Stockage et prétraitements des intrants avant
alimentation de digesteurs de méthanisation - Etat des
connaissances et recommandations

Association Record, S. Berger, I. Desneulin, F. Monlau, C. Peyrelasse, H.
Carrere

► To cite this version:

Association Record, S. Berger, I. Desneulin, F. Monlau, C. Peyrelasse, et al.. Stockage et prétraite-
ments des intrants avant alimentation de digesteurs de méthanisation - Etat des connaissances et
recommandations. n°20-0420/1A, RECORD. 2022, pp.151. hal-05072108

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Submitted on 26 May 2025

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# Stockage et prétraitements des intrants avant alimentation de digesteurs de méthanisation

## Etat des connaissances et recommandations

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# STOCKAGE ET PRETRAITEMENTS DES INTRANTS AVANT ALIMENTATION DE DIGESTEURS DE METHANISATION

## ETAT DES CONNAISSANCES ET RECOMMANDATIONS

RAPPORT FINAL

septembre 2022
Créée à l'initiative du Ministère en charge de l'Environnement, l'association RECORD est depuis 1989, le catalyseur d'une coopération entre industriels, institutionnels et chercheurs.

Acteur reconnu de la recherche appliquée dans le domaine des déchets, des sols pollués et de l'utilisation efficace des ressources, RECORD a comme objectif principal le financement et la réalisation d'études et de recherches dans une perspective d'économie circulaire.

Les membres de ce réseau (groupes industriels et institutionnels) définissent collégialement des programmes d'études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés.

### Avertissement :

Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents.

Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD.

* ✓ Pour toute reprise d'informations contenues dans ce document, l'utilisateur aura l'obligation de citer le rapport sous la référence :

**RECORD**, Stockage et prétraitements des intrants avant alimentation de digesteurs de méthanisation - Etat des connaissances et recommandations, 2022, 151 p, n°20-0420/1A

* ✓ Ces travaux ont reçu le soutien de l'ADEME (Agence de la transition écologique) www.ademe.fr

### Comité de suivi de l'étude :

Gérard ANTONINI - RECORD, Rémy BAYARD – INSA DE LYON/RECORD, Patricia CAMACHO - CIRCEE – SUEZ, Bénédicte COUFFIGNAL - RECORD, Patricia DIRRENBERGER - INRS, Farah DOUMIT – ENGIE, Boris EFREMENKO - VEOLIA, Arthur FENART – SECHE ENVIRONNEMENT, Loïc FRANCKE - TOTAL, Hélène GUY - GROUPE SECHE, Robert LASSARTESSES - RENAULT, Laurent LEVIN - RENAULT, Roman MOSCOVIZ - CIRCEE - SUEZ, Bastien PRAZ - GRDF, Marie-Laure – RABOT QUERCI - EIFER, Jacques WIART - ADEME

© RECORD, 2022
## RESUME

L'introduction des matières en digestion et l'obtention de l'expression maximale du potentiel méthanogène des intrants sont des questions essentielles pour la faisabilité technique et économique des projets de méthanisation, qu'ils soient agricoles, territoriaux ou industriels.

L'analyse bibliographique montre que de nombreuses technologies (mécaniques, physiques, biologiques, thermique) existent et sont mises sur le marché. L'enquête auprès des exploitants d'unités montre que les pré-traitements apportent des bénéfices au niveau des performances de la méthanisation mais également sur des aspects plus techniques (facilité de mélange, réduction des pannes), même si les coûts d'investissement et les charges (maintenance, électricité) peuvent limiter leur mise en œuvre. En outre, le potentiel de développement de la méthanisation à l'horizon 2030 reposant sur des intrants agricoles, des efforts de R&D sur ce type de ressources, ainsi que sur l'analyse élargie des impacts des procédés d'un point de vue environnemental, énergétique et sanitaire ont notamment été identifiés comme des leviers pour l'amélioration de la filière.

## MOTS CLES

Pré-traitement, méthanisation, stockage, broyage, sonication, cavitation, hydrolyse, biomasse agricole, boues urbaines, biodéchets, biogaz, potentiel méthanogène

---------------------------------

## SUMMARY

The introduction of resources into anaerobic digesters and the production of maximum of biogas are important technical and economic issues for biogas units, whether agricultural, territorial or industrial. The literature review shows that many technologies (mechanical, physical, biological, thermal) exist and are available on the market. The survey of plant operators shows that pre-treatment brings benefits in terms of anaerobic digestion performance but also on more technical aspects (ease of mixing, reduction of breakdowns), even if investment costs and charges (maintenance, electricity) may limit their implementation. In addition, the development potential of anaerobic digestion by 2030 based on agricultural inputs, R&D efforts on this type of resource, as well as a broader analysis of the environmental, energy and health impacts of the processes have been identified as leverages for improving the sector.

## KEY WORDS

Pre-treatment, anaerobic digestion, storage, shredding, sonication, cavitation, hydrolysis, agricultural biomass, urban sludge, biowaste, biogas, methanogenic potential
## Liste des acronymes et abréviations

ACV : Analyse du Cycle de Vie

AGV : Acides Gras Volatils

BMP : Potentiel méthanogène

CAPEX : Dépense d'investissement

CIMS : Cultures Intermédiaires Multi-Services

CIVE : Cultures Intermédiaires à Vocation Energétique

DCT : Déchets de Cuisine et de Table

ENH : Electrode Normale à Hydrogène

ETM : Éléments Traces Métalliques

FFOM : Fraction Fermentescible des Ordures Ménagères

GMS : Grandes et Moyennes Surfaces

HAP : Hydrocarbure Aromatique Polycyclique

IAA : Industrie Agro-Alimentaires

IM : Infiniment Mélangé

MVS : Matière Volatile en Suspension

MS : Matière Sèche

MSV : Matière Sèche Volatile

OPEX : Dépense d'exploitation

PCL : Polycaprolactone

PHA : Polyhydroxyalcanoate

PLA : Acide polylactique

SPAN : Sous-Produits Aimaux

STEP : STation d'EPuration ou STEU : Station de Traitement des Eaux Usées

TAC : Titre Alcalimétrique Complet

TPS : Amidon thermoplastifié
# SOMMAIRE

LISTE DES ACRONYMES ET ABRÉVIATIONS................................................................................................................4

LISTE DES TABLEAUX................................................................................................................................................................................7

LISTE DES FIGURES................................................................................................................................................................................8

INTRODUCTION................................................................................................................................................................................10

VOLET 1 : IDENTIFICATION DES GISEMENTS MOBILISABLES ET DES FACTEURS................................................................11

1.1. Hypothèses retenues pour la mobilisation des ressources................................................................................................11

1.2. Potentiel énergétique des gisements disponibles................................................................................................................13

1.2.1. Détermination des potentiels méthanogènes par catégories de gisements................................................................13

1.2.2. Synthèses des données de potentiels méthanogènes................................................................................................15

1.3. Les ressources mobilisées en 2020................................................................................................................................................................17

1.4. Le potentiel de mobilisation à l'horizon 2030................................................................................................................17

1.5. Les principaux facteurs limitant l'expression du potentiel méthanogène................................................................................................20

1.5.1. Considérations générales................................................................................................................................................................20

1.5.2. Déjections animales................................................................................................................................................................................25

1.5.3. Résidus agricoles et productions végétales................................................................................................................25

1.5.4. Déchets verts des collectivités................................................................................................................................................................26

1.5.5. Déchets et effluents des industries................................................................................................................................................................27

1.5.6. Boues et graisses de stations d'épuration des eaux usées................................................................................................28

1.5.7. Biodéchets................................................................................................................................................................................................................................28

1.5.8. Algues................................................................................................................................................................................................................................29

1.5.9. Synthèse des facteurs limitants et leviers d'actions................................................................................................................31

