Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Article technique
25. février 2022

Émissions de gaz à effet de serre

Réduction des émissions de méthane dans les STEP

Le méthane est émis dans l’atmosphère en quantités considérables, entre autres dans les stations d’épuration des eaux usées. Ces émissions peuvent être fortement réduites en installant une couverture étanche au gaz sur le stockeur de boue. Comme le démontre l’étude de 18 stations d’épuration en Suisse, c’est réalisable avec des mesures simples et même rentables grâce au programme de financement de South Pole.
Clara Baumhauer, Hannes Etter, Simon Ambühl, Gian Andri Levy, Ernst A.  Müller, 

De grandes quantités de méthane sont émises dans l’atmosphère par les stations d’épuration des eaux usées (STEP) communales. Le potentiel de réchauffement climatique du méthane est 25-28 fois supérieur à celui du CO2. Globalement, les stations d’épuration sont responsables de 0,3% des émissions totales de gaz à effet de serre et de 2,8% des émissions totales de méthane en Suisse. Dans le cadre d’une étude, la société Holinger AG a mené une enquête dans les STEP du canton de Zurich afin de déterminer les pertes de méthane dans les stockeurs de boues ouverts et de les comparer à la production totale de gaz d’épuration de la STEP.

BESOIN D’ACTIONS SUR LES STEP - Jusqu'à 15% de perte de gaz d'épuration 

La figure 1 montre les pertes relatives de gaz d’épuration déterminées dans le stockeur de boues, en fonction du temps de séjour dans le digesteur et dans le stockeur. Les valeurs indiquées sont un instantané, les fluctuations saisonnières ne sont pas prises en compte. La perte relative de gaz d’épuration se reflète dans la taille des points de données. Les pertes sont considérables et vont de 2 à 15% de la production totale de gaz d’épuration. La couverture des stockeurs de boues ouverts serait donc judicieuse d’un point de vue écologique et intéressante d’un point de vue économique. Les pertes élevées lors du stockage de boues signifient que, sur l’ensemble du processus, la production d’énergie à partir des gaz d’épuration renouvelables n’est pas «neutre sur le plan climatique», mais entraîne même une pollution supplémentaire par des gaz à effet de serre. En d’autres termes, les émissions de méthane et de gaz à effet de serre doivent être réduites au maximum dans tous les secteurs de la STEP.

MÉTHODES DE DÉTERMINATION DES ÉMISSIONS DE MÉTHANE

Plus les pertes de méthane sont élevées, plus il est urgent de couvrir les stockeurs de boues ouverts et plus l’efficacité est grande. Dans un premier temps, les pertes de méthane sont déterminées, ce qui peut être fait de différentes manières:

Test de dégradation anaérobie en laboratoire

Dans le test de dégradation anaérobie, la mesure de la production de méthane a lieu avec un mélange complet. De cette manière, la production de méthane en laboratoire – par rapport à un échantillon non mélangé de la chambre de post-digestion – tend à être surestimée, avec une erreur de l’ordre d’un pourcentage à un chiffre (< 10%).

Mesure de la matière sèche et du taux de cendres

La teneur en matière organique de la matière sèche (MS) est calculée à partir du taux de cendres (matière minérale, MM). Les données obtenues peuvent être utilisées pour déterminer la différence entre le taux de matière organique avant le déversement des boues dans le stockeur et celui au moment où elles en sont retirées pour être éliminées. La dégradation organique dans le stockeur des boues peut ainsi être directement convertie proportionnellement en une production de gaz correspondante. Les pertes au feu (différences entre MS et MM) mesurées sur un an, présentées dans la figure 2, montrent la diminution systématique du taux de matière organique dans la chambre de post-digestion.

Mesure automatisée dans les stockeurs de boues fermés

Cette mesure permet d’apprécier le volume des émissions de méthane évitées au niveau du stockeur des boues. La mesure de la réduction du méthane permet de déterminer le gain obtenu avec la fermeture du conteneur en termes d’équivalent CO2 et donc le calcul des subventions de South Pole. Le paiement annuel est basé sur la réduction effective des émissions de CO2, telle que documentée dans le suivi annuel.

