La méthanisation agricole, une filière en devenir ?

International audienceL’objectif de la France est de porter à 23% la consommation d’énergie produite à partir d’énergies renouvelables d’ici 2020. Parmi le panel des énergies renouvelables à fort potentiel de développement, le méthane renouvelable constitue un des éléments clé de la transition énergétique. Le biogaz (mélange gazeux constitué principalement de méthane) est produit par la dégradation anaérobie des matières organiques. Ainsi, les déchets des collectivités, de l'industrie et de l’agriculture peuvent trouver un débouché à travers la valorisation en biogaz (1), encouragée par une législation à la fois contraignante par des obligations de traitement de certains déchets mais aussi incitative sous forme de subventions d'investissement et de tarifs d'achat d’énergie attractifs. Ce procédé de méthanisation appliqué aux déchets et aux résidus organiques est une alternative intéressante pour leur gestion afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de relever les défis énergétiques actuels (2). En France, en 2015, l’ADEME recense 500 installations productrices de biogaz valorisé, tous secteurs confondus. Les installations de stockage de déchets non dangereux (ISDND) comptabilisent 238 unités avec 113 d’entre elles qui transforment le biogaz, ensuite 185 installations de méthanisation agricoles à la ferme auxquelles peuvent s’ajouter 23 installations centralisées/territoriales le plus souvent issues de regroupement d’agriculteurs; 88 installations fonctionnent dans des stations de traitement des eaux usées (STEP), 80 installations sont aussi en fonctionnement dans les industries agro-alimentaires et enfin 11 d’entre elles valorisent des ordures ménagères. Parmi tous ces secteurs, le biogaz agricole présente le plus fort potentiel et a eu au cours de ces 15 dernières années la plus forte progression, ainsi, le biogaz agricole était négligeable avant l'an 2000 alors qu’en 2014 il représente plus de 40 % du biogaz valorisé sur le territoire national. Ces méthaniseurs agricoles fonctionnent principalement avec des substrats agricoles liquides tels que les lisiers de porcs ou de bovins auxquels sont adjoints des co-substrats à fort potentiel méthanogènes. La typologie des installations agricoles actuelle se distingue en 4 catégories, (i) des installations (13%) utilisant seulement les déjections agricoles des cultures dédiées et des résidus de culture, (ii) des unités (8%) ne fonctionnant que sur la base des déjections produites et des déchets de restauration et/ou de la grande distribution, (iii) des exploitations (35%) intégrants à la fois les effluents d’élevages avec des déchets issus du stockage et de la transformation des céréales et des déchets verts et enfin (iv) 42 % des unités de méthanisation fonctionnant avec une recette basée sur un mélange de déchets agro-industriels (déchets de transformation des fruits et légumes, graisses, déchets du lait, du sucre, du pain etc.). Ce modèle de développement, basé quasi exclusivement sur la valorisation des déchets produits par l’exploitation agricole et ceux provenant de la fourniture de différents tiers, est aujourd’hui non encore épuisé mais semble limité à plus ou moins court terme surtout que l’ambition française, dernièrement renouvelée par le plan EEMA (3), est de développer de façon très accrue le biogaz agricole et d’atteindre à l’horizon 2020 le nombre de 1000 installations en fonctionnement. Afin d’atteindre cet objectif, le rythme des installations doit être de 80 unités par an en moyenne. Cependant en 2014, le nombre de nouvelles unités de méthanisation n’est que de 50/an. A ce rythme il sera difficile d’atteindre l’objectif fixé par le plan EMAA, tout juste la moitié des 1000 installations prévues seraient mise en service à échéance 2020. Ainsi, le modèle français semble déjà s’essouffler alors que chez certains de nos voisins européens, le nombre d’unités en fonctionnement avoisinent 9000 en Allemagne (4) et est proche de 1200 en Italie, certes, avec d’autres modalités de soutien et d’organisation. En France, l’année 2015 est déjà montrée comme l’année de vérité du biogaz, et dans le cadre plus général du soutien aux énergies renouvelables, un virage important doit être entamé pour un plus fort développement de la filière. Un état des lieux est actuellement en cours dans le secteur du biogaz agricole et fait remonter différentes difficultés rencontrées. Elles se situent à différents niveaux : un tarif d’achat de l’électricité pas assez élevé et surtout complexe, des soucis techniques rencontrés, liés à la transposition d’équipements au marché français qui présente des contraintes spécifiques (cultures énergétiques vs. déchets multiples et variés), liés à des négligences ou à des méconnaissances des substrats (potentiel méthanogènes) ou des trop faibles valorisations des digestats et aussi liés aux procédures et contraintes règlementaires. Par ailleurs les professionnels mettent aussi en évidence des tensions sur les gisements de déchets, des rentabilités inférieures à celles attendues notamment de par le temps passé et des charges de fonctionnement sous évaluées. Malgré ce constat, comme toute filière nouvelle, des ajustements sont et seront nécessaires afin de la structurée et de lui redonner une vision à court et moyen terme. En premier lieu, les modalités de soutien vont évoluer avec des tarifs de rachats qui seront revus. Les contraintes administratives et réglementaires seront aussi simplifiés (mise en place d’un guichet unique par exemple). Par ailleurs le modèle français devra évoluer pour mobiliser d’autres ressources telles que les fumiers ou les résidus de culture qui sont actuellement peu intégrés dans la filière de méthanisation et qui représentent un fort potentiel de développement surtout pour des unités de méthanisation de petites tailles. Ce changement de paradigme devra être accompagné afin de voir émerger une réelle filière française de méthanisation agricole