VOLET 2 : SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE DES TECHNOLOGIES DE STOCKAGE ET PRÉTRAITEMENTS DES INTRANTS EN MÉTHANISATION................................................................................................................................................................................37

2.1. Introduction................................................................................................................................................................................................................................................37

2.2. Les technologies de prétraitements et leur positionnement................................................................................................................37

2.3. Visualisation de l'état de l'art au niveau National et International................................................................................................................40

2.3.1. Niveau National................................................................................................................................................................................................................................................40

2.3.2. Niveau International................................................................................................................................................................................................................................................46

2.4. Application de solution de stockage et de prétraitements afin de conserver ou améliorer le pouvoir méthanogène................................................................................................................................................................................................................................................52

2.4.1. Déjections animales................................................................................................................................................................................................................................................53

2.4.2. Résidus agricoles et productions végétales................................................................................................................................................................................54

2.4.3. Boues de stations d'épuration................................................................................................................................................................................................................................................66

2.4.4. Graisses : Déchets graisseux et coproduits animaux................................................................................................................................................................................70

2.4.5. Biodéchets................................................................................................................................................................................................................................................................................................................71

2.4.6. Plastiques biodégradables................................................................................................................................................................................................................................................73

2.4.7. Algues................................................................................................................................................................................................................................................................................................................74

VOLET 3 : RETOURS D'EXPÉRIENCES TERRAIN SUR L'APPLICATION DE TECHNOLOGIES DE STOCKAGE ET PRÉTRAITEMENTS................................................................................................................................................................................................................................................77

3.1. Méthodologie mise en œuvre................................................................................................................................................................................................................................................77

3.2. Retours d'enquêtes terrain................................................................................................................................................................................................................................................79

3.2.1. Déjections animales................................................................................................................................................................................................................................................................................................................79

3.2.2. Résidus agricoles et productions végétales................................................................................................................................................................................................................................................79

3.2.3. Boues de stations d'épuration................................................................................................................................................................................................................................................85

3.2.4. Graisses................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................86

3.2.5. Biodéchets................................................................................................................................................................................................................................................................................................................86

3.2.6. Algues................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................87

3.3. Synthèse des entretiens d'acteurs................................................................................................................................................................................................................................................89

VOLET 4 : PERSPECTIVES R&D, FICHES PAR TECHNOLOGIES, FICHES PAR INTRANTS................................................................................................................92

4.1. Perspectives R&D sur les prétraitements en méthanisation................................................................................................................................................................................92

4.2. Fiches par technologies................................................................................................................................................................................................................................................................................................................94
<table><tr><td>4.3. Fiches par intrants</td><td>112</td></tr><tr><td>ANNEXE 1 : OUTIL BACUS DE SOLAGRO</td><td>117</td></tr><tr><td>ANNEXE 2 : RATIOS C/N DES PRINCIPAUX SUBSTRATS MÉTHANISÉS</td><td>119</td></tr><tr><td>ANNEXE 3 : PERFORMANCES DES PRÉTRAITEMENTS APPLIQUÉS À L'ÉCHELLE INDUSTRIELLE OU PILOTE/LABORATOIRE POUR LES MATIÈRES LIGNO-CELLULOSIQUES</td><td>120</td></tr><tr><td>ANNEXE 4 : PERFORMANCES DES PRÉTRAITEMENTS APPLIQUÉS À L'ÉCHELLE INDUSTRIELLE OU PILOTE/LABORATOIRE POUR LES BOUES DE STATIONS D'ÉPURATION</td><td>125</td></tr><tr><td>ANNEXE 5 : PERFORMANCES DES PRÉTRAITEMENTS APPLIQUÉS À L'ÉCHELLE PILOTE/LABORATOIRE SUR LES DÉCHETS GRAISSEUX ET COPRODUITS ANIMAUX</td><td>131</td></tr><tr><td>ANNEXE 6 : PERFORMANCES DES PRÉTRAITEMENTS APPLIQUÉS À L'ÉCHELLE INDUSTRIELLE ET PILOTE/LABORATOIRE SUR LES BIODÉCHETS</td><td>135</td></tr><tr><td>ANNEXE 7 : PERFORMANCES DES PRÉTRAITEMENTS APPLIQUÉS À L'ÉCHELLE INDUSTRIELLE ET PILOTE/LABORATOIRE SUR LES ALGUES</td><td>138</td></tr><tr><td>BIBLIOGRAPHIE</td><td>142</td></tr></table>
## Liste des tableaux

<table><tr><td>Tableau 1 : Ressources mobilisables retenues (RECORD, 2022)</td><td>11</td></tr><tr><td>Tableau 2 : Hypothèses agricoles (Compilation RECORD 2022) (Afterres 2050 https://afterres2050.solagro.org/decouvrir/scenario)</td><td>12</td></tr><tr><td>Tableau 3 : Hypothèses non agricoles (Compilation RECORD 2022) (Outil BACUS, Solagro)</td><td>12</td></tr><tr><td>Tableau 4 : Potentiels méthanogènes moyens considérés pour les gisements identifiés (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</td><td>16</td></tr><tr><td>Tableau 5 : Concentrations stimulatrices et inhibitrices pour la méthanisation, valeurs en mg/L (Compilation RECORD 2022)</td><td>23</td></tr><tr><td>Tableau 6 : Détail des thèses qui sont en cours dans les différents instituts (RECORD, 2022)</td><td>43</td></tr><tr><td>Tableau 7 : Détail des projets qui sont en cours dans les différents instituts (RECORD, 2022)</td><td>44</td></tr><tr><td>Tableau 8 : Caractéristiques des procédés de prétraitements mécaniques appliqués aux matières lignocellulosiques (non exhaustif) (Compilation RECORD 2022)</td><td>58</td></tr><tr><td>Tableau 9 : Caractéristiques des procédés commerciaux de cavitation et sonication (non exhaustif) (Compilation RECORD 2022)</td><td>60</td></tr><tr><td>Tableau 10 : Caractéristiques des procédés de prétraitements biologiques commerciaux (non exhaustif) (Compilation RECORD 2022)</td><td>63</td></tr><tr><td>Tableau 11 : Caractéristiques des procédés d'hydrolyse thermique commerciaux, (Compilation RECORD 2022) (adapté de Devos et al. 2020)</td><td>67</td></tr><tr><td>Tableau 12 : Caractéristiques des procédés d'hydrolyse thermique/biologique (Compilation RECORD 2022)</td><td>67</td></tr><tr><td>Tableau 13 : Caractéristiques des procédés commerciaux de sonication (Compilation RECORD 2022)</td><td>68</td></tr><tr><td>Tableau 14 : Caractéristiques des procédés d'homogénéisation hautes pressions commerciaux (Compilation RECORD 2022)</td><td>69</td></tr><tr><td>Tableau 15 : Caractéristiques des procédés de désintégration électrocinétique</td><td>69</td></tr><tr><td>Tableau 16 : Caractéristiques des procédés d'hydrolyse thermique/chimique commerciaux (Compilation RECORD 2022)</td><td>70</td></tr><tr><td>Tableau 17 : Données recueillies dans le cadre des enquêtes d'acteurs (Compilation RECORD 2022)</td><td>78</td></tr><tr><td>Tableau 18 : Synthèse des retours d'expérience sur les dispositifs de prétraitements suite aux entretiens d'acteurs (Compilation RECORD 2022)</td><td>89</td></tr></table>
## Liste des figures

