La quantité de biogaz produite par un méthaniseur dépend étroitement de deux facteurs majeurs : la nature du substrat (herbe, lisier, fumier, maïs, déchets alimentaires…) et la durée de digestion. Chaque matériau possède sa propre cinétique de dégradation, son propre potentiel méthanogène et un temps de séjour optimal au-delà duquel la production marginale devient négligeable.
Les facteurs qui déterminent le rendement
Le rendement en biogaz s’exprime en mètres cubes de biogaz par kilogramme de matières volatiles (m³/kg SV). Les matières volatiles représentent la fraction organique biodégradable du substrat. Trois caractéristiques du substrat influencent la production :
- La biodégradabilité : les sucres et les protéines sont rapidement dégradés, tandis que la lignine et la cellulose résistent à la méthanisation.
- Le rapport C/N : un ratio carbone/azote optimal se situe entre 20 et 30. Les lisiers (C/N ≈ 8–12) sont trop riches en azote ; les pailles (C/N ≈ 80–100) trop riches en carbone.
- La teneur en matières sèches : un substrat trop liquide dilue les bactéries, un substrat trop sec limite le transfert de masse.
Courbes de production cumulée
Le graphique ci-dessous présente la production cumulée de biogaz (en m³/kg de matières volatiles) en fonction du nombre de jours de digestion, pour six substrats représentatifs :
Analyse des courbes
Les courbes suivent toutes une trajectoire similaire : une phase de démarrage rapide (hydrolyse + acidogenèse), une phase de production intense, puis un plateau qui indique que la matière organique facilement biodégradable a été consommée. Cependant, la pente initiale et le niveau du plateau varient considérablement d’un substrat à l’autre.
Les substrats à cinétique rapide
Les déchets alimentaires atteignent leur plateau dès 20–25 jours avec un rendement exceptionnel de 0,75 m³/kg SV. Leur richesse en glucides simples et en lipides en fait le substrat le plus productif. Le maïs ensilage suit de près, avec un plateau vers 30 jours à 0,70 m³/kg SV, grâce à sa teneur élevée en amidon facilement fermentescible. L’herbe fraîche atteint son plateau vers 25–30 jours à 0,65 m³/kg SV.
Les substrats à cinétique modérée
Le foin et le lisier de porc présentent une production plus progressive. Le foin, bien que riche en cellulose, nécessite une hydrolyse plus longue et n’atteint son plateau qu’après 35–40 jours, autour de 0,50 m³/kg SV. Le lisier de porc, déjà partiellement dégradé dans le tube digestif de l’animal, plafonne vers 0,45 m³/kg SV en 30 à 40 jours.
Les substrats à cinétique lente
Le fumier de bovin est le substrat le moins productif : sa matière organique a déjà subi une digestion dans le rumen, et sa structure fibreuse (lignine, cellulose) en ralentit la dégradation. Il n’atteint son plateau qu’après 40–50 jours, à seulement 0,26 m³/kg SV. La production est lente et régulière, sans pic de démarrage marqué.
Tableau récapitulatif des rendements
| Substrat | Rendement (m³/kg SV) | Temps de séjour (j) | Cinétique | CH₄ dans le biogaz (%) | Biogaz (Nm³/t brut) |
|---|---|---|---|---|---|
| Déchets alimentaires | 0,55–0,75 | 10–20 | Très rapide | 75–85 | 60–70 |
| Maïs ensilage | 0,60–0,72 | 20–35 | Rapide | 70–80 | 55–65 |
| Herbe fraîche | 0,50–0,68 | 20–30 | Rapide | 65–75 | 50–60 |
| Foin | 0,40–0,55 | 25–40 | Modéré | 55–65 | 45–55 |
| Lisier de porc | 0,35–0,50 | 25–40 | Modéré | 60–70 | 45–55 |
| Lisier de bovin | 0,25–0,40 | 30–45 | Modéré | 55–65 | 40–50 |
| Fumier de bovin | 0,20–0,30 | 35–55 | Lent | 50–60 | 35–45 |
| Paille de céréales | 0,25–0,40 | 35–50 | Lent | 50–60 | 40–50 |
SV = matières volatiles (substances organiques). Nm³ = normo-mètre cube (volume à 0 °C et 1 013 hPa).
Le temps de séjour : un compromis économique
Le temps de séjour hydraulique (TSH) correspond à la durée pendant laquelle le substrat reste dans le digesteur. Plus le TSH est long, plus la matière organique est dégradée, mais la production marginale diminue rapidement après le plateau. Le choix du TSH résulte d’un compromis :
- TSH court (15–25 jours) : convient aux substrats à cinétique rapide (déchets alimentaires, maïs). Le digesteur peut traiter plus de volume mais la dégradation n’est pas complète.
- TSH moyen (30–40 jours) : compromis optimal pour la plupart des méthaniseurs agricoles en codigestion. Couvre le plateau de production de la majorité des substrats.
- TSH long (45–60 jours) : nécessaire pour les substrats fibreux (fumier, paille). Le volume utile du digesteur est plus important pour un même débit d’entrée.
L’intérêt de la codigestion
La codigestion consiste à mélanger plusieurs substrats dans le même digesteur. Elle permet d’optimiser la production de plusieurs manières :
- Équilibrer le rapport C/N : en mélangeant un substrat riche en azote (lisier) avec un substrat riche en carbone (maïs, paille), on se rapproche du ratio optimal de 20–30.
- Compléter les cinétiques : un mélange de déchets alimentaires (cinétique rapide) et de fumier (cinétique lente) assure une production plus régulière dans le temps.
- Diluer les inhibiteurs : certains substrats (lisier de volaille) contiennent des concentrations d’azote ammoniacal qui inhibent les archées méthanogènes ; la codigestion les dilue sous le seuil de toxicité.
- Améliorer la biodisponibilité : le lisier apporte des nutriments et des bactéries qui stimulent la dégradation des substrats plus récalcitrants.
Conclusion
Le rendement d’un méthaniseur ne dépend pas uniquement de la quantité de substrat entrant, mais de l’adéquation entre la nature du substrat, sa cinétique de dégradation et le temps de séjour choisi. Les substrats riches en glucides simples (déchets alimentaires, maïs) produisent vite et beaucoup, tandis que les substrats fibreux (fumier, paille) produisent lentement et moins. La codigestion permet de combiner ces profils complémentaires pour stabiliser et maximiser la production de biogaz sur la durée.