Les États-Unis produisent plus de 70 millions de tonnes de déchets organiques chaque année. Alors que la réduction des sources et l’alimentation des affamés sont des priorités nécessaires pour réduire le gaspillage alimentaire inutile, les déchets organiques sont nombreux et s’étendent aux sources non comestibles, y compris le fumier d’élevage, les déchets agricoles, les eaux usées et les déchets alimentaires non comestibles. Lorsque ces déchets sont mal gérés, ils posent un risque important pour l’environnement et la santé publique. Les agents pathogènes, les produits chimiques, les antibiotiques et les nutriments présents dans les déchets peuvent contaminer les eaux de surface et souterraines par ruissellement ou par lixiviation dans les sols. L’excès de nutriments provoque des proliférations d’algues, nuit à la faune et infecte l’eau potable. L’eau potable avec des niveaux élevés de nitrates est liée à l’hyperthyroïdie et au syndrome du bébé bleu. Les services publics municipaux traitent l’eau potable pour éliminer les nitrates, mais cela coûte cher.

Les déchets organiques génèrent également de grandes quantités de méthane à mesure qu’ils se décomposent. Le méthane est un puissant gaz à effet de serre qui emprisonne la chaleur dans l’atmosphère plus efficacement que le dioxyde de carbone. Avec des quantités égales de méthane et de dioxyde de carbone, le méthane absorbera 86 fois plus de chaleur en 20 ans que le dioxyde de carbone. Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et le risque de pollution des cours d’eau, les déchets organiques peuvent être éliminés et utilisés pour produire du biogaz, une source d’énergie renouvelable. Lors du déplacement des combustibles fossiles, le biogaz crée de nouvelles réductions d’émissions, entraînant parfois des systèmes négatifs en carbone. Malgré les nombreux avantages potentiels de l’utilisation des déchets organiques, notamment la protection de l’environnement, les investissements et la création d’emplois, les États-Unis ne disposent actuellement que de 2 200 systèmes de biogaz en exploitation, ce qui représente moins de 20% du potentiel total.

Introduction

Qu’est-ce que le biogaz ?

Le biogaz est produit après que des matières organiques (produits végétaux et animaux) sont décomposées par des bactéries dans un environnement sans oxygène, un processus appelé digestion anaérobie. Les systèmes de biogaz utilisent la digestion anaérobie pour recycler ces matières organiques, les transformant en biogaz, qui contient à la fois de l’énergie (gaz) et des produits du sol précieux (liquides et solides).

Figure 1: Processus de digestion anaérobie (Graphique de Sara Tanigawa, EESI).

La digestion anaérobie se produit déjà dans la nature, les décharges et certains systèmes de gestion du fumier d’élevage, mais elle peut être optimisée, contrôlée et contenue à l’aide d’un digesteur anaérobie. Le biogaz contient environ 50 à 70% de méthane, 30 à 40% de dioxyde de carbone et des traces d’autres gaz. Le matériau digéré liquide et solide, appelé digestat, est fréquemment utilisé comme amendement du sol.

Figure 2: Systèmes de biogaz opérationnels aux États-Unis continentaux (Avec la permission de l’American Biogas Council)

Certains déchets organiques sont plus difficiles à décomposer dans un digesteur que d’autres. Les déchets alimentaires, les graisses, les huiles et les graisses sont les déchets organiques les plus faciles à décomposer, tandis que les déchets d’élevage ont tendance à être les plus difficiles. Le mélange de plusieurs déchets dans le même digesteur, appelé co-digestion, peut aider à augmenter les rendements en biogaz. Des digesteurs plus chauds, généralement conservés entre 30 et 38 degrés Celsius (86-100 degrés Fahrenheit), peuvent également aider les déchets à se décomposer plus rapidement.

Une fois le biogaz capté, il peut produire de la chaleur et de l’électricité pour les moteurs, les microturbines et les piles à combustible. Le biogaz peut également être transformé en biométhane, également appelé gaz naturel renouvelable ou GNR, et injecté dans des gazoducs ou utilisé comme carburant pour véhicules.

Les États-Unis ont actuellement 2 200 systèmes de biogaz en exploitation dans les 50 États, et ont le potentiel d’ajouter plus de 13 500 nouveaux systèmes.

