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Selon l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA), quatre composés de gaz à effet de serre sont le plus souvent impliqués dans le phénomène de réchauffement climatique : le dioxyde de carbone (CO₂), l'oxyde nitreux (N₂O), les gaz fluorés et le méthane (CH₄). Le méthane est émis dans l'atmosphère lors de l'extraction et du traitement du charbon, du gaz naturel et du pétrole. Les flatulences du bétail sont une autre source observable d'émission de méthane. Parmi ces gaz, le méthane contribuerait à hauteur de 10 % à la présence globale de gaz à effet de serre atmosphériques. Moins souvent noté, le méthane n'est pas strictement un sous-produit de la production d'énergie, c'est aussi une source croissante de production d'électricité.
Les matières organiques peuvent se décomposer en présence ou en l'absence d'oxygène. Qu'il s'agisse d'arbres morts, de feuilles tombées, de carcasses d'animaux, de déchets alimentaires, de fientes d'oiseaux ou d'herbe coupée, toutes ces substances se désintègrent chimiquement d'une manière ou d'une autre. En l'absence d'oxygène, les bactéries commencent à les décomposer par phases de sorte que le méthane est un produit final. Cette séquence de réactions est appelée digestion anaérobie. Se produisant toujours dans le monde naturel, la digestion anaérobie peut être perfectionnée et accélérée en y appliquant l'ingéniosité humaine. Des réservoirs scellés qui reçoivent le substrat, c'est-à-dire la matière organique, peuvent effectuer la digestion anaérobie, la menant à sa conclusion souhaitée — la production de méthane renouvelable — en moins de temps que cela ne se produirait dans la nature. Ces systèmes sont construits pour être modulables, allant d'un appareil domestique qui fournit du combustible de cuisson à une grande usine de biométhane qui fournit de l'énergie aux installations de traitement de l'eau ou aux systèmes de transport public.
Le biogaz résultant de la digestion anaérobie contient plus que du simple CH₄. En conséquence, le biogaz doit être purifié, débarrassé de ses impuretés et de ses composés contaminants. Parmi ces adultérants figurent le sulfure d'hydrogène, l'ammoniac, les siloxanes et les composés organiques volatils. Certains d'entre eux sont dangereux pour la santé individuelle et publique ainsi que pour l'intégrité structurelle des pipelines et des réservoirs. D'autres composants non CH₄, comme le CO₂ et la vapeur d'eau, réduisent l'efficacité du biogaz comme source d'énergie. Le biogaz est purifié par une myriade de techniques. Certaines nécessitent que les contaminants soient absorbés dans des solutions liquides. D'autres méthodes d'épuration de gaz méthane utilisent des surfaces solides de charbon actif et d'autres éléments pour adsorber les constituants indésirables du biogaz. La réfrigération et la condensation permettent aux différents composants chimiques de se séparer les uns des autres. La technologie membranaire fonctionne de manière similaire, laissant les contaminants traverser la membrane tandis que le méthane est retenu.
Une des utilisations finales de ce biogaz raffiné est sa conversion en électricité. Cela peut être réalisé avec des piles à combustible, qui exploitent l'énergie chimique du biogaz en le recevant dans leur électrode négative tandis que l'air entre dans l'électrode positive de la pile. Les molécules de gaz sont séparées en protons et en électrons ; ces derniers s'écoulent vers l'électrode positive et c'est là que l'électricité est générée. Un autre moyen de production est le moteur à combustion : ici, la combustion du biogaz alimente une turbine qui génère de l'électricité. Le biométhane est un gaz naturel renouvelable qui — avec le gaz naturel acquis de manière conventionnelle — produit 26 % de l'électricité américaine.
Le biométhane (du biogaz au méthane) peut également être utilisé comme combustible de chauffage, de cuisson et de carburant pour véhicules. Selon l'Association Européenne du Biogaz, le biométhane est entièrement compatible avec les moteurs à combustion interne. Le biométhane peut être condensé en gaz naturel comprimé ou liquéfié. Utilisé par les automobiles, les véhicules utilitaires et les camions lourds, le biométhane est même envisagé pour les bateaux, les navires et les locomotives ferroviaires. Le biogaz purifié est un substitut approprié au gaz naturel pour le chauffage des maisons et des bâtiments commerciaux. Le chauffage communautaire au biométhane est une réalité établie dans des lieux comme Suderbyn, en Suède. Chaque maison n'a donc pas besoin de posséder sa propre usine de biogaz.
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