10 énergies et ressources à partir des eaux usées grâce à 2 premières technologiques

02 septembre 2021

10 énergies et ressources à partir des eaux usées grâce à 2 premières technologiques

L’unité de dépollution des eaux usées de Lescar joue désormais un rôle clé pour la transition écologique et le dispositif local d’adaptation au changement climatique, à travers ce projet d’économie circulaire inédit et sans équivalent. Ce centre de production de 10 énergies et ressources locales issues des eaux usées, produites en circuit court, est possible grâce à 2 premières technologiques mondiales.

Une opération innovante

Une double rupture technologique pour un nouveau modèle pionnier de station de valorisation des eaux usées

Le projet comporte deux « premières technologiques mondiales » au service d’une installation à énergie positive et au bilan carbone inégalé :

  • L'Ultra-déshydratation par carbonisation hydrothermale des boues d’épuration, pour la méthanisation avancée des boues d’épuration : production accrue de biométhane (énergie verte, 100 % renouvelable et décarbonée), et d’une ressource matière supplémentaire, le biochar. Ce biochar est multivalorisable, soit en valorisation agronomique par retour à la terre (produit hygiénisé et sans polymère chimique, fixation du CO2 atmosphérique dans les sols, stabilisation des sols), soit par combustion pour la production d’énergie (son pouvoir calorifique étant proche de celui des ordures ménagères). L’agglomération anticipe ainsi toute évolution réglementaire potentielle rendant plus contraignante l’épandage des boues d’épuration des eaux usées. Cette nouvelle technologie divise ainsi par 4 le volume de boues d’épuration en consommant 3 à 4 fois moins d’énergie qu’un sécheur thermique conventionnel, tout en évitant les nuisances potentielles associées au séchage.
  • La méthanation catalytique de 100 % du CO2 émis, pour décarboner l’installation : transformation de la totalité du CO2 en méthane de synthèse, qui a les mêmes caractéristiques chimiques que le biométhane. Pour cela, le gaz carbonique CO2 (gaz à effet de serre, et sous-produit de la méthanisation habituellement rejeté à l’atmosphère) est combiné avec de l’hydrogène vert produit in situ par de l’électricité photovoltaïque (électrolyse de l’eau). Cette 2ème rupture technologique majeure a un double avantage : un bilan carbone inégalé, et la production supplémentaire de méthane vert.

Une unité de dépollution à énergie positive

L’unité de dépollution des eaux usées de Lescar produira plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Pour cela, tous les leviers de l’efficacité énergétique sont utilisés :

  • La production d’énergies vertes, renouvelables et décarbonées : la méthanisation transforme une partie des boues d’épuration en biométhane, qui sera injecté au réseau de gaz local GrDF ; les technologies innovantes de carbonisation et de méthanation permettent d’augmenter significativement les quantités de biométhane par rapport aux technologies classiques (méthanisation, hydrolyse thermique…) : ainsi, le méthane total injecté au réseau sera à terme de 13 000 MWh/an, soit l’énergie équivalente au chauffage de 1 200 foyers. De plus, le site disposera de chaleur excédentaire, valorisable en tant qu’externalité positive, par exemple sur des cultures maraichères proches ou un ferme d’aquaponie.
  • Le choix des technologies les moins énergivores : l’Ultra-déshydratation par carbonisation hydrothermale produit, en complément du biométhane, un biochar d’une siccité proche de 70 %, avec une consommation énergétique 3 à 4 fois moindre que les technologies de séchage habituellement utilisées. Elle permet également d’éviter les autres risques liés au séchage des boues, comme la production de poussières, les zones Atex (atmosphère explosive) ou l’auto-échauffement.
  • La récupération des énergies fatales du site pour la mise en œuvre de boucles énergétiques vertueuses : par exemple, la réaction de méthanation catalytique est exothermique, ce qui permet la valorisation des calories pour alimenter d’autres briques de process. De la même façon, la chaleur récupérée sur la carbonisation et sur l’électrolyseur permet le chauffage du méthaniseur et la valorisation de l’azote.

La méthanation est un processus qui consiste à convertir du monoxyde de carbone (CO) ou du dioxyde de carbone (CO2, gaz à effet de serre) en méthane de synthèse (et en eau), en les combinant avec de l’hydrogène (H2). Pour le projet de l’Agglomération de Pau, la technologie retenue est la méthanation catalytique.

Le CO2 émis par la méthanisation est dans un premier temps purifié par une unité de polishing afin de réduire tous les éléments impactant la réaction de méthanation : les métaux lourds, l’H2S, l’eau et l’oxygène.

L’hydrogène vert, lui, est produit par une unité d’électrolyse de l’eau alimentée par de l’électricité photovoltaïque et de l’électricité d’origine renouvelable. Cette réaction d’électrolyse produit de l’hydrogène vert, mais aussi de l’oxygène et de l’énergie thermique qui sont valorisés dans le procédé de traitement de l’eau.

Ensuite le CO2 et l’H2 sont combinés dans l’unité de méthanation. La méthanation catalytique requiert des catalyseurs tels que le nickel pour amorcer la réaction. La réaction ne peut s’initier qu’à des températures très élevées (250-400 °C) et à une pression allant jusqu’à 100 bars. La majorité de cette énergie thermique est cependant récupérée et recyclée pour les usages de l’unité de dépollution des eaux usées. 