La gestion des effluents d'élevage et la production d'hydrogène sulfuré, cas particulier de la méthanisation

The first part of this thesis focused on the impact of sulphur content in pig diets on the amount of sulphur present in the excretion. The sulphur content of each ingredient potentially used in diet formulation was analyzed. Retention and excretion of sulphur ingested by animals (pigs) were evaluated by an in-vivo study. Sulphur absorbed by the animals is poorly retained, beyond the nutritional need; it is excreted primarily in the form of sulphates in urine. The dynamics of sulphate in the slurry was evaluated by a simulation of anaerobic storage, they are consumed and converted to hydrogen sulphide, which is either transferred to the gas phase, or stored in the liquid phase. The major route of production is the dissimilatory reduction of sulphates. The second part of this thesis is devoted to the fate of sulphur in the biogas plant where the agricultural production of hydrogen sulphide is dependent mixtures of co-substrates digested. An inventory of the different substrates used by the biogas plant at the farm has been achieved. The total sulphur contents and the methanogenic potential for each of these substrates have been determined and sulphidogenic potential was defined (maximum concentration of hydrogen sulphide from biogas for a given substrate). With this dataset, a ratio C / S has been defined, which allowed to classify the different substrates for their potential to produce hydrogen sulphide. Green algae stranding on beaches, low substrate P / S, were tested on pilot anaerobic digester in co-digestion with pig manure. For green algae, the low potential for biogas production coupled with high levels of hydrogen sulphide from biogas measured with our test greatly limits the value of their use in agricultural anaerobic digestion.La première partie de ce travail de thèse s'est intéressée à l'impact des régimes alimentaires des porcs sur la quantité de soufre présente dans les déjections. La charge en soufre apportée par chacun des ingrédients qui composent la formulation a été analysée. La rétention et l'excrétion du soufre ingéré par les animaux (porcs) ont été évaluées par une étude in-vivo. Le soufre absorbé par les animaux est faiblement retenu, au-delà des besoins nutritionnels, il est excrété principalement sous la forme de sulfates, par la voie urinaire. La dynamique des sulfates dans le lisier a été évaluée par une simulation de stockage anaérobie, ils sont consommés et transformé en sulfure d'hydrogène, lequel est, soit transféré vers la phase gazeuse, soit stocké dans la phase liquide. La principale voie de production étant la réduction dissimilatrice des sulfates. La deuxième partie de ce travail de thèse est consacrée au devenir du soufre dans les unités de méthanisation agricoles où la production d'hydrogène sulfuré est sous la dépendance des mélanges de co-substrats digérés. Un inventaire des différents substrats utilisables par les unités de méthanisation à la ferme a donc été réalisé. Les teneurs en soufre total ainsi que les potentiels méthanogènes pour chacun de ces substrats ont été déterminés et un potentiel sulfurogène (concentration maximale d'hydrogène sulfuré du biogaz pour un substrat donné) a été défini. Grâce à ces données, un ratio C/S a pu être défini, lequel a permis de classer les différents substrats quant à leur potentialité à produire de l'hydrogène sulfuré. Les algues vertes d'échouage, substrat à faible ratio C/S, ont été testées sur des pilotes de digestion anaérobie en co-digestion avec des lisiers de porcs. Pour ces algues, le faible potentiel de production de biogaz couplé aux fortes teneurs en hydrogène sulfuré du biogaz mesuré avec nos essais limite fortement l'intérêt de leur utilisation dans les filières de méthanisation à la ferme