<table><tr><td>Figure 1 : Les grands principes du scénario Afterres2050 (Solagro, 2016)</td><td>12</td></tr><tr><td>Figure 2 : Ratio MSV / MS (%) pour les différentes catégories de substrats (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</td><td>13</td></tr><tr><td>Figure 3 : Valeurs de BMP (Nm³/tonnes PB) pour les différentes catégories de substrats. Entre parenthèse le nombre de substrats utilisés pour chaque catégorie. (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</td><td>14</td></tr><tr><td>Figure 4 : Valeurs de BMP (Nm³/tonnes MSV) pour les différentes catégories de substrats. Entre parenthèse le nombre de substrats utilisés pour chaque catégorie. (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</td><td>15</td></tr><tr><td>Figure 5 : Répartition du tonnage entrant en méthanisation en 2020 sur la base des projets en injection identifiés par l'ADEME (Compilation RECORD 2022) (SOLAGRO issu ADEME 2021)</td><td>17</td></tr><tr><td>Figure 6 : Evolution du gisement prospectif méthanisable entre 2010 et 2030, en tonnes/an (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</td><td>18</td></tr><tr><td>Figure 7 : Evolution du gisement prospectif méthanisable entre 2010 et 2030, en TWh/an (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</td><td>18</td></tr><tr><td>Figure 8 : Répartition de ressources prospectives méthanisables à l'horizon 2030, en tonnes (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</td><td>19</td></tr><tr><td>Figure 9 : Répartition de ressources prospectives méthanisables à l'horizon 2030, en énergie (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</td><td>19</td></tr><tr><td>Figure 10 : Photo APESA, installation du GAEC Oudet</td><td>21</td></tr><tr><td>Figure 11 : Liste des paramètres utilisés pour la caractérisation des intrants et du digestat, suivi biologique (APESA, 2021)</td><td>21</td></tr><tr><td>Figure 12 : Ratios C/N des intrants de méthanisation. Entre parenthèse le nombre de substrats utilisés pour chaque catégorie. (Compilation RECORD 2022) (APESA 2021, IFIP 2018, Fisgativa et al., 2018a; Frigon et al., 2013; Milledge et al., 2019)</td><td>22</td></tr><tr><td>Figure 13 : Les technologies de prétraitements et de stockage par catégories (RECORD, 2022)</td><td>38</td></tr><tr><td>Figure 14 : Différentes configurations de couplage des procédés de prétraitements et de méthanisation Source : (Carrère et al., 2021)</td><td>39</td></tr><tr><td>Figure 15 : Laboratoires publics ou centre de recherche impliqués dans les thèses autour de la problématique stockage et prétraitement de la matière avant méthanisation (RECORD, 2022)</td><td>41</td></tr><tr><td>Figure 16 : Origine des gisements étudiés dans les thèses autour de la problématique stockage et prétraitement de la matière avant méthanisation (RECORD, 2022)</td><td>41</td></tr><tr><td>Figure 17 : Les projets autour du stockage et du prétraitement de la matière avant méthanisation par catégories de biomasses et gisements (RECORD, 2022)</td><td>45</td></tr><tr><td>Figure 18 : Les financeurs des projets R&amp;D (RECORD, 2022)</td><td>46</td></tr><tr><td>Figure 19 : Nombre de publications sur le sujet prétraitement et méthanisation publiées ces dernières années 2000-2021 (RECORD, 2022)</td><td>46</td></tr><tr><td>Figure 20 : Typologies d'ouvrages sur le sujet prétraitement et méthanisation publiés ces dernières années 2000-2021 (RECORD, 2022)</td><td>47</td></tr><tr><td>Figure 21 : Organisations publiant le plus sur le sujet prétraitement et méthanisation ces dernières années 2000-2021 (RECORD, 2022)</td><td>47</td></tr><tr><td>Figure 22 : Pourcentage d'ouvrages réalisés sur le sujet par continents ces dernières années sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021 (RECORD, 2022)</td><td>48</td></tr><tr><td>Figure 23 : Nombre d'ouvrages réalisés par pays sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021 (RECORD, 2022)</td><td>49</td></tr><tr><td>Figure 24 : Auteurs ayant le plus publié sur le sujet sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021 (RECORD, 2022)</td><td>50</td></tr><tr><td>Figure 25 : Mapping sur VOS VIEWER des keywords cités au moins 50 fois dans le pool des 5923 ouvrages. Visualisation des interactions entre les keywords (RECORD, 2022)</td><td>51</td></tr><tr><td>Figure 26 : Mapping sur VOS VIEWER des pays ayant au moins 80 publicaations dans le pool des 5923 ouvrages. Visualisation des interactions entre les pays (RECORD, 2022)</td><td>51</td></tr><tr><td>Figure 27 : décomposition de la lignocellulose sous l'effet d'un prétraitement (Schwietzke et al., 2009) adapté de (Hsu, 1980; Mosier et al., 2005)</td><td>55</td></tr><tr><td>Figure 28 : Photo d'un système Premix de Vogelsang (Vogelsang, 2022)</td><td>57</td></tr><tr><td>Figure 29 : Illustration du fonctionnement du procédé GasMix de Landia (Landia, 2014)</td><td>57</td></tr></table>
<table><tr><td>Figure 30 : Comparaison de l'efficacité des prétraitements pour augmenter la production de méthane de matières lignocellulosiques (échelle industrielle et pilote) (RECORD, 2022)</td><td>65</td></tr><tr><td>Figure 31 : Performances des prétraitements pour augmenter la production de méthane des microalgues (données issues d'essais pilote) (Compilation RECORD 2022)</td><td>75</td></tr><tr><td>Figure 32 : Photo de broyeur à couteaux avec récupérateur de cailloux (SOLAGRO, 2021)</td><td>80</td></tr><tr><td>Figure 33 : Photo de broyeur à marteaux BHS (SOLAGRO, 2021)</td><td>81</td></tr><tr><td>Figure 34 : Photo de broyeur à chaînes TQZ (THM recycling solutions, 2021)</td><td>82</td></tr><tr><td>Figure 35 : Photo de broyeur à déchets verts Hantsch Willibald Mini-Shark (SOLAGRO, 2021)</td><td>82</td></tr><tr><td>Figure 36 : Photo du système Biobang® installé sur l'une unité de méthanisation Reims Biométhane (Biobang, 2021)</td><td>84</td></tr><tr><td>Figure 37. Schéma de principe de l'unité de méthanisation de Solrød au Danemark (IEA Bioenergy, 2015)</td><td>88</td></tr><tr><td>Figure 38 : Différentes perspectives laboratoires et industrielles sur l'application de prétraitement en méthanisation et analyse multicritère proposés pour évaluer les bénéfices d'un prétraitement (adapté de Elalami et al. 2019)</td><td>94</td></tr></table>
Introduction

L'introduction des matières en digestion et l'obtention de l'expression maximale du potentiel
méthanogène des intrants sont des questions essentielles pour la faisabilité technique et économique
des projets de méthanisation, qu'ils soient agricoles, territoriaux ou industriels.

Les technologies de stockage et de pré-traitements des intrants sont des leviers intéressants pour
optimiser les performances des installations.

De nombreuses technologies et équipements existent aujourd'hui, qu'ils bénéficient de nombreux
retours d'expériences, ou qu'ils soient en cours de développement ou au stade de pilote de
laboratoire.

Ainsi, afin d'alimenter les acteurs de la filière, des utilisateurs notamment, avec des informations à jour concernant les pré-traitement et le stockage des intrants avant alimentation en méthanisation, l'Association RECORD a souhaité la réalisation d'un état de l'art sur cette thématique.

Ce document issu du travail de bibliographie et de retours de terrain synthétise l'ensemble des
données aujourd'hui à disposition sur les pré-traitements et le stockage de différents types d'intrants
(déjections animales, biomasse végétale, biodéchets, boues urbaines...) concernant leurs objectifs,
leurs caractéristiques, leurs performances ainsi qu'une mise en perspective des besoins de R&D.

