Le gaz de décharge, un sous-produit du stockage des déchets

La valorisation du gaz de décharge sous forme de biométhane (également appelé “gaz naturel renouvelable”) représente un défi technique et économique :  le débit et la composition du gaz sont en effet imprévisibles et varient constamment. Une bonne connaissance des caractéristiques de ce gaz est indispensable à la réussite d’un projet d’injection.

Un mélange de trois gaz en proportions variables

Le gaz de décharge est formé par le mélange de trois gaz en proportions variables : le biogaz généré par la fermentation des matières organiques contenues dans les déchets, l’air qui pénètre dans le réseau de collecte, et différents composés organiques volatils produits par les déchets.

Le biogaz produit spontanément par la fermentation des matières organiques

Déchets alimentaires, végétaux, papier, carton, cuir, bois… Les déchets enfouis contiennent une part importante de matières organiques résiduelles. Celle-ci représente environ la moitié du tonnage et tombe autour de 25 % lorsqu’un tri est effectué en amont.

À l’intérieur des casiers, ces matières organiques se dégradent sous l’action de différents micro-organismes, qui prolifèrent dans les environnements humides et privés d’oxygène. Les plus actifs sont les bactéries dites « méthanogènes », dont la respiration anaérobie produit du méthane (CH4).

Ce phénomène spontané produit un biogaz principalement constitué de méthane et de dioxyde de carbone (CO2). Il contient également des traces d’hydrogène sulfuré (H2S), d’ammoniaque (NH4), d’hydrogène (H2), des composés organiques soufrés (appelés « mercaptans ») et différents acides à l’état gazeux ou sous forme d’aérosol.

La composition de ce biogaz varie fortement dans le temps, selon l’avancée du processus de dégradation des matières organiques.

Evolution de la composition du gaz de décharge au cours de son exploitation

L’air qui pénètre dans le réseau de collecte

 Le méthane est un gaz hautement inflammable. C’est aussi un puissant gaz à effet de serre, dont le pouvoir de réchauffement est bien supérieur à celui du dioxyde de carbone. Les opérateurs de site d’enfouissement doivent le capter pour prévenir incendies et explosions, mais aussi pour éviter son émission dans l’atmosphère. C’est aussi un moyen de réduire les nuisances olfactives et de faciliter la revégétalisation du site.

Le captage du biogaz s’effectue au moyen d’un dispositif d’aspiration (surpresseur) relié d’un côté à un réseau de canalisations dont les ramifications plongent au cœur des massifs de déchets, et de l’autre à une torchère ou une unité de valorisation. Ces réseaux n’étant jamais parfaitement étanches, ils aspirent également de l’air (oxygène et azote). La quantité d’air présente dans le gaz de décharge dépend de différents paramètres tels que le réglage du surpresseur, la perméabilité des parois, et l’étanchéité des canalisations.

Les composés organiques volatils (COVs)

Le réseau de collecte aspire également des composés volatils produits par les déchets : peintures, solvants, lessives, etc. Parmi ceux-ci figurent notamment des hydrocarbures, des siloxanes, des aérosols, des poussières, des particules et des métaux sous forme volatile. Ces différents composés, présents à l’état de traces, sont regroupés sous l’appellation de « composés organiques volatils » (COVs).

La composition chimique du gaz de décharge

Le gaz qui parvient à la torchère ou à l’unité de valorisation est un mélange de biogaz, d’air et de composés organiques volatiles. Il est constitué de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2), d’oxygène (O2) et d’azote (N2), auxquels s’ajoutent différents composés à l’état de traces. La proportion de chacun de ces gaz varie d’un site à l’autre : elle dépend de la nature des déchets stockés, de l’avancée du processus de fermentation, mais aussi de facteurs externes.

Le réglage du surpresseur influe directement sur la quantité d’air. Plus l’aspiration est forte et plus l’air parvient à s’insinuer au travers des imperfections du réseau de collecte. Les conditions météorologiques jouent également un rôle : un taux d’humidité et une température élevés stimulent l’activité des bactéries et la production du biogaz. Les variations de pression atmosphérique ont également une incidence directe sur le taux d’oxygène présent dans le gaz de décharge.

 

Données collectées sur la WAGABOX® du site Suez de Gueltas (Morbihan)

• Le méthane (CH4)

Le gaz de décharge contient en moyenne 40 à 50 % de méthane (CH4). Le méthane est un gaz énergétique : c’est le principal composant du gaz naturel fossile que nous consommons pour le chauffage et le transport.

La solution courante pour valoriser le méthane contenu dans le gaz de décharge consiste à le brûler dans une turbine pour produire de l’électricité. La technologie WAGABOX® permet désormais de le séparer les autres composants pour l’injecter directement dans les réseaux de gaz, en substitution du gaz naturel fossile.