Les avantages du biogaz

Le biogaz stocké peut fournir une source d’énergie de base propre, renouvelable et fiable à la place du charbon ou du gaz naturel. La puissance de charge de base est constamment produite pour répondre aux exigences de puissance minimales; l’énergie de base renouvelable peut compléter des énergies renouvelables plus intermittentes. Comme le gaz naturel, le biogaz peut également être utilisé comme source de puissance de pointe qui peut être rapidement augmentée. L’utilisation de biogaz stocké limite la quantité de méthane libérée dans l’atmosphère et réduit la dépendance aux combustibles fossiles. La réduction des émissions de méthane résultant de l’exploitation de tout le biogaz potentiel aux États-Unis serait égale aux émissions annuelles de 800 000 à 11 millions de véhicules de tourisme. Selon une évaluation des déchets jusqu’aux roues, le gaz naturel comprimé dérivé du biogaz réduit les émissions de gaz à effet de serre jusqu’à 91% par rapport à l’essence de pétrole.

La ville de New York dépense environ 400 millions de dollars chaque année pour transporter 14 millions de tonnes de déchets vers des incinérateurs et des décharges. Le détournement de ces déchets vers la digestion anaérobie transformerait un coût en opportunité, générant des revenus provenant de la production d’énergie et des coproduits.

Source: New York Times, 2 juin 2017

En plus des avantages climatiques, la digestion anaérobie peut réduire les coûts associés à l’assainissement des déchets et profiter aux économies locales. La construction des 13 500 systèmes de biogaz potentiels aux États-Unis pourrait ajouter plus de 335 000 emplois temporaires dans la construction et 23 000 emplois permanents. La digestion anaérobie réduit également les odeurs, les agents pathogènes et le risque de pollution de l’eau par les déchets d’élevage. Le digestat, le matériau restant après le processus de digestion, peut être utilisé ou vendu comme engrais, réduisant ainsi le besoin d’engrais chimiques. Le digestat peut également fournir des revenus supplémentaires lorsqu’il est vendu comme litière pour le bétail ou comme amendements au sol.

Matières premières de biogaz

Déchets alimentaires

Environ 30 % de l’approvisionnement alimentaire mondial est perdu ou gaspillé chaque année. Rien qu’en 2010, les États-Unis ont produit environ 133 milliards de livres (66,5 millions de tonnes) de déchets alimentaires, principalement provenant des secteurs de l’alimentation résidentielle et commerciale. Pour lutter contre ce gaspillage, la hiérarchie de la récupération des aliments de l’EPA privilégie d’abord la réduction des sources, puis l’utilisation de nourriture supplémentaire pour lutter contre la faim; l’alimentation animale ou la production d’énergie sont une priorité moindre. La nourriture devrait être envoyée aux décharges en dernier recours. Malheureusement, les déchets alimentaires représentent 21% des décharges américaines, et seulement 5% des déchets alimentaires sont recyclés en améliorant les sols ou en engrais. La plupart de ces déchets sont envoyés dans des décharges, où ils produisent du méthane lorsqu’ils se décomposent. Bien que les sites d’enfouissement puissent capter le biogaz qui en résulte, l’enfouissement des déchets organiques ne permet pas de recycler les éléments nutritifs de la matière organique source. En 2015, l’EPA et l’USDA se sont fixé pour objectif de réduire de 50% la quantité de déchets alimentaires envoyés dans les décharges d’ici 2030. Mais même si cet objectif est atteint, il y aura un excès de nourriture qui devra être recyclé. Le potentiel énergétique est important. À titre d’exemple, avec 100 tonnes de déchets alimentaires par jour, la digestion anaérobie peut générer suffisamment d’énergie pour alimenter 800 à 1 400 foyers chaque année. La graisse, l’huile et la graisse collectées dans l’industrie de la restauration peuvent également être ajoutées à un digesteur anaérobie pour augmenter la production de biogaz.

Gaz d’enfouissement

Les décharges sont la troisième source d’émissions de méthane d’origine humaine aux États-Unis. Les décharges contiennent les mêmes bactéries anaérobies présentes dans un digesteur qui décomposent les matières organiques pour produire du biogaz, en l’occurrence du gaz de décharge (LFG). Au lieu de permettre au LFG de s’échapper dans l’atmosphère, il peut être collecté et utilisé comme énergie. Actuellement, les projets de LFG aux États-Unis génèrent environ 17 milliards de kilowattheures d’électricité et fournissent 98 milliards de pieds cubes de LFG aux gazoducs ou directement aux utilisateurs finaux chaque année. À titre de référence, la maison américaine moyenne en 2015 utilisait environ 10 812 kilowattheures d’électricité par an.