Ce document est découpé en 4 volets :

* Volet 1 : Identification des gisements mobilisables et des facteurs

* Volet 2 : Synthèse bibliographique des technologies

* Volet 3 : Retours d'expériences terrain

* Volet 4 : Perspectives R&D, fiches par technologies, fiches par intrants
# Volet 1 : Identification des gisements mobilisables et des facteurs

## 1.1. Hypothèses retenues pour la mobilisation des ressources

Les enjeux des dispositifs de prétraitement de la matière première en méthanisation sont directement liés à la typologie et au potentiel de mobilisation des gisements méthanisables. L'étude des prétraitements nécessite donc une évaluation des matières traitées en méthanisation à l'heure actuelle mais aussi dans les prochaines années et décennies. Les potentiels énergétiques de chaque type d'intrants est un facteur essentiel à considérer pour déterminer les matières à fort enjeux et focaliser l'attention sur ces dernières. La liste des intrants a été définie sur la base des retours du groupe de travail intrants porté par la filière biométhane en relation avec le Ministère de l'agriculture et la DGEC et pour lequel Solagro a réalisé le diagnostic et synthétisé les propositions.

Les gisements mobilisables retenus sont synthétisés ci-dessous :

<table><caption>Tableau 1 : Ressources mobilisables retenues (RECORD, 2022)</caption><thead><tr><td>Famille</td><td>Sous-famille</td></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="3">Déjections animales</td><td>Fumier</td></tr><tr><td>Lisier</td></tr><tr><td>Fiente</td></tr><tr><td rowspan="3">Résidus agricoles</td><td>Paille céréale</td></tr><tr><td>Canne de maïs</td></tr><tr><td>Menues paille</td></tr><tr><td rowspan="2">Production végétale</td><td>CIVE</td></tr><tr><td>Ensilage herbe</td></tr><tr><td rowspan="2">Déchets verts des collectivités</td><td>DV tonte</td></tr><tr><td>DV broyat</td></tr><tr><td rowspan="4">Déchets et effluents des industries</td><td>Effluent IAA</td></tr><tr><td>Lactosérum</td></tr><tr><td>Graisses IAA</td></tr><tr><td>Graisses et déchets d'abattoirs</td></tr><tr><td rowspan="2">Boues de station d'épuration des eaux usées</td><td>Boues biologiques</td></tr><tr><td>Graisse STEU</td></tr><tr><td rowspan="3">Biodéchets</td><td>FFOM</td></tr><tr><td>GMS</td></tr><tr><td>Biodéchets de cantine</td></tr><tr><td rowspan="2">Algues</td><td>Macroalgues</td></tr><tr><td>Microalgues</td></tr></tbody></table>

Pour l'ensemble de ces ressources, il est estimé le potentiel de valorisation en méthanisation en 2020 et à l'horizon 2030. Les estimations sont basées sur l'outil de modélisation BACUS (voir Annexe 1) développé par Solagro, sur les hypothèses du scénario Afterres2050¹ (Solagro, 2016), sur le Rapport de l'Observatoire National des Ressources en Biomasse (FranceAgrimer, 2020), sur les données compilées de GrDF (2020) ainsi que sur l'Étude estimative de la production de biodéchets au sein des établissements de restauration (Groupement National de la Restauration, 2011).

<footnote n="1">¹ le scénario Afterres2050 propose un scénario visant l'utilisation des terres agricoles et forestières pour satisfaire les besoins alimentaires, énergétiques, en matériaux, et réduire les gaz à effet de serre. Le scénario Afterres2050 est le compromis d'hypothèses qui a paru à Solagro, en 2016, le plus cohérent, le plus réaliste et le plus soutenable. Il n'est pas le seul envisageable et est évolutif</footnote>
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1 : Les grands principes du scénario Afterres2050 (Solagro, 2016)</figcaption></figure>

Les hypothèses retenues sont les suivantes :

<table><caption>Tableau 2 : Hypothèses agricoles (Compilation RECORD 2022) (Afterres 2050 https://afterres2050.solagro.org/decouvrir/scenario)</caption><thead><tr><th>Hypothèses gisement agricole</th></tr></thead><tbody><tr><td>1) Diminution de l'élevage avec libération des surfaces pâturées. Diminution de la production d'effluents d'élevage (fumier, lisier, fiente)</td></tr><tr><td>2) Maintien des prairies permanentes en valorisant une partie de l'herbe en méthanisation</td></tr><tr><td>3) Allongement des rotations culturales avec implantation de couverts végétaux. Augmentation importante de la production de CIVE (Cultures Intermédiaires à Vocation Energétique)</td></tr><tr><td>4) Augmentation de la part des légumineuses pour diminuer l'apport d'engrais azotés</td></tr></tbody></table>

<table><caption>Tableau 3 : Hypothèses non agricoles (Compilation RECORD 2022) (Outil BACUS, Solagro)</caption><thead><tr><th>Hypothèses gisement non agricole</th></tr></thead><tbody><tr><td>1) FFOM : 45 kg/hab/an</td></tr><tr><td>2) GMS : 30 kg/m² à 50 kg/m² selon type de GMS</td></tr><tr><td>3) Boues urbaines : 12 kgMS/hab/an, hors STEP qui méthanisent déjà et STEP < 5000 EH</td></tr><tr><td>4) Déchets et effluents IAA : ratios selon code NAF</td></tr><tr><td>5) Algues : donnée nationale 14 TWh (ENEA, INRIA et ADEME, Évaluation du gisement potentiel de ressources algales pour l'énergie et la chimie en France à l'horizon 2030. Juillet 2014)</td></tr></tbody></table>
## 1.2. Potentiel énergétique des gisements disponibles

### 1.2.1. Détermination des potentiels méthanogènes par catégories de gisements

A l'issu de l'analyse des gisements méthanisables et mobilisables à l'horizon 2030, l'APESA a défini un potentiel méthanogènes moyens par catégories de substrats. Ce potentiel méthanogène est basé sur des analyses disponibles dans la base de données BMP de l'APESA. Seule la catégorie algues (micro et macroalgues) regroupe des données internes de l'APESA mais aussi issu de la bibliographie, nos bases de données n'étant pas assez étayées pour ces substrats (Frigon et al., 2013; Jard et al., 2013).

L'APESA est un acteur reconnu de la méthanisation et réalise environ 300 tests de potentiel méthanogène annuellement. L'APESA a participé à l'étude inter-laboratoires National sur le BMP (Ribeiro et al., 2020) et au niveau International (Hafner et al., 2020). Il n'existe pas aujourd'hui de protocole normé sur le BMP mais les études inter-laboratoires ont permis de définir des bonnes pratiques que l'APESA a mises en place dans son protocole interne.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 : Ratio MSV / MS (%) pour les différentes catégories de substrats (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</figcaption></figure>

La Figure 2 présente pour chaque catégorie de substrats le ratio MSV / MS (%). Il est intéressant de noter que certaines catégories de substrats présentent une forte teneur en cendres, c'est notamment le cas des lisiers, fientes, déchets verts, boues et macroalgues. Les macroalgues et les déchets verts présentent les plus fortes teneurs en cendres moyennes avec 37% MS et 48 %MS respectivement. Ces fortes teneurs peuvent être attribuées aux sels résiduels sur les macroalgues et à la terre présente sur certains déchets verts.