Caractéristiques des substrats et interactions dans les filières de co-digestion : cas particulier des co-substrats d’origine agro-industrielle

Pour assurer l’équilibre économique des unités de méthanisation, l’ajout de co-substrats est en général nécessaire. Pour les choisir, deux questions se posent aux porteurs de projets : quelles sont les caractéristiques des co-substrats disponibles et quel est l’impact des mélanges sur le fonctionnement du digesteur. Le présent article se propose de répondre à ces questions sur la base des résultats du projet Biodecol2

La gestion des effluents d élevage et la production d'hydrogène sulfuré, cas particulier de la méthanisation

La première partie de ce travail de thèse s est intéressée à l impact des régimes alimentaires des porcs sur la quantité de soufre présente dans les déjections. La charge en soufre apportée par chacun des ingrédients qui composent la formulation a été analysée. La rétention et l excrétion du soufre ingéré par les animaux (porcs) ont été évaluées par une étude in-vivo. Le soufre absorbé par les animaux est faiblement retenu, au-delà des besoins nutritionnels, il est excrété principalement sous la forme de sulfates, par la voie urinaire. La dynamique des sulfates dans le lisier a été évaluée par une simulation de stockage anaérobie, ils sont consommés et transformé en sulfure d hydrogène, lequel est, soit transféré vers la phase gazeuse, soit stocké dans la phase liquide. La principale voie de production étant la réduction dissimilatrice des sulfates. La deuxième partie de ce travail de thèse est consacrée au devenir du soufre dans les unités de méthanisation agricoles où la production d hydrogène sulfuré est sous la dépendance des mélanges de co-substrats digérés. Un inventaire des différents substrats utilisables par les unités de méthanisation à la ferme a donc été réalisé. Les teneurs en soufre total ainsi que les potentiels méthanogènes pour chacun de ces substrats ont été déterminés et un potentiel sulfurogène (concentration maximale d hydrogène sulfuré du biogaz pour un substrat donné) a été défini. Grâce à ces données, un ratio C/S a pu être défini, lequel a permis de classer les différents substrats quant à leur potentialité à produire de l hydrogène sulfuré. Les algues vertes d échouage, substrat à faible ratio C/S, ont été testées sur des pilotes de digestion anaérobie en co-digestion avec des lisiers de porcs. Pour ces algues, le faible potentiel de production de biogaz couplé aux fortes teneurs en hydrogène sulfuré du biogaz mesuré avec nos essais limite fortement l'intérêt de leur utilisation dans les filières de méthanisation à la ferme.The first part of this thesis focused on the impact of sulphur content in pig diets on the amount of sulphur present in the excretion. The sulphur content of each ingredient potentially used in diet formulation was analyzed. Retention and excretion of sulphur ingested by animals (pigs) were evaluated by an in-vivo study. Sulphur absorbed by the animals is poorly retained, beyond the nutritional need; it is excreted primarily in the form of sulphates in urine. The dynamics of sulphate in the slurry was evaluated by a simulation of anaerobic storage, they are consumed and converted to hydrogen sulphide, which is either transferred to the gas phase, or stored in the liquid phase. The major route of production is the dissimilatory reduction of sulphates. The second part of this thesis is devoted to the fate of sulphur in the biogas plant where the agricultural production of hydrogen sulphide is dependent mixtures of co-substrates digested. An inventory of the different substrates used by the biogas plant at the farm has been achieved. The total sulphur contents and the methanogenic potential for each of these substrates have been determined and sulphidogenic potential was defined (maximum concentration of hydrogen sulphide from biogas for a given substrate). With this dataset, a ratio C / S has been defined, which allowed to classify the different substrates for their potential to produce hydrogen sulphide. Green algae stranding on beaches, low substrate P / S, were tested on pilot anaerobic digester in co-digestion with pig manure. For green algae, the low potential for biogas production coupled with high levels of hydrogen sulphide from biogas measured with our test greatly limits the value of their use in agricultural anaerobic digestion.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Etat des lieux des connaissances sur les facteurs de contrôle du potentiel méthanogène d’un substrat et de la composition de son biogaz