ÉVALUATION DE LA VIABILITÉ ÉCONOMIQUE

La société d’ingénierie Holinger AG a planifié et construit des couvertures étanches aux gaz pour les stockeurs (fig. 3 et 4) dans huit stations d’épuration de Suisse. Ces projets donnent un aperçu des investissements, de l’efficacité économique de la couverture des stockeurs et des rendements supplémentaires en gaz d’épuration. L’expérience montre que la taille de l’ouverture à obturer au-dessus du stockeur est un facteur de coût important. Les coûts et les subventions de South Pole pour ces huit stations sont basés sur les hypothèses suivantes:

 

L’analyse des coûts pour les différentes STEP est présentée dans le tableau 1. Les pertes de méthane dans les huit STEP se situent entre 6 et 11% et tendent vers 0% grâce à la couverture. Aux STEP 3 et 7, non seulement la couverture sera mise en place, mais le stockeur sera entièrement rénové. Dans le cas de ces deux STEP, des investissements supplémentaires importants sont nécessaires par rapport à la simple couverture du stockeur des boues, c’est pourquoi le total des investissements pour la rénovation globale ne peut pas être entièrement remboursé par les subventions. Pour toutes les stations d’épuration restantes, sans la rénovation des stockeurs, les investissements seront plus que remboursés d’ici à 2030 grâce aux subventions. L’excédent de recettes est considérable et est compris entre 4700 et 90'700 francs. En particulier, les STEP 3, 5 et 6 obtiennent un gain remarquable de 9 à 10% de gaz d’épuration. Pour ces trois STEP, les recettes annuelles provenant de la production de gaz supplémentaire se situent entre 3000 et 7500 francs, ce qui représente environ 27'000 à 67 500 francs d’ici à 2030. Les économies réalisées grâce à la réduction du volume des boues à éliminer n’ont pas encore été prises en compte. Les résultats montrent que, outre les avantages écologiques, la couverture de stockeurs de boues est également intéressante sur le plan financier grâce au programme de soutien de South Pole. La couverture doit donc être examinée pour tous les stockeurs de boues ouverts.

Le potentiel grâce à la couverture est particulièrement élevé pour les STEP présentant les caractéristiques suivantes:

  • un débit de boue important
  • de courts temps de séjour dans le digesteur
  • une mauvaise décomposition de la matière organique dans le digesteur
  • de grands volumes de stockage ouverts avec un long temps d’entreposage des boues

 

Lors de la planification de la couverture du stockeur de boues, il est judicieux de vérifier si le stockeur, une fois étanchéifié aux gaz, peut être équipé pour devenir un digesteur à part entière en l’intégrant au système de chauffage des boues et en installant un agitateur. Avec cette dépense supplémentaire relativement faible, la redondance du processus de digestion à un seul flux préexistant est grandement améliorée. Ainsi, en cas de révision ou de vidange du digesteur, le stockeur de boue couvert avec agitateur, c’est-à-dire le post-digesteur, permet de maintenir la digestion des boues et d’éviter des émissions de méthane temporairement élevées pendant la révision du digesteur. En même temps, la sécurité du travail en termes de protection contre les explosions est également améliorée lors de ces révisions. Dans la digestion des boues à un seul flux, les réacteurs sont rarement vidés pour des raisons compréhensibles. Si un deuxième digesteur est disponible, ces inspections peuvent être effectuées plus fréquemment à un coût raisonnable et des modifications indésirables dans le digesteur (dépôts, pourritures, dommages aux installations et à la structure, etc.) peuvent être détectées à temps.

PROGRAMME D’AIDE À LA RÉDUCTION DU MÉTHANE DANS LES STEP

Afin d’exploiter le potentiel considérable de réduction du méthane dans les stations d’épuration des eaux usées, South Pole, une entreprise spécialisée dans les solutions de protection du climat, a mis au point un programme de soutien intitulé «Réduction du méthane dans les STEP».