Les Figures 3 et 4 présentent en format box-plot les valeurs de potentiels méthanogènes exprimés en Nm³/tPB et Nm³/tMSV. Les valeurs exprimées en PB sont celles généralement utilisées sur les sites industriels mais difficilement exploitables ici car certains échantillons ont été traités en laboratoires
(séchage, centrifugation...). Nous avons donc exploité par la suite les résultats exprimés en Nm³/tMSV. D'une manière générale les déchets graisseux (graisses IAA, graisses abattoirs, graisses STEU, lactosérum...) sont les déchets qui ont la plus forte production en méthane. Les FFOM, GMS et biodéchets de cantines suivent avec des valeurs de potentiels méthanogènes variant de 472 à 602 Nm³ CH₄/tMSV. Enfin les algues et les biomasses agricoles sont celles qui présentent le plus faible potentiel méthanogène.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3 : Valeurs de BMP (Nm³/tonnes PB) pour les différentes catégories de substrats. Entre parenthèse le nombre de substrats utilisés pour chaque catégorie. (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</figcaption></figure>
<figure><img src="image_6.png" /></figure>

Figure 4 : Valeurs de BMP (Nm³/tonnes MSV) pour les différentes catégories de substrats. Entre parenthèse le nombre de substrats utilisés pour chaque catégorie. (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)

### 1.2.2. Synthèses des données de potentiels méthanogènes

Les potentiels méthanogènes des ressources prises en compte pour l'évaluation des gisements sont issus de la base de données de l'APESA regroupant les essais BMP réalisés au laboratoire. Etant donné la diversité des taux de matière sèche sur une même typologie de matière, seul le potentiel méthanogène ramené à la matière sèche (Nm³ CH₄/tMS) est pris en compte pour l'évaluation énergétique des ressources.
<table><caption>Tableau 4 : Potentiels méthanogènes moyens considérés pour les gisements identifiés (Compilation RECORD 2022) (Base de données APESA, 2021)</caption><thead><tr><th>Famille</th><th>Sous-famille</th><th>Matière sèche (%MS)</th><th>Moyenne BMP (Nm³ CH₄/tMS)</th><th>Moyenne BMP (Nm³ CH₄/tMS)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="3">Déjections animales</td><td>Fumier</td><td>35</td><td>63</td><td>171</td></tr><tr><td>Lisier</td><td>7</td><td>16</td><td>216</td></tr><tr><td>Fiente</td><td>44</td><td>73</td><td>176</td></tr><tr><td rowspan="3">Résidus agricoles</td><td>Paille céréale</td><td>84</td><td>215</td><td>255</td></tr><tr><td>Canne de maïs</td><td>58</td><td>145</td><td>240</td></tr><tr><td>Menues paille</td><td>85</td><td>230</td><td>270</td></tr><tr><td rowspan="2">Production végétale</td><td>CIVE</td><td>33</td><td>91</td><td>283</td></tr><tr><td>Ensilage herbe</td><td>27</td><td>84</td><td>315</td></tr><tr><td rowspan="2">Déchets verts des collectivités</td><td>DV tonte</td><td>29</td><td>57</td><td>194</td></tr><tr><td>DV broyat</td><td>48</td><td>29</td><td>55</td></tr><tr><td rowspan="4">Déchets et effluents des industries</td><td>Effluent IAA</td><td>3</td><td>10</td><td>338</td></tr><tr><td>Lactosérum</td><td>6</td><td>28</td><td>474</td></tr><tr><td>Graisses IAA</td><td>33</td><td>215</td><td>630</td></tr><tr><td>Graisses et déchets d'abattoirs</td><td>30</td><td>150</td><td>447</td></tr><tr><td rowspan="2">Boues de station d'épuration des eaux usées</td><td>Boues biologiques</td><td>12</td><td>25</td><td>185</td></tr><tr><td>Graisse STEU</td><td>14</td><td>95</td><td>597</td></tr><tr><td rowspan="3">Biodéchets</td><td>FFOM</td><td>38</td><td>111</td><td>281</td></tr><tr><td>GMS</td><td>20</td><td>78</td><td>427</td></tr><tr><td>Biodéchets de cantine</td><td>41</td><td>183</td><td>477</td></tr><tr><td rowspan="2">Algues</td><td>Macroalgues</td><td>17</td><td>19</td><td>114</td></tr><tr><td>Microalgues</td><td>33</td><td>87</td><td>268</td></tr></tbody></table>
## 1.3. Les ressources mobilisées en 2020

Les données prises en compte sont issues de la Base de données de l'ADEME des projets d'injection de biométhane bénéficiant d'un récépissé d'identification ADEME sur la période de 2012 à novembre 2020 (ADEME, 2021). A noter que cette base de données n'intègre pas les projets en cogénération. Ainsi les résultats présentés ici ne comptabilisent pas les unités en cogénération, du fait de l'absence, à la connaissance des auteurs, d'une base de données à jour et diffusable concernant cette typologie d'installations.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 : Répartition du tonnage entrant en méthanisation en 2020 sur la base des projets en injection identifés par l'ADEME (Compilation RECORD 2022) (SOLAGRO issu ADEME 2021)</figcaption></figure>

## 1.4. Le potentiel de mobilisation à l'horizon 2030

L'estimation des ressources méthanisables à l'horizon 2030 met en évidence une augmentation de la part de productions végétales intermédiaires (CIVE) et une diminution de la part des effluents d'élevage. Cette estimation repose sur les hypothèses évoquées plus haut, prenant en compte une diminution progressive de l'élevage dans les prochaines décennies.
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6 : Evolution du gisement prospectif méthanisable entre 2010 et 2030, en tonnes/an (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7 : Evolution du gisement prospectif méthanisable entre 2010 et 2030, en TWh/an (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</figcaption></figure>

Le gisement méthanisable à l'horizon 2030 représente 136 TWh/an. Cette valeur est supérieure aux résultats de l'évaluation réalisée pour l'étude « Estimation des gisements potentiels de substrats utilisables en méthanisation », ADEME, 2013. Les différences reposent principalement sur une augmentation de la mobilisation des ressources agricoles végétales (CIVE) basées sur le scénario AFTERRES 2050 et une baisse de la quantité de déjections d'élevage (diminution progressive de l'élevage).
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 8 : Répartition de ressources prospectives méthanisables à l'horizon 2030, en tonnes (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 9 : Répartition de ressources prospectives méthanisables à l'horizon 2030, en énergie (Compilation RECORD 2022) (outil BACUS Solagro 2021)</figcaption></figure>

Les matières agricoles représentent 85% du gisement mobilisable en tonnage et en énergie. Concernant le potentiel énergétique, la répartition est la suivante :

* Les résidus de cultures : 1/3 du potentiel énergétique en 2030

* Les productions végétales (CIVE, cultures) : 1/3 du potentiel énergétique en 2030

* Les fumiers/fientes : près de 20% du potentiel énergétique en 2030
A l'horizon 2030, les autres déchets représentent 15% du potentiel énergétique et sont déjà assez bien mobilisés :

* Les déchets des collectivités : 10% du potentiel énergétique en 2030

* Les déchets des industriels : 5% du potentiel énergétique en 2030

Les enjeux des prétraitements se concentrent donc sur les matières agricoles représentant la proportion la plus importante du gisement mobilisable, en tonnage et en énergie. De plus, il s'agit de matières majoritairement fibreuses nécessitant une première étape de dégradation en amont du processus de digestion anaérobie.

# 1.5. Les principaux facteurs limitant l'expression du potentiel méthanogène

## 1.5.1. Considérations générales

La charge introduite dans le méthaniseur dépend de la teneur en matière organique des intrants (MS/MSV), de leur biodégradabilité (BMP), du volume de digestion et de la technologie de méthanisation.

La caractérisation des matières à digérer est nécessaire pour établir la recette d'intrants et s'assurer que les équilibres biologiques nécessaires à la digestion anaérobie sont respectés. Les analyses généralement réalisées sur les intrants comprennent la MS, MSV, l'azote Kjeldahl et le phosphore. Le soufre est analysé en complément pour anticiper de potentielles problématiques liées à la production d'H₂S. Le potentiel méthanogène des intrants est mesuré en laboratoire pour évaluer la production de méthane du digesteur et lisser la production dans le temps lors de la préparation de la ration. L'analyse des éléments traces et potentiels inhibiteurs sera nécessaire sur des substrats peu connus.