• L’oxygène et l’azote (O2 et N2

L’air représente 10 à 30 % de la composition du gaz de décharge. Sa présence complique fortement la récupération du méthane : les technologies de filtration sont inopérantes car les molécules de méthane, d’oxygène et d’azote sont de taille similaire. De plus, le mélange peut devenir explosif dans certaines proportions.

La technologie WAGABOX® fait appel à la cryogénie pour séparer le méthane des gaz de l’air. Cette technologie garantit la production d’un biométhane (gaz naturel renouvelable) suffisamment pur pour être injecté dans les réseaux de gaz, quelle que soit la proportion d’oxygène et d’azote dans le gaz de décharge.

• Le dioxyde de carbone (CO2)

Les molécules de carbone présentes dans le gaz de décharge sous forme de dioxyde de carbone (CO2) ou de méthane (CH4), proviennent de la dégradation des matières organiques. Elles ont été absorbées par les organismes vivants au cours de leur croissance (par la photosynthèse) et sont ensuite restituées à l’atmosphère. Ce carbone organique n’augmente donc pas la quantité de carbone présent dans l’atmosphère (cycle court du carbone), contrairement à celui qui est émis par la combustion des ressources fossiles.

Le carbone non biodégradable, contenu dans les matières organiques synthétiques comme le plastique, reste quant à lui stocké sous terre. Un site de stockage des déchets s’apparente ainsi à un « puits de carbone », c’est-à-dire à un réservoir contribuant à diminuer la quantité de carbone dans l’atmosphère.

• L’hydrogène sulfuré (H2S)

L’hydrogène sulfuré (H2S) est un gaz hautement toxique et corrosif, caractérisé par une forte odeur « d’œuf pourri ». Il attaque notamment l’acier et le cuivre. Il doit être éliminé en amont du processus de valorisation pour éviter d’endommager les équipements.

La concentration du gaz de décharge en hydrogène sulfuré et autres composés soufrés (mercaptans) tend à augmenter avec le stockage de déchets industriels fortement chargés en soufre, notamment les plaques de plâtre utilisées dans le bâtiment. Sur certains sites, elle peut atteindre ponctuellement 10 000 ppm (mesures Waga Energy).

Les composés soufrés constituent un facteur de risque pour le personnel, une source de nuisance olfactive pour les riverains, et un coût à prendre en compte dans la réalisation d’un projet de valorisation.

Composition du biogaz de décharges sur cinquante décharges analysées en Europe et Amérique du Nord

Une production variable dans la durée

La production de gaz d’un site de stockage s’étend sur plusieurs décennies. Elle augmente régulièrement pendant la phase d’exploitation du site pour culminer quelques mois après l’arrivée des derniers déchets. Elle décline ensuite progressivement pendant plusieurs années, voire plusieurs décennies si la quantité de déchets stockée est importante, jusqu’à la dégradation totale des matières organiques.

Evolution de la production de biogaz d'une ISDND dans le temps

Optimiser la valorisation énergétique d’un gisement de gaz de décharge

La production de gaz d’un site de stockage peut être en partie contrôlée à travers le pilotage du réseau et notamment le réglage du surpresseur. Deux stratégies peuvent être adoptées :

  • Pilotage du réseau en mode « dépollution »
    Le surpresseur aspire fortement le gaz et entretient une dépression importante au sein du massif de déchet. Cela permet de réduire les nuisances olfactives mais augmente la concentration d’air jusqu’à 30 %.
  • Pilotage du réseau  en mode « valorisation »
    Le surpresseur maintient la dépression à un niveau faible et régulier. Un réglage précis des vannes et une bonne étanchéité du réseau de collecte maintiennent la proportion d’air en dessous de 15 %.

L’opérateur d’un site de stockage doit souvent combiner ces réglages en fonction de la production des différentes zones d’exploitations (appelées « casiers ») et en prenant en compte des contraintes parfois contradictoires : valorisation du méthane, réduction des nuisances olfactives, réduction des émissions polluantes, etc.

 

La gestion du site de stockage des déchets en bioréacteur

Apparue aux États-Unis dans les années 90, la gestion d’un site de stockage en mode « bioréacteur » vise à accélérer le processus de la dégradation des matières organiques et la stabilisation des déchets, en les enfermant dans une enceinte confinée et irriguée par les eaux de ruissellement (appelées « lixiviats  »). Ce dispositif permet de stimuler l’activité microbienne tout en diluant d’éventuels inhibiteurs (ammoniaque, sels, soufre…). Lorsque le casier est recouvert d’une membrane étanche, la mise en place d’un bioréacteur est obligatoire pour permettre la dégradation des matières organiques et éviter la « momification » des déchets.