Traitement des flux d’air contenant du méthane

Pour réduire les émissions de méthane, les étapes du traitement des boues anaérobies sont équipées d’une couverture étanche aux gaz. Cela permet de capter les flux d’air d’échappement et d’empêcher le méthane de s’échapper dans l’atmosphère. Dans le cadre de ce programme, une ou plusieurs des mesures suivantes peuvent être appliquées pour traiter les flux d’air contenant du méthane:

Traitement dans l’incinération des boues

Il s’agit d’installer ou d’aménager un système d’aération actif dans les étapes du processus fermé. Le méthane est capté par la ventilation. L’air évacué est acheminé vers une usine existante d’incinération des boues comme source d’oxygène.

Utilisation dans une unité de cogénération

Dans ce das, un système de ventilation actif est également installé ou aménagé dans les étapes du processus fermé. Le méthane est capté par la ventilation et l’air évacué est acheminé vers une unité de cogénération existante comme source d’oxygène.

Connexion du stockeur de boues à l’installation de digestion

Les phases gazeuses de l’étape de traitement concernée (par exemple, le stockeur de boues) sont connectées à la phase gazeuse du digesteur via la tuyauterie. Le gaz produit au cours de l’étape du processus fermé est ainsi acheminé vers le réservoir de stockage du gaz.

Contributions du programme

Les exploitants d’installations reçoivent de South Pole 140 francs par tonne réduite d’équivalents CO2 jusqu’au remboursement de l’investissement. Ensuite, les exploitants des STEP recevront 10'000 francs par an pour l’exploitation et 25 francs supplémentaires par tonne de CO2 jusqu’en 2030.
Actuellement, 18 stations d’épuration (toutes en Suisse alémanique) participent déjà au programme. Dans un premier temps, South Pole propose à toutes les STEP un test de faisabilité gratuit et non contraignant. Si l’exploitant de l’usine est intéressé, il peut alors passer à la planification préliminaire avec une société d’ingénierie de son choix.

Une investigation est recommendée 

Dès que possible, et pour les raisons suivantes, une investigation sur les émissions de méthane dans les stations d’épuration des eaux usées est judicieuse et recommandée:

  • La majorité des stations d’épuration des eaux usées avec des stockeurs de boues ouverts ne sont pas exploitées de manière neutre en termes de CO2.
  • Les subventions de South Pole peuvent être appliquées aussi longtemps que la mesure de réduction des émissions de CO2 est volontaire et n’est pas mise en œuvre, par exemple, en raison des exigences cantonales.
  • Les contributions de soutien financier sont garanties et limitées dans le temps jusqu’en 2030; plus la mesure est mise en œuvre tôt, plus les contributions de soutien se cumulent.
  • En raison du remboursement intégral des coûts d’investissement, il n’y a pratiquement aucun risque financier pour l’opérateur de la STEP. La seule condition est la mise à disposition des investissements nécessaires à la couverture des stockeurs de boues.

 

Autres programmes de protection du climat en cours de développement

Les stations d’épuration des eaux usées ont également des possibilités de réduire les émissions de dioxyde de carbone et d’oxyde nitreux , pour lesquelles South Pole élabore actuellement d’autres programmes de protection du climat. Une approche concrète est le traitement du CO2 séparé lors de la purification des gaz d’épuration. [1]. Le CO2 n’est plus rejeté dans l’atmosphère, mais liquéfié et peut ainsi être utilisé dans l’industrie ou stocké de manière permanente. Un autre projet vise à réduire les émissions d’oxyde nitreux (N2O) provenant des boues d’épuration grâce à des installations de pyrolyse dans les stations d’épuration.

Informations sur le programme de soutien

De plus amples informations sur le programme de soutien peuvent être obtenues sur le site web de South Pole ou par mail

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