpie. A full breakdown of organic matter could still occur in a subsequent methanogenesis reactor step Two-Stage Anaerobic Digestion (TSAD).

Dark fermentation is a path for green hydrogen production from wet organic matter, the other is gasification of dry biomass and producing syngas (CO, H₂ and CO₂, where H₂ can be pushed by injecting steam). Both have advantages and may be more economically robust than hydrogen electrolysis but are limited by biomass availability. Une décomposition complète de la matière organique pourrait encore se produire lors d’une étape ultérieure de méthanogenèse par digestion anaérobie en deux étapes (two-stage AD, TSAD).

La fermentation anaérobie est une voie de production d’hydrogène vert à partir de matière organique humide. L’autre consiste en la gazéification de la biomasse sèche et la production de gaz de synthèse (CO, H₂ et CO₂, où la production de H₂ peut être augmentée par injection de vapeur d’eau). Ces deux procédés présentent des avantages et peuvent s’avérer plus rentables que l’électrolyse de l’hydrogène, mais leur applicabilité est limitée par la disponibilité de la biomasse.