International audienc

Greenhouse gas emissions from organic and conventional cattle slurry tanks

Dairy cattle slurry tanks could represent significant sources of methane (CH4), nitrous oxide (N2O) and carbon dioxide (CO2) to the atmosphere. To monitor greenhouse gas (GHG) emitted during storage, a new method based on tracer gas ratios was developed. For this purpose, a controlled quantity of sulphur hexafluoride (SF6, tracer gas) was continuously released above the storage tank to supplement the GHG emissions. The ratio between GHG and SF6 was calculated from data measured using gas chromatography units. These systems allowed continuous monitoring of SF6, CH4, N2O and CO2 concentrations in the upwind and downwind air from the storage tank during a full year period. The sampling systems were concurrently installed in an organic and a conventional cattle farm. Dairy cow slurry production and chemical characteristics were also monitored. For the conventional farm, methane emissions rates were comprised between 0 to 1023 g.C-CH4.m-3.d-1 with an average of 35 g.C-CH4.m-3.d-1. The emission rates varied from 0 and 384 g.C-CH4.m-3.d-1 -1 for the organic farm with an average of 26 g.C-CH4.m-3.d-1. In both farms, no emissions of nitrous oxide were measured attributed to storage conditions. For carbon dioxide, no emissions were recorded because the emission rate was not high enough to increase the background atmospheric concentration

Greenhouse gas emissions from organic and conventional cattle slurry tanks: poster

The evolution of the dominant microbial community of a pig slurry was followed in a pig farm during 6 months. Sampling was carried out on all the different management steps of effluent : faeces, storage tank, lagoon of storage and soil before and after slurry spreading. Total DNA of these various samples were extracted and analyzed by PCR-SSCP, in particular for the archaea and bacteria domain and for specific bacterial groups. This study shows first a relative stability in time of the microbial populations met in the stored pig slurry. However, migration of this effluent through different environments (e.g. digestive tract - to storage tank) modify the microbial community probably to the profit of better adapted species. Lastly, micro-organisms present in the effluent could not be detected any longer in soil after spreading, using the SSCP technique. The dominant archaea of the flora of faeces and pig slurry were identified. They belong to genus Methanosphaera, Methanobrevibacter and Methanogenium, all hydrogenotrophic achaea methanogens. No aceticlastic archaea methanogen were found, in spite of the strong acetate content measured in pig slurry. SSCP bacteria profiles obtained reflect a large bacterial diversity where 9 dominant phylotypes can be characterized. Due to the complexity of obtained profiles, bacteria genders were grouped by targeting three dominant bacterial groups such as Clostridiacea, Bacillus-Streptococcus-Lactobacillus and Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides. Identification of dominant phylotypes was carried out for these 3 groups. The majority of identified phylotypes are close to uncultivated bacteria. With these results, identification of 5 of the 9 dominant bacterial phylotypes of pig slurry was carried out. Bacteria mostly represented in this ecosystem corresponds to bacteria not cultivated yet closely related to Clostridium butyricum and four other are close to uncultivated bacteria belonging to genus Prevotellaceae, Bacteroidaceae and Streptococcaceae.L`évolution de la communauté microbienne majoritaire d`un lisier a été suivie dans un élevage de porcs pendant une période de 6 mois. Des prélèvements ont été réalisés sur toute la filière de gestion des déjections : fèces, fosse de stockage, lagune de stockage et sol avant et après épandage. Les ADN totaux de ces différents échantillons ont été extraits et analysés par PCR-SSCP, notamment pour les domaines archaea et eubacteria ainsi que pour des groupes bactériens majoritaires. Le suivi montre une stabilité dans le temps des populations microbiennes rencontrées dans le lisier stocké. En revanche, le passage de l`effluent dans un environnement différent (ex. du tube digestif - à la fosse de stockage) s`accompagne d`une modification de la communauté microbienne probablement au profit des espèces les mieux adaptées. Enfin, les micro-organismes présents dans l`effluent ne sont plus décelables dans le sol après épandage avec la technique SSCP. Les archaea dominantes de la flore des fèces et du lisier ont été identifiées, elles appartiennent aux genres Methanosphaera, Methanobrevibacter et Methanogenium, archaea méthanogènes hydrogénophiles. Aucune archaea méthanogène acétoclaste n`a été retrouvée dans la filière, malgré la forte teneur en acétate mesurée dans le lisier. Pour les eubactéries, les profils SSCP obtenus reflètent une forte diversité bactérienne où 9 phylotypes dominants peuvent être caractérisés. Etant donné la complexité des profils obtenus, un découpage de ces profils a été réalisé en ciblant trois groupes bactériens a priori dominants tels que Clostridiacea, Bacillus-Streptococcus-Lactobacillus et Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides. L`identification des phylotypes majoritaires a été réalisée pour ces 3 groupes. La majorité des phylotypes identifiés sont proches de bactéries non cultivées. En recoupant les données, l`identification de 5 des 9 phylotypes bactériens dominants du lisier a été réalisée. La bactérie la plus représentée dans cet écosystème correspond à une bactérie non cultivée proche de Clostridium butyricum. Les quatre autres majoritaires sont proches de bactéries non cultivées appartenant au familles Prevotellaceae, Bacteroidaceae et Streptococcaceae