Le bon fonctionnement de la digestion est contrôlé par le suivi biologique du digesteur en complément de la qualité et de la quantité de biogaz produit. Sont principalement mesurés :

- Le pH qui doit rester autour de la neutralité : 7 à 8,5,

- Le potentiel redox qui doit être caractéristique de conditions anaérobies : < - 300 mV/ENH,

- La concentration en AGV (Acides Gras Volatils) qui doit rester faible < 2 -3 g/L sans quoi un risque d'acidification du digesteur peut intervenir (acidose) (Ademe Bourgogne, 2014),

- Le ratio AGV/TAC<fnref n="2" /> qui permet de contrôler que le pouvoir tampon du digestat est suffisant au regard de la quantité d'acides gras présents. Ce ratio doit être inférieur à 0,5 (Ademe Bourgogne, 2014). Un ratio qui augmente est caractéristique d'une diminution du pouvoir tampon et indique un risque d'acidose,

- La concentration en ammonium qui doit rester en deçà de 3 g/L dans le digesteur pour éviter une alcalose qui se traduit par une augmentation du pH et une diminution de la production de biogaz.

Les principaux paramètres mesurés sur les intrants et le digestat (suivi biologique) sont représentés sur la Figure 11.

<footnote n="2">² Titre Alcalimétrique Complet</footnote>
<figure><img src="image_12.png" /></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

**Intrants**
MS, MSV, Azote Kjeldahl, Phosphore, Soufre, BMP, éléments traces et inhibiteurs

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 10. Photo APESA, installation du GAEC Oudet</figcaption></figure>

**Digestat : Suivi biologique**

pH, Potentiel redox, AGV, AGV/TAC, Ammonium, éléments traces

Figure 11 : Liste des paramètres utilisés pour la caractérisation des intrants et du digestat, suivi biologique (APESA, 2021)

### 1.5.1.1. Equilibres biologiques : besoins en macroéléments

Des macroéléments (carbone, azote, phosphore et soufre) sont nécessaires à la croissance et à la survie des microorganismes impliqués dans la digestion anaérobie.

Le ratio C/N est utilisé pour évaluer la proportion de carbone organique par rapport à l'azote total de la matière organique. Le ratio optimal est généralement compris entre 20 et 30 (Couturier & Galtier, 1998) avec un optimum à 25 (Hills, 1979). Une concentration insuffisante en azote dans la ration limitera la quantité de carbone qui pourra être dégradée. A l'inverse, une concentration excessive sera aussi pénalisante puisqu'elle engendrera un risque d'inhibition en raison d'une accumulation d'azote ammoniacal généré par la réduction de l'azote organique au cours de la digestion anaérobie. L'inhibition est principalement liée à la forme libre $NH_3$ dont la proportion est augmentée lorsque le pH et la température sont élevés (Moletta et al., 2008). La digestion thermophile est par conséquent plus sensible à l'inhibition à l'azote.

Les substrats présentent des ratio C/N très variables, les résidus agricoles et les graisses présentent les ratios les plus élevés au contraire des déjections animales de type lisier (Figure 12).
<figure><img src="image_15.png" /></figure>

Figure 12 : Ratios C/N des intrants de méthanisation. Entre parenthèse le nombre de substrats utilisés pour chaque catégorie. (Compilation RECORD 2022) (APESA 2021, IFIP 2018, Fisgativa et al., 2018a; Frigon et al., 2013; Milledge et al., 2019).

Ces différents ratios sont présentés en Annexe 2.

Le phosphore est aussi un élément nutritionnel indispensable au bon fonctionnement de la méthanisation; le rapport optimal C/P est généralement compris entre 100 et 150 (Solagro, 1998).

Le soufre est nécessaire car c'est un constituant des principaux acides aminés et un nutriment essentiel pour la croissance des bactéries méthanogènes (Mao et al., 2015; Vintiloiu et al., 2012). Un ratio C/S de 600/1 est suffisant (Weiland, 2010).

### 1.5.1.2. Eléments traces

Des éléments traces minéraux sont nécessaires à la croissance microbienne, en particulier pour les Archées méthanogènes : potassium, calcium, cuivre, molybdène, cobalt, vanadium, magnésium, fer, manganèse, zinc, nickel, sodium, bore, sélénium, argent, or, iode, tungstène et titane (Escudié & Cresson, 2017; Moletta, 2008). Les concentrations de cobalt, sélénium, nickel et molybdène doivent être supérieures à 0,1 mg/L dans le digestat (PlanET). Seul le fer est nécessaire en concentrations plus élevées, de 1 à 10 mg/L (Weiland, 2010) voire 200 mg/L (PlanET; Schattauer et al., 2011). Ces éléments sont généralement en concentrations suffisantes dans la recette. Dans certains cas, des carences peuvent être constatées en particulier pour des méthaniseurs fonctionnant en mono-digestion. Dans ce cas, la dégradation de la matière ne sera pas optimisée entrainant des productions de gaz diminuées et des risques de couches/mousses en surface (PlanET). Un apport peut alors être réalisé à des concentrations généralement inférieures à 1 mg/L (Moletta, 2008).

#### 1.5.1.3. Inhibiteurs

Les éléments traces peuvent, à partir d'un certain seuil, être des inhibiteurs et pénaliser les performances de la digestion anaérobie. Certains composés organiques sont aussi connus pour inhiber les processus biologiques. Le Tableau 5 inventorie les concentrations stimulatrices et inhibitrices pour la méthanisation.
<table><caption>Tableau 5 : Concentrations stimulatrices et inhibitrices pour la méthanisation, valeurs en mg/L
(Compilation RECORD 2022)</caption><thead><tr><th>Polluants</th><th>Stimulatrice</th><th>Modérément<br>inhibitrice</th><th>Fortement<br>inhibitrice</th><th>Référence</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="5"><strong>Minéraux</strong></td></tr><tr><td>Azote ammoniacal<br>(NH<sub>4</sub><sup>+</sup>)</td><td>50 - 200</td><td>1 000 - 3 000</td><td>3 000 - 5 000</td><td>(McCarty, 1964)<br>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td>Calcium</td><td>100 - 200</td><td>2 500 - 4 500</td><td>8 000</td><td>(McCarty, 1964)</td></tr><tr><td>Sodium</td><td>100 - 200</td><td>3 500 - 5 500</td><td>8 000</td><td>(McCarty, 1964)</td></tr><tr><td>Potassium</td><td>200 - 400</td><td>2 500 - 4 500</td><td>12 000</td><td>(McCarty, 1964)</td></tr><tr><td>Magnésium</td><td>75 - 150</td><td>1 000 - 1 500</td><td>3 000</td><td>(McCarty, 1964)</td></tr><tr><td>Sulfures (S<sup>2-</sup>)</td><td></td><td>200</td><td>200</td><td>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td>Cadmium</td><td></td><td>0,5</td><td>0,5</td><td>(Boeglin, 1998)</td></tr><tr><td>Cuivre</td><td></td><td></td><td>0,5 soluble<br>50-70 total</td><td>(Garcia-Bernet et<br>al., 2017)<br>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td>Chrome VI</td><td></td><td></td><td>3 soluble<br>200-600 total</td><td>(Garcia-Bernet et<br>al., 2017)<br>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td>Chrome III</td><td></td><td></td><td>180-420 total</td><td>(Garcia-Bernet et<br>al., 2017)<br>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td>Nickel</td><td></td><td></td><td>2 soluble<br>30 total</td><td>(Garcia-Bernet et<br>al., 2017)<br>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td>Zinc</td><td></td><td></td><td>1 soluble</td><td>(Moletta, 2008)</td></tr><tr><td colspan="5"><strong>Organiques</strong></td></tr><tr><td>5-HMF<br>(hydroxyméthylfurfural)</td><td></td><td>10 000</td><td></td><td>(Monlau et al.,<br>2014)</td></tr><tr><td>Furfural</td><td></td><td>5 000</td><td></td><td>(Monlau et al.,<br>2014)</td></tr><tr><td>Hydrocarbures</td><td></td><td>50</td><td>50</td><td>(Boeglin, 1998)</td></tr></tbody></table>

Le Furfural et l'hydroxyméthylfurfural peuvent être générés lors du prétraitement de matières lignocellulosiques réalisé en vue d'augmenter leur biodégradation.