Déchets d’élevage

Figure 3: Nombre actuel de systèmes de biogaz opérationnels et potentiels aux États-Unis par matière première. EPA

Une vache laitière de 1 000 livres produit en moyenne 80 livres de fumier par jour. Ce fumier est souvent stocké dans des réservoirs de rétention avant d’être épandu dans les champs. Non seulement le fumier produit du méthane à mesure qu’il se décompose, mais il peut contribuer à l’excès de nutriments dans les cours d’eau. En 2015, la gestion du fumier d’élevage a contribué à environ 10% de toutes les émissions de méthane aux États-Unis, mais seulement 3% des déchets d’élevage sont recyclés par des digesteurs anaérobies. Lorsque le fumier d’élevage est utilisé pour produire du biogaz, la digestion anaérobie peut réduire les émissions de gaz à effet de serre, réduire les odeurs et réduire jusqu’à 99% des agents pathogènes du fumier. L’EPA estime qu’il existe un potentiel pour 8 241 systèmes de biogaz pour le bétail, qui pourraient ensemble générer plus de 13 millions de mégawatts-heures d’énergie chaque année.

Traitement des eaux usées

De nombreuses stations d’épuration disposent déjà de digesteurs anaérobies sur site pour traiter les boues d’épuration, les solides séparés pendant le processus de traitement. Cependant, de nombreuses stations d’épuration n’ont pas l’équipement nécessaire pour utiliser le biogaz qu’elles produisent et le brûlent à la place. Sur les 1 269 stations d’épuration utilisant un digesteur anaérobie, seules 860 environ utilisent leur biogaz. Si toutes les installations qui utilisent actuellement la digestion anaérobie – traitant plus de 5 millions de gallons chaque jour – installaient une installation de récupération d’énergie, les États—Unis pourraient réduire les émissions annuelles de dioxyde de carbone de 2,3 millions de tonnes métriques – soit les émissions annuelles de 430 000 véhicules de tourisme.

Résidus de culture

Les résidus de culture peuvent inclure des tiges, de la paille et des parures de plantes. Certains résidus sont laissés sur le terrain pour retenir la teneur organique et l’humidité du sol et prévenir l’érosion. Cependant, les rendements plus élevés des cultures ont augmenté les quantités de résidus et l’élimination d’une partie de ceux-ci peut être durable. Les taux de récolte durables varient en fonction de la culture cultivée, du type de sol et des facteurs climatiques. En tenant compte des taux de récolte durables, le département américain de l’Énergie estime qu’il y a actuellement environ 104 millions de tonnes de résidus de cultures disponibles à un prix de 60 dollars la tonne sèche. Les résidus de culture sont généralement co-digérés avec d’autres déchets organiques car leur teneur élevée en lignine les rend difficiles à décomposer.

Utilisations finales du biogaz

Biogaz brut et digestat

Avec peu ou pas de traitement, le biogaz peut être brûlé sur place pour chauffer les bâtiments et alimenter les chaudières ou même le digesteur lui-même. Le biogaz peut être utilisé pour des opérations de cogénération, ou le biogaz peut simplement être transformé en électricité à l’aide d’un moteur à combustion, d’une pile à combustible ou d’une turbine à gaz, l’électricité résultante étant utilisée sur place ou vendue sur le réseau électrique.

Le digestat est le matériau solide ou liquide riche en nutriments restant après le processus de digestion; il contient tous les nutriments recyclés qui étaient présents dans la matière organique d’origine, mais sous une forme plus facilement disponible pour les plantes et la construction du sol. La composition et la teneur en nutriments du digestat dépendront de la matière première ajoutée au digesteur. Le digestat liquide peut être facilement appliqué par pulvérisation sur les fermes comme engrais, réduisant ainsi le besoin d’acheter des engrais synthétiques. Le digestat solide peut être utilisé comme litière pour le bétail ou composté avec un traitement minimal. Récemment, l’industrie du biogaz a pris des mesures pour créer un programme de certification des digestats, afin d’assurer la sécurité et le contrôle de la qualité du digestat.