Greenhouse gas emissions from organic and conventional cattle slurry tanks: poster

The evolution of the dominant microbial community of a pig slurry was followed in a pig farm during 6 months. Sampling was carried out on all the different management steps of effluent : faeces, storage tank, lagoon of storage and soil before and after slurry spreading. Total DNA of these various samples were extracted and analyzed by PCR-SSCP, in particular for the archaea and bacteria domain and for specific bacterial groups. This study shows first a relative stability in time of the microbial populations met in the stored pig slurry. However, migration of this effluent through different environments (e.g. digestive tract - to storage tank) modify the microbial community probably to the profit of better adapted species. Lastly, micro-organisms present in the effluent could not be detected any longer in soil after spreading, using the SSCP technique. The dominant archaea of the flora of faeces and pig slurry were identified. They belong to genus Methanosphaera, Methanobrevibacter and Methanogenium, all hydrogenotrophic achaea methanogens. No aceticlastic archaea methanogen were found, in spite of the strong acetate content measured in pig slurry. SSCP bacteria profiles obtained reflect a large bacterial diversity where 9 dominant phylotypes can be characterized. Due to the complexity of obtained profiles, bacteria genders were grouped by targeting three dominant bacterial groups such as Clostridiacea, Bacillus-Streptococcus-Lactobacillus and Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides. Identification of dominant phylotypes was carried out for these 3 groups. The majority of identified phylotypes are close to uncultivated bacteria. With these results, identification of 5 of the 9 dominant bacterial phylotypes of pig slurry was carried out. Bacteria mostly represented in this ecosystem corresponds to bacteria not cultivated yet closely related to Clostridium butyricum and four other are close to uncultivated bacteria belonging to genus Prevotellaceae, Bacteroidaceae and Streptococcaceae.L`évolution de la communauté microbienne majoritaire d`un lisier a été suivie dans un élevage de porcs pendant une période de 6 mois. Des prélèvements ont été réalisés sur toute la filière de gestion des déjections : fèces, fosse de stockage, lagune de stockage et sol avant et après épandage. Les ADN totaux de ces différents échantillons ont été extraits et analysés par PCR-SSCP, notamment pour les domaines archaea et eubacteria ainsi que pour des groupes bactériens majoritaires. Le suivi montre une stabilité dans le temps des populations microbiennes rencontrées dans le lisier stocké. En revanche, le passage de l`effluent dans un environnement différent (ex. du tube digestif - à la fosse de stockage) s`accompagne d`une modification de la communauté microbienne probablement au profit des espèces les mieux adaptées. Enfin, les micro-organismes présents dans l`effluent ne sont plus décelables dans le sol après épandage avec la technique SSCP. Les archaea dominantes de la flore des fèces et du lisier ont été identifiées, elles appartiennent aux genres Methanosphaera, Methanobrevibacter et Methanogenium, archaea méthanogènes hydrogénophiles. Aucune archaea méthanogène acétoclaste n`a été retrouvée dans la filière, malgré la forte teneur en acétate mesurée dans le lisier. Pour les eubactéries, les profils SSCP obtenus reflètent une forte diversité bactérienne où 9 phylotypes dominants peuvent être caractérisés. Etant donné la complexité des profils obtenus, un découpage de ces profils a été réalisé en ciblant trois groupes bactériens a priori dominants tels que Clostridiacea, Bacillus-Streptococcus-Lactobacillus et Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides. L`identification des phylotypes majoritaires a été réalisée pour ces 3 groupes. La majorité des phylotypes identifiés sont proches de bactéries non cultivées. En recoupant les données, l`identification de 5 des 9 phylotypes bactériens dominants du lisier a été réalisée. La bactérie la plus représentée dans cet écosystème correspond à une bactérie non cultivée proche de Clostridium butyricum. Les quatre autres majoritaires sont proches de bactéries non cultivées appartenant au familles Prevotellaceae, Bacteroidaceae et Streptococcaceae