La présence de microplastiques dans les intrants pourrait aussi impacter la digestion anaérobie. Li et al. (2020) ont étudié, à l'échelle laboratoire, l'impact de l'addition de particules de microplastiques de polyester (200 µm) lors de la digestion anaérobie mésophile de boues de station (Li et al., 2020). Des diminutions de production de méthane de l'ordre de 10% ont été mesurées avec peu de différences selon la quantité de plastique ajoutée, entre 1 et 200 particules/kg MS. Des micropolluants adsorbés sur les microplastiques pourraient être relargués lors de la digestion anaérobie (Zhang, Chen, et Li 2020).

Des mycotoxines, puissants inhibeurs, sont produits par certains micro-organismes lors du stockage de la matière. Pour éviter cette problématique, il convient de couvrir les silos et stocker la biomasse sous abri (issues de céréales, ...)(PlanET).

Les microorganismes de la digestion anaérobie peuvent s'acclimater dans une certaine mesure à la présence d'inhibiteur. La co-digestion permet de diluer la concentration en inhibiteur lié à un substrat en particulier.

## Cas particulier du soufre

Le soufre est nécessaire en faibles quantités dans la ration car présent dans certaines enzymes et cofacteurs (Boulenger & Gallouin, 2009). En conditions anaérobies, le soufre (présent dans les protéines) et les sulfates sont réduits, sous l'action des bactéries sulfato-réductrices, en hydrogène sulfuré, connu pour être un inhibiteur de l'activité méthanogène. La concentration inhibitrice pour les bactéries méthanogènes serait de 50-125 mg H<sub>2</sub>S/L pour un pH de 7 à 8 (réduction de 50% de la production de méthane) avec un seuil à 250 mg H<sub>2</sub>S/L pour un pH acide (6,4-7,2) et 90 mg H<sub>2</sub>S/L pour un pH basique (7,8-8,0)(Chen et al., 2008).
La toxicité de l'H₂S est multiple, elle peut être directe et liée aux sulfures dissous ou indirecte et liée à la précipitation des métaux indispensables aux méthanogènes (Florencio, 1994).

La présence de soufre dans les substrats doit être considérée tant au niveau des inhibitions biologiques que pour son impact sur la qualité du biogaz. L'H₂S expose à des risques mortels d'intoxications par inhalation nécessitant des mesures de sécurité spécifiques au niveau de la détection et de la ventilation. Il est de plus problématique car il génère des risques de corrosion pour les parties métalliques et notamment les moteurs.

Les travaux réalisés dans la thèse de Pascal Peu ont établi qu'un ratio C/S supérieur à 40 était compatible avec les procédés de désulfurisation installés sur les méthaniseurs agricoles (Peu, 2011).

Des ajouts d'hydroxyde de fer ou de chlorure de fer peuvent être réalisés avec les intrants ou dans le digesteur pour précipiter les sulfures. Ce mécanisme met en jeu les réactions suivantes :

$$ \text{Réduction du Fer III:} \qquad 2 \text{Fe(OH)}_3 + \text{H}_2\text{S} \rightarrow 2 \text{Fe(OH)}_2 + \text{S} + 2\text{H}_2\text{O} $$

$$ \text{Précipitation du sulfure :} \qquad \text{Fe(OH)}_2 + \text{H}_2\text{S} \rightarrow \text{FeS} + 2\text{H}_2\text{O} $$

La société Ovive (France) et BiogasJG B.V. (Pays Bas) commercialisent des produits à base de fer pour cette application :

- OVIVE HFµ à base de Fe(OH)₃,

- FeSFix de BiogasJG B.V à base de Fe₂O₃ et d'éléments traces (Co, Ni, Cu, Mn, Zn, B, V, Al).

### 1.5.1.4. Accessibilité de la matière

Certains substrats sont très fermentescibles, à l'exemple des glucides et lipides, ce qui peut générer des risques d'acidose. Les AGV produits s'accumulent provoquant une diminution du pH du digesteur. Le taux de graisse dans la recette est généralement limité à 10 à 15% de la MS entrante afin de ne pas générer de difficultés au niveau de la digestion (acidification, moussage, remontée de graisses).

Au contraire, les matrices lignocellulosique présentent des propriétés physico-chimiques (faible surface accessible, fort taux en lignine, cellulose cristalline) qui peuvent limiter l'accessibilité de la matière et son hydrolyse (Monlau et al., 2013). Ces matières sont lentement biodégradables et nécessitent des prétraitements adaptés ou des temps de séjour longs.

### 1.5.1.5. Réglementation sur les sous-produits animaux

Les sous-produits animaux (SPAn) sont classifiés en 3 catégories selon leur dangerosité ou leur risque pour l'environnement (Ministère de l'agriculture et de l'alimentation, 2018b; RCE 1069/2009, 2009). Seules les catégories 2 et 3 peuvent être traitées par méthanisation (Parlement Européen 2009):

#### Catégorie 2 : matière à risque sanitaire

Elles comprennent en particulier les effluents d'élevage et le contenu de l'appareil digestif (matières stercoraires), les produits d'origine animale qui ont été déclarés impropres à la consommation humaine en raison de la présence de corps étrangers dans ces produits.

Sauf dérogations possibles pour les effluents d'élevage et les matières stercoraires, les matières C2 doivent être prétraitées par stérilisation (133°C, 20 minutes, 3 bars, < 50 mm) pour être méthanisées.

#### Catégorie 3 : matière à risque sanitaire faible

Il s'agit en particulier des parties d'animaux abattus et propres à la consommation humaine mais non valorisés (plumes, poils, viande, graisse et sang d'animaux), les déchets de cuisine et de table qui ne proviennent pas de moyens de transport opérant au niveau international, les œufs non contaminés, ...

Les C3, sauf exception, sont méthanisées après hygiénisation (70°C, 1h, < 12 mm).

Un agrément sanitaire est nécessaire pour les unités de méthanisation traitant des sous-produits animaux (Parlement Européen 2009).
### 1.5.2. Déjections animales

#### 1.5.2.1. Composition de la matière

Des indésirables (pierres, sables, bois, ficelle, métaux) peuvent être présents dans les fumiers et altérer la qualité de la biomasse. Des contaminants : pathogènes, métaux, antibiotiques, hormones sont aussi présents dans des proportions diverses selon la typologie d'élevage (type d'animaux, alimentation, litière/paillage...). Le ratio C/N des fumiers est dépendant de la proportion de paille, il s'établit entre 5 et 54 avec un minimum pour le fumier de volaille et un maximum pour le fumier équin.

Les lisiers présentent des faibles taux de MS et sont utilisés pour la dilution de la ration dans le cas de la méthanisation en infiniment mélangé. Le ratio C/N est faible avec une plage de variation comprise entre 1 et 22. Ceci peut être source d'inhibition à l'azote lors de la digestion en mono-digestion. L'azote (NH₃/NH₄⁺) en concentration modérée est nécessaire et participe au pouvoir tampon du digestat. Les lisiers de porcs sont riches en soufre et peuvent générer des concentrations élevées en H₂S dans le biogaz. Pascal Peu a ainsi mesuré des ratios C/S de 44 et 52 pour deux lisiers de porcs ce qui conduirait en mono-digestion à une concentration potentielle en H₂S dans le biogaz comprise entre 0,7 et 3,9% selon les hypothèses retenues (Peu, 2011). Des concentrations élevées en métaux (cuivre et zinc) peuvent aussi être mesurées dans ces lisiers selon la ration alimentaire (PlanET).