Avec les systèmes de biogaz, les laiteries, les fermes et l’industrie peuvent réduire leurs coûts d’exploitation en utilisant leurs propres déchets organiques pour alimenter leurs équipements et leurs bâtiments. Fair Oaks Dairy en Indiana produit chaque jour 1,2 million de pieds cubes de biogaz avec du fumier provenant de 9 000 vaches laitières. Une partie du biogaz est transformée en GNC et utilisée pour alimenter des remorques livrant du lait aux usines de transformation de Fair Oaks, ce qui réduit leur utilisation de carburant diesel de 1,5 million de gallons par an.

Source: EPA.

Gaz naturel renouvelable

Le gaz naturel renouvelable (GNR), ou biométhane, est un biogaz qui a été raffiné pour éliminer le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau et d’autres gaz à l’état de traces afin qu’il réponde aux normes de l’industrie du gaz naturel. Le GNR peut être injecté dans le réseau de gaz naturel existant (y compris les pipelines) et utilisé de manière interchangeable avec le gaz naturel conventionnel. Le gaz naturel (conventionnel et renouvelable) fournit 26% de l’électricité américaine et 40% du gaz naturel est utilisé pour produire de l’électricité. Le reste du gaz naturel est utilisé à des fins commerciales (chauffage et cuisson) et industrielles. Le GNR pourrait remplacer jusqu’à 10 % du gaz naturel utilisé aux États-Unis.

Gaz Naturel comprimé et Gaz Naturel liquéfié

Comme le gaz naturel conventionnel, le GNR peut être utilisé comme carburant pour véhicules après sa conversion en gaz naturel comprimé (GNC) ou en gaz naturel liquéfié (GNL). L’économie de carburant des véhicules fonctionnant au GNC est comparable à celle des véhicules à essence conventionnels et peut être utilisée dans les véhicules légers à lourds. Le GNL n’est pas aussi largement utilisé que le GNC car il est coûteux à la fois à produire et à stocker, bien que sa densité plus élevée fasse du GNL un meilleur carburant pour les véhicules lourds qui parcourent de longues distances. Pour tirer le meilleur parti des investissements dans les infrastructures de ravitaillement, le GNC et le GNL sont les mieux adaptés aux véhicules de flotte qui retournent à une base pour faire le plein. Le Laboratoire national des énergies renouvelables estime que le GNR pourrait remplacer cinq pour cent du gaz naturel utilisé pour produire de l’électricité et 56 pour cent du gaz naturel utilisé pour produire du carburant pour véhicules.

Federal Policies Supporting the Biogas Industry

The Renewable Fuel Standard

Production of cellulosic biofuel (in gallons) by fuel type
	Ethanol	Renewable CNG	Renewable LNG
2015	2,181,096	81,490,266	58,368,879
2016	3,805,246	116,582,508	71,974,041
2017*	3,536,721	56,916,606	34,224,820
*À partir de juillet 2017

La Norme sur les carburants renouvelables (RFS) a été créée par le Congrès dans le cadre de la Loi sur la politique énergétique de 2005. Le RFS exige le mélange de carburants renouvelables dans l’approvisionnement en carburant de transport des États-Unis. Actuellement, environ 10% de l’approvisionnement en essence est assuré par du carburant renouvelable, principalement de l’éthanol. Le RFS définit les volumes de carburant pour une variété de catégories de carburant: diesel à base de biomasse, biocarburant avancé, biocarburant cellulosique et carburant renouvelable dans son ensemble. Chaque catégorie a une réduction minimale requise des gaz à effet de serre.

L’EPA a approuvé le biogaz comme matière première cellulosique admissible dans le cadre du RFS en 2014. Les biocarburants cellulosiques doivent consommer 60 % moins de gaz à effet de serre que l’essence. Actuellement, la plupart des volumes de carburant cellulosique sont atteints grâce à l’utilisation du GNR comme carburant pour véhicules. La conformité au RFS est suivie au moyen de numéros d’identification renouvelables (RIN) qui peuvent être échangés, et les RINS pour les biocarburants cellulosiques peuvent rapporter aux producteurs de GNR 40 $ / MMBtu (en septembre 2017). Selon les producteurs de biogaz, le RFS est devenu un moteur important d’investissement dans l’industrie.

Dans le cadre de l’approbation du biogaz, l’EPA a mis à jour le RFS pour permettre à l’électricité dérivée du biogaz utilisée comme carburant pour véhicules de bénéficier des RINS, ou « RINS électroniques. »Cependant, à partir de 2017, l’EPA n’a approuvé aucune demande de producteur de commencer à produire des RIN électroniques, bien que la production de biogaz dépasse déjà la demande actuelle d’électricité de transport.