Volatile fatty acids analysis from pig slurry using high-performance liqui chromatography

International audienceA simple and sensitive liquid chromatography method designed to determine volatile fatty acids (VFA) content in pig slurry sample is proposed. The acids are isolated with a cation exchange column for carbohydrates using an isocratic phosphate eluant coupled with an ultraviolet detector in series. Centrifuged and filtered samples can be directly injected into the liquid chromatographic system. The accuracy of this new liquid chromatographic chain using spiked solutions ranging between 20 to 5000 mg L-1 of VFA standard solution varied from 87 % to 124 %. Precision of the new procedure, expressed as variability, was between 9.2 % and 0.6 % for concentration of spike solutions between 20 and 5000 mg L-1 respectively.On propose une méthode simple et sensible de chromatographie liquide conçue mise au point pour quantifier les acides gras volatils dans un échantillon de lisier de porc. Ces acides sont isolés avec une colonne échangeuse de cations pour des hydrates de carbone en utilisant un éluant composé d`acide phosphorique en mode isocratique. Cette chaîne chromatographie est équipée d`un détecteur ultra-violet en série. Les échantillons centrifugés et filtrés peuvent être directement injectés dans le système chromatographique liquide. L'exactitude et la précision de cette nouvelle méthode a été déterminées en utilisant les solutions étalons s'étendant entre 20 et 5000 mg L-1. L`exactitude varie entre 87 % et 127 % respectivement pour la gamme de solution testée. La précision, exprimée par la variabilité de cette procédure a été évalué a 9.2% et 0.6% pour les même solutions testées

Une chambre flottante pour mesurer les émissions de protoxyde d'azote issues du traitement des déjections animales

International audienceA floating rectangular polyvinyl chloride (PVC) open bottom chamber coupled with a molecular sieve trap was designed to measure the amounts of nitrous oxide gas (N20) emitted during aerobic treatment or storage of liquid animal slurries. A number of outdoor calibration trials, using water and a standard gas mixture, resulted in an average N20 recovery of 79 % (±8%). Further experiments carried out on a farm scale aerobic treatment unit confirmed the reliability an ease of use of the method.Une chambre flottante ouverte en PVC couplée avec un piège moléculaire a été mise au point afin de quantifier les émissions de protoxyde d'azote (N2O) au cours du traitement aérobie ou du stockage des déjections animales liquides. Une série de calibrations en conditions contrôlées ont permis d'établir un pourcentage de recouvrement de l'ordre de 79 % (± 8). Des essais sur des sites grandeurs réelles ont été menés afin de vérifier la facilité d'utilisation de ce dispositif méthodologique