Projet de démonstration: Des micro-organismes à l’origine de la production de biométhane

Limmattaler Regiowerk Limeco exploite à Dietikon une usine d’incinération des ordures ménagères (UIOM) et une station d’épuration des eaux usées (STEP). En complément des UIOM et des STEP, la première installation Power-to-Gas (PtG) à l’échelle industrielle a été mise en service en mars 2022. Dans ce contexte, «échelle industrielle» signifie que l’installation valorise les quelque 160 à 200 Nm³ de gaz d’épuration produits chaque heure par la STEP. Auparavant, le gaz était acheminé vers des centrales de cogénération et utilisé pour produire de l’électricité. La nouvelle installation transforme le gaz d’épuration et l’électricité produite par l’UIOM en biométhane, lequel est ensuite injecté dans le réseau de gaz local (fig. 1 et 2).

La construction et l’exploitation de l’installation PtG ont été une démarche courageuse. Le biométhane produit de manière synthétique est certes un bien convoité par les clients du gaz orientés vers le développement durable, mais rien ne garantissait dès le départ la rentabilité de ce nouveau procédé. Initiée par Swisspower, la société Limeco s’est donc associée à huit autres entreprises communales d’approvisionnement en énergie (voir encadré). Les partenaires ont assumé ensemble le risque économique de la nouvelle installation.

50% plus biométhane grâce à Power-to-Gas

Depuis longtemps, les boues d’épuration sont fermentées dans les digesteurs des STEP pour produire du gaz d’épuration (biogaz brut), qui constitue une source d’énergie. Le biogaz brut est composé d’environ deux tiers de méthane utilisable à des fins énergétiques. Le reste est constitué essentiellement de dioxyde de carbone (CO₂), lequel, ayant été extrait de l’atmosphère à l’origine, est climatiquement neutre. Ce CO₂ est alimenté dans le biogaz brut vers les centrales de cogénération ou séparé du biogaz brut au moyen d’un séparateur de CO₂. Le CO₂ est restitué à l’environnement dans les deux cas. Le processus de l’installation PtG de Dietikon est différent: elle transforme le CO₂ contenu dans le biogaz brut en un vecteur énergétique, à savoir le méthane. Pour ce faire, le biogaz brut comprimé est introduit avec de l’hydrogène dans un bioréacteur rempli de boues d’épuration (fig. 3). Les boues d’épuration contiennent des micro-organismes anaérobies (archées). Ceux-ci catalysent la transformation de l’hydrogène et du CO₂ en méthane. Ce processus de transformation (méthanation biologique) produit du méthane synthétique. Selon la teneur en CO₂ du biogaz brut, une installation PtG permet de produire jusqu’à 50% plus de biométhane. Avant d’être injecté dans le réseau de gaz, le méthane doit être purifié des résidus d’ammoniac, de soufre et d’hydrogène afin d’obtenir la qualité requise (fig. 4).

L’hydrogène utilisé dans l’installation PtG de Dietikon provient d’un processus d’électrolyse au cours duquel l’eau est divisée en hydrogène (H₂) et en oxygène (O₂). Deux électrolyseurs d’une puissance électrique de 1,25 MW chacun sont utilisés à cet effet (fig. 5). Ils sont alimentés en électricité par l’UIOM, dans laquelle elle est produite à partir de la chaleur de combustion des déchets au moyen d’une turbine à vapeur et d’un générateur.

L’installation PtG a un rendement d’environ 50%. Sur l’électricité renouvelable utilisée pour la production d’hydrogène, environ la moitié est donc convertie en méthane, l’autre étant partiellement utilisée comme chaleur ou perdue sous forme de pertes de conversion.

Suivi biennal

Quelques mois après le début de la production, l’installation PtG s’est vue confrontée à un nouveau défi: À l’automne 2022, l’invasion de l’Ukraine par la Russie a fait planer la menace d’une pénurie d’électricité. C’est pourquoi les partenaires de coopération ont décidé d’injecter la totalité de l’électricité produite par l’UIOM dans le réseau et d’arrêter temporairement l’installation PtG au cours du semestre d’hiver 2022/23. Ils l’ont remise en service en mars 2023. Petit à petit, la production a pu monter en puissance, mais des «maladies infantiles» sont survenues sans cesse, ce qui n’est pas rare avec les installations de démonstration.

Afin d’évaluer les expériences collectées avec la nouvelle installation, un projet de suivi a été mené pendant les deux premières années d’exploitation. Celui-ci a été réalisé par Limeco, accompagné par Swisspower et le bureau d’études Rytec. L’Office fédéral de l’énergie a soutenu financièrement le projet dans le cadre de son programme pilote et de démonstration. Le projet s’est achevé fin 2024 avec deux rapports finaux (fig. 6, 7 et 8).

Le composant clé: le bioréacteur

En pleine exploitation, l’installation PtG produit 1,8 million de mètres cubes de biométhane par an; ce qui correspond à une quantité d’énergie de 18 GWh ou aux besoins de 2000 ménages. En raison de l’arrêt préventif de l’hiver 2022/23, des arrêts pour raisons techniques et des travaux de transformation réalisés à partir de 2024, les expériences d’exploitation du suivi ont été essentiellement recueillies sur la période d’avril 2023 à janvier 2024. «Avec cette installation, nous avons pu démontrer que la production de biométhane à partir du CO₂ de la STEP et de l’électricité de l’UIOM fonctionnait à l’échelle industrielle», résume Thomas Di Lorenzo, chef de projet Limeco, l’un des principaux résultats du projet de monitoring.

Le bioréacteur est un composant clé de l’installation. Il transforme le CO₂ contenu dans le biogaz brut en méthane synthétique par l’ajout d’hydrogène. Il existe différentes solutions techniques pour ce processus dit de méthanation. Dans le cas de l’installation de Dietikon, Limeco a opté pour la méthanation biologique lors de laquelle les micro-organismes transforment le dioxyde de carbone et l’hydrogène en méthane. Ce procédé a l’avantage de pouvoir acheminer le biogaz brut dans le bioréacteur sans traitement préalable.