Le Farm Bill

Les programmes sous le titre Énergie du Farm Bill (IX) ont été cruciaux pour la croissance de l’industrie du biogaz. Dans le cadre du Farm Bill de 2014, le Programme de bioénergie pour les biocarburants avancés de l’USDA fournit des paiements aux producteurs pour promouvoir la production de biocarburants avancés raffinés à partir de sources autres que l’amidon de maïs. Le programme reçoit actuellement un financement obligatoire de 15 millions de dollars par année et un financement discrétionnaire de 20 millions de dollars par année jusqu’en 2018.

Grâce à plus de 500 000 grants de subventions et de prêts REAP, Pennwood Farms a pu installer un digesteur anaérobie en 2011. La litière fabriquée à partir de digestat permet à la ferme d’économiser environ 60 000 $ par an en coûts de litière, et les déchets des 600 vaches laitières de la ferme produisent plus qu’assez d’électricité pour répondre aux besoins sur place.

Source: USDA

Le programme Rural Energy for America (REAP) fournit des subventions et des garanties de prêt aux producteurs agricoles et aux petites entreprises rurales pour promouvoir la production d’énergie renouvelable et l’amélioration de l’efficacité énergétique. Le programme dispose d’un financement obligatoire de 50 millions de dollars par année jusqu’en 2018 et de 100 millions de dollars disponibles sous forme de fonds discrétionnaires.

L’Initiative de Recherche et de développement sur la biomasse est un programme conjoint entre l’USDA et le DOE. Avec un financement obligatoire de 3 millions de dollars jusqu’à l’exercice 2017 et un financement discrétionnaire de 20 millions de dollars jusqu’à l’exercice 2018, le Conseil de recherche et de développement sur la biomasse accorde des subventions, des contrats et une aide financière à des projets qui stimulent la recherche et le développement de biocarburants et de produits biosourcés. Cependant, ces programmes ont constamment connu des réductions de financement dans le cadre du processus de crédits.

Autres programmes de l’Agence

AgSTAR est un programme conjoint entre l’EPA, l’USDA et le DOE. Le programme encourage l’utilisation de digesteurs anaérobies dans les fermes d’élevage afin de réduire les émissions de méthane provenant des déchets animaux. Le programme AgSTAR soutient la planification et la mise en œuvre de projets de digesteur anaérobie et comprend des partenaires étatiques et non gouvernementaux.

Le Programme de sensibilisation au méthane des décharges de l’EPA encourage l’industrie des déchets à récupérer et à utiliser le biogaz généré à partir de déchets organiques dans les décharges. LMOP forme des partenariats avec les communautés, les services publics, les propriétaires de sites d’enfouissement et d’autres parties prenantes pour fournir une assistance technique et rechercher du financement pour des projets de biogaz de sites d’enfouissement.

Conclusion

Les systèmes de biogaz transforment le coût de la gestion des déchets en une opportunité de revenus pour les fermes, les laiteries et les industries américaines. La conversion des déchets en électricité, en chaleur ou en carburant pour véhicules fournit une source d’énergie renouvelable qui peut réduire la dépendance aux importations de pétrole étranger, réduire les émissions de gaz à effet de serre, améliorer la qualité de l’environnement et augmenter les emplois locaux. Les systèmes de biogaz offrent également la possibilité de recycler les nutriments dans l’approvisionnement alimentaire, réduisant ainsi le besoin d’engrais pétrochimiques et minés.

Les systèmes de biogaz sont une solution de gestion des déchets qui résout de multiples problèmes et crée de multiples avantages, y compris des sources de revenus. Les États-Unis ont actuellement le potentiel d’ajouter 13 500 nouveaux systèmes de biogaz, fournissant plus de 335 000 emplois de construction et 23 000 emplois permanents. Cependant, pour atteindre son plein potentiel, l’industrie a besoin d’un soutien politique cohérent. Un financement fiable des programmes de titres énergétiques de Farm Bill et une norme solide sur les combustibles renouvelables encouragent les investissements et l’innovation dans l’industrie du biogaz. Si les États-Unis ont l’intention de diversifier leur approvisionnement en carburant et de prendre des mesures contre le changement climatique, ils devraient fortement considérer les nombreux avantages du biogaz.