L'électrométhanogenèse est-elle la solution pour exploiter le potentiel énergétique des digestats issus des unités de méthanisation ? C'est à cette question d'une grande actualité qu'une étude a récemment répondu par l'affirmative… tout en précisant que l'amélioration des rendements dépendait de facteurs fortement interconnectés.

En appliquant un courant électrique dans un réacteur de méthanisation anaérobie, il est possible de favoriser l’activité des micro-organismes et donc de stimuler la production de méthane (figure 1). Mais, dans quelles conditions ce procédé, appelé électrométhanogenèse, permet-il d'améliorer la production de biométhane à partir des résidus de méthanisation ?

La question du moment

L'intérêt de cette question s'accroît avec les volumes de digestats générés par une filière de méthanisation désormais mature. Représentant 90 % de la masse d'intrants, les volumes de ces résidus devraient atteindre 120 millions de tonnes chaque année en 2030. Au regard de cette trajectoire, il paraît urgent de développer d'autres pistes de valorisation que l'unique épandage, comme fertilisant naturel riche en azote, phosphore et potassium. Une des premières pistes à explorer est, évidemment, l'exploitation du potentiel énergétique des digestats grâce à l'électrométhanogenèse.

Les conditions de l'expérience

Pour l'étude menée en partenariat avec le laboratoire ENGIE Lab Crigen, les chercheurs ont équipé d'électrodes (une bio-anode et une bio électrode) 9 digesteurs anaérobie (réacteurs de méthanisation). 3 réacteurs dits de contrôle ont été dotés d'électrodes non connectées.

Trois types de digestats provenant de différents méthaniseurs agricoles en France ont été utilisés de manière à diversifier les populations microbiennes de départ (figure2).

L'expérience s'est déroulée en deux phases (figure 3):

• une phase de lancement des réacteurs où chaque digestat a été inoculé dans 3 digesteurs afin de permettre l'installation d'un biofilm sur les électrodes. Pendant 9 cycles de 7 jours une tension de 0,7V a été appliquée. Cette phase a permis d'étudier les performances relatives des différents digestats.
• une phase d'alimentation des réacteurs par un seul des trois digestats. Pendant cette phase comptant 13 cycles de 7 jours, des tensions différentes tensions ont été appliquées : décroissante par palier d'une heure et sur trois niveaux (0,3V, 0,4V et 0,7V). Cette phase a permis d'établir dans quelle mesure la nature du biofilm qui s'était formé sur les électrodes influençait les performances de l'électrométhanogenèse.

Un potentiel confirmé

L'analyse des effets de ces différentes stimulations électriques sur l'activité microbienne des différentes qualités de digestat a permis de définir des conditions d'optimisation de l'électrométhanogenèse.

Premier enseignement : l'étude confirme la possibilité d'augmenter le potentiel de production de biométhane à partir de digestats grâce à l'électrométhanogenèse. Dans certaines conditions (sur un digestat particulier et une tension optimale de 0,3V), le rendement par rapport aux réacteurs de contrôle, a pu être amélioré de 77 %.

Deuxième enseignement : l'application d'un trop fort courant semble inhiber la croissance des populations microbiennes, avec un effet négatif sur le rendement global de 30 à 40 %.

Troisième enseignement : l'impact de la tension sur l'efficacité de la réaction chimique semble très dépendant de la qualité des digestats utilisés. Les rendements relativement meilleurs sur l'un des trois digestats s'expliquent par la composition de ce dernier, plus riche en Clostridia, une bactérie impliquée dans l’hydrolyse et la fermentation.

D'autres études à mener

Au-delà de ces résultats bruts, l'étude met en lumière la forte interconnexion entre les paramètres. En conséquence, la performance d'un réacteur d'électrométhanogenèse ne peut être appréhendée à travers l'analyse d'un seul de ces paramètres.

Par ailleurs, d'autres études doivent être menées pour explorer quelques aspects essentiels pour le développement de la solution : la réaction des biofilms à l'application d'une tension, le fonctionnement à long terme des réacteurs en mode continu (en non en batch comme dans l'expérience) ou l'analyse des impacts de certaines perturbations (pH, gestion des flux organiques, etc.).

Ces travaux permettraient de faire progresser la maturité technologique des réacteurs outillés pour l'électrométhanogenèse et de commencer à estimer les coûts de leur développement à l'échelle industrielle.

Figure 1 : procédé l'électrométhanogénèse à une chambre 

Figure 2 : composition des 3 digestats A, B, C

Figure 3 : chronologie de l'expérience par type de réacteur