Inspiré du procédé naturel de transformation de la matière organique en charbon, la carbonisation hydrothermale (abréviation en anglais : HTC) est un conditionnement thermique (haute pression/température) des boues d’épuration digérées, grâce à la vapeur d’eau récupérée sur l’unité de valorisation des ordures ménagères située à proximité du site. Elle procède non seulement à la lyse des macromolécules de la matière organique (ex : carbohydrates) mais également à la réorganisation des molécules, elle va plus loin dans la réaction qu’une simple hydrolyse thermique classique. Par conséquent, le pouvoir calorifique de la matière est accru grâce à la concentration des atomes de carbone, ainsi que l’hydrophobicité de la matière (une grande part de l’eau liée de la boue devient alors de l’eau libre).

L’hydrophobicité de la matière, combinée au couplage avec une presse à piston à l’aval pour la séparation liquide/solide permet d’obtenir un biochar à haute siccité, doté d’un pouvoir calorifique proche de celui des ordures ménagères, et sans polymère chimique : on parle d’ « Ultra-déshydratation ». Le biochar, nouvelle ressource matière, est obtenu sans les inconvénients du séchage classique des boues (procédé énergivore, risques d’odeurs, contraintes sur la sécurité) ; ce biochar est multivalorisable, soit en retour au sol (compostage ou épandage : structuration des sols, capture de CO2 atmosphérique), soit en valorisation énergétique (en UVE ou cimenterie).

De plus, la réaction thermique permet la solubilisation d’une partie significative du carbone contenu dans les boues, partie qui est récupérée dans les filtrats. Ces derniers sont renvoyés en digestion afin d’en exprimer leur fort pouvoir méthanogène, donc d’augmenter sensiblement la production de biométhane.

L’économie circulaire locale, par la production de 10 énergies et ressources issues des eaux usées

En plus du biométhane, du méthane de synthèse, de l’électricité verte, de la chaleur et du biochar, le site valorisera d’autres ressources, dans une démarche forte d’économie circulaire en boucle courte :

  • L’azote (engrais pour les cultures) : les résidus liquides de la biométhanisation sont chargés en azote, composé qu’il faut éliminer avant traitement par l’unité de dépollution. Plutôt qu’un traitement coûteux, l’azote est extrait par stripping grâce à la chaleur verte récupérée sur le site. Le produit obtenu est une solution ammoniacale valorisable localement en engrais agricole : avec 320 m3 de sulfate d’ammonium, ce sont 570 ha de cultures de maïs qui peuvent être fertilisées annuellement.
  • L’oxygène : l’électrolyse de l’eau produit également de l’oxygène, qui sera recyclé sur la station d’épuration pour aérer les bassins biologiques.
  • L’eau réutilisée : certains espaces verts du site sont irrigués par de l’eau réutilisée cette unité de démonstration illustrera, à travers le circuit pédagogique (bosquet-école…) la démarche d’économie circulaire en boucle courte qui a guide l’ensemble du projet.
  • L’hydrogène vert : la capacité de production de l’électrolyseur permettra l’évolutivité du site pour valoriser l’hydrogène vert excédentaires pour d’autres usages que la méthanation (mobilités douces…).

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C'est en millions d'euros le montant total HT de l'opération, laquelle doit bénéficier de subventions accordées par l'Agence de l'Eau, la Région Nouvelle-Aquitaine, l'ADEME et l'Europe à travers le FEDER.

Un projet de territoire, en synergies fortes avec Cap Ecologia

L’unité de dépollution des eaux usées est en totale symbiose avec son écrin Cap Ecologia, avec des synergies fortes avec les autres installations environnementales du site :

  • L’unité de valorisation des ordures ménagères de ValorBéarn, et le réseau de chaleur urbain : le procédé de carbonisation est alimenté par la vapeur d’eau fournie par l’UVE ; dans l’autre sens, le biochar pourra être valorisé énergétiquement en énergie par l’UVE.
  • La centrale photovoltaïque : alimentation de l’électrolyseur en électricité verte.
  • Les potentielles cultures maraichères et/ou ferme d’aquaponie, qui pourront valoriser l’eau traitée et la chaleur excédentaire.

Ce projet bénéficiera à l’emploi local. Le chantier créera plusieurs emplois, principalement dédiés aux entreprises locales, notamment pour les travaux de génie civil. A l’issue du chantier, l’exploitation des nouvelles installations nécessitera la création de 3 emplois directs supplémentaires, pérennes et non-délocalisables (plus les emplois indirects potentiels liés aux externalités positives). Une démarche d’insertion sera menée, en partenariat avec les acteurs locaux, pour une insertion durable et un retour pérenne à l’emploi : 2 220 heures réservées pour le chantier, programme « 100 chances, 100 emplois »…

Enfin, afin de renforcer un projet de territoire au bénéfice des acteurs économiques locaux (restaurateurs, industriels…), l’unité de dépollution d’eaux usées de Lescar intègre un débouché ultra-compétitif pour l’accueil de leurs graisses à traiter, via la méthanisation. Le trafic de camions diminuera par rapport à la situation actuelle, car les camions d’amenée de graisses seront plus que compensés par la réduction du transport des boues.

Une dimension architecturale

Le projet s’insérant dans un environnement très industriel, le Cabinet Camborde Architecte a souhaité maintenir un ensemble cohérent qui dialogue naturellement avec son entourage. Une attention particulière a été apportée à l’implantation des nouveaux ouvrages, avec le choix de regrouper au maximum tous les nouveaux équipements sur la zone centrale, autour des bâtiments existants.