Les fientes de volaille présentent des concentrations élevées en azote avec un ratio C/N moyen de 9. La concentration en soufre peut être élevée avec des ratios C/S compris entre 39 et 75 pour 6 fientes de volaille (Decoopman, 2006).

#### 1.5.2.2. Facteurs réactionnels et biologiques

Les déjections animales sont des matières fermentescibles qui vont évoluer au cours du stockage. La durée de stockage qui induit 90 % des pertes de potentiel méthanogène a été reportée par le Club Biogaz dans son guide de bonnes pratiques pour les projets de méthanisation. Elle est de 50 jours pour les fumiers et 30 jours pour les lisiers (Barriatoulah, 2011). Des essais réalisés par l'APESA dans le cadre du projet SAM avaient montré des pertes de potentiel méthanogène de 1%/jour pour le mode de stockage le moins conservatif. Le fumier équin à 60% de MS avait été manipulé pour des opérations de chargement / transport / déchargement et broyage qui avaient conduit à introduire de l'air au sein de la matière. Les pertes étaient moins élevées pour les fumiers les plus secs (Peyrelasse C. et al., 2017).

Lors de la digestion, les fumiers riches en paille, à l'exemple des fumiers équins, auront des cinétiques de dégradation lentes en raison de la présence de lignocelluloses. La longueur des brins de paille et donc des fibres impactera les contraintes mécaniques pour l'introduction de la matière et les temps de séjour nécessaires à leur digestion. Des contraintes supplémentaires seront à considérer en infiniment mélangé, l'énergie d'agitation sera d'autant plus élevée que la teneur en matière sèche et par conséquent la viscosité est élevée. La présence de paille induit, de plus, des risques de flottation à maitriser pour empêcher la formation de croûte dans le digesteur.

#### 1.5.2.3. Facteurs opérationnels

Les effluents d'élevage sont des sous-produits animaux de catégorie 2. Des dérogations à la stérilisation/hygiénisation peuvent être autorisées si l'autorité compétente estime qu'il n'y a pas de risque de propagation d'une quelconque maladie grave transmissible (RCE 1069/2009, 2009).

Les effluents d'élevage sont des matières odorantes qui nécessiteront des mesures particulières pour limiter les nuisances lors du transport et du stockage.

### 1.5.3. Résidus agricoles et productions végétales

#### 1.5.3.1. Composition de la matière

La récolte des résidus agricoles et productions végétales peut conduire à la présence d'indésirables (pierres, terres et sables) dans la biomasse.

Les pailles de céréales et cannes de maïs sont des substrats lignocellulosiques difficilement biodégradables. Le ratio C/N est élevé avec des valeurs comprises entre 28 et 150. L'herbe et les cultures énergétiques sont plus facilement biodégradables. Ces matières présentent, de plus, des brins plus courts (CIVE hachées à l'ensileuse). Les ratios C/N des CIVE sont dépendants de l'espèce végétale et varient entre 15 et 22 pour les CIVE d'hiver (graminées ou association de graminées /
légumineuses : avoine, triticale, orge, seigle, colza, pois, trèfle) et 9 à 62 pour les CIVE d'été (maïs, sorgho, tournesol et moyà). L'herbe présente un ratio C/N assez faible, compris entre 13 et 26. La présence de soufre peut être problématique pour les résidus de colza et de moutarde.

#### 1.5.3.2. Facteurs réactionnels et biologiques

Les résidus agricoles présentent des C/N élevés qui nécessiteront un rééquilibrage de la ration pour permettre de dégrader de manière optimale le carbone. La présence de résidus de colza ou moutarde sera à l'origine de la formation d'H<sub>2</sub>S.

Les principales contraintes liées aux résidus agricoles concernent la faible cinétique de dégradation. Celle-ci est d'autant plus faible que les fibres sont longues et dures (canne de maïs). D'autre part, ces substrats ont tendance à flotter dans les digesteurs infiniment mélangés.

#### 1.5.3.3. Facteurs opérationnels

Les résidus agricoles méthanisables peuvent concurrencer le secteur animal (pailles de céréales) et la combustion (menues pailles).

### 1.5.4. Déchets verts des collectivités

#### 1.5.4.1. Composition de la matière

Les broyats de déchets verts (bois, tailles d'arbustes) présentent des forts taux de lignine qui pénalisent leur biodégradation en méthanisation. Ces substrats devraient être orientés vers des filières de compostage. Les tontes et fauches de bord de route sont plus adaptés à la méthanisation. Les tontes présentent un ratio C/S de 79 (Peu, 2011) ce qui ne génère pas de problématique liée à l'H<sub>2</sub>S.

L'étude CARMEN (CARactérisation des HAP et des métaux dans les herbages fauchés en bord de routes pour la MEthanisation), financée par l'ADEME, s'est intéressée à la méthanisation des fauches de bords de route (Zdanevitch et al., 2018). Cette étude a montré qu'en fin d'été, les herbes sont plus sèches qu'au printemps et présentent un caractère plus ligneux qui réduit leur digestibilité en méthanisation (Zdanevitch et al., 2018). Le projet avait montré que les tontes ou fauches de bord de routes sont polluées par des indésirables : pierres, sables, plastiques. Les 2 campagnes de ramassage réalisées en bord de route ont collecté 2,4 et 3,2 kg de déchets/ km. Sur 50 km, ont été ramassés 245 bouteilles plastiques, 330 canettes aluminium, 80 bouteilles de verre, 12 sacs de 130 litres de papiers et plastiques divers, de la ferraille et des débris de voiture. L'étude concluait que les herbes de fauches étudiées pouvaient être méthanisées mais qu'un ramassage des déchets avant la fauche était nécessaire. Les concentrations en HAP ou métaux lourds n'étaient pas pénalisantes pour la digestion anaérobie ou le retour au sol au regard des exigences de la norme NF U 44-051 (Zdanevitch et al., 2018).

#### 1.5.4.2. Facteurs réactionnels et biologiques

L'incorporation d'herbe dans la ration augmente la viscosité du mélange et peut provoquer des problèmes d'acidose (Zdanevitch et al., 2018). L'herbe a de plus tendance à flotter dans les digesteurs en infiniment mélangé.

Des essais en voie sèche discontinue ont été réalisés sur un pilote de 60L au cours du projet CARMEN. Ces essais ont permis de déterminer un taux maximal d'herbe dans la ration. Celui-ci est de 40% en volume (soit 10 à 20 % massique, selon la saison) pour éviter l'acidose dans le digesteur et limiter la viscosité dans le digestat qui pourrait conduire à sa prise en masse (Zdanevitch et al., 2018). La tonte d'herbe est un substrat avec un faible pouvoir structurant et une très faible perméabilité pénalisant la circulation du percolat (Zdanevitch et al., 2018).

#### 1.5.4.3. Facteurs opérationnels

Le coût d'une fauche destinée à la méthanisation est de 1,5 à 2 fois supérieur au coût de la fauche classique (Zdanevitch et al., 2018). Ce surcoût pourrait être compensé par des économies sur l'entretien des routes (fossés en particulier) et la production de biogaz (Zdanevitch et al., 2018). Une distance maximale acceptable de 30 km a été définie entre le lieu de fauche et le méthaniseur, pour le cas particulier de la Mayenne, pour limiter les coûts de carburants (Zdanevitch et al., 2018).
### 1.5.5. Déchets et effluents des industries

#### 1.5.5.1. Composition de la matière

* **Industrie de la viande**

L'industrie de la viande et en particulier l'activité d'abattage génère des déchets et graisses pouvant être méthanisés : viscères, sang, matières stercoraires... Leur nature lipidique et protéique présente des potentiels méthanogènes intéressants pour la méthanisation. Le ratio C/N est très variable, il s'établit autour de 2 pour le sang et peut atteindre des valeurs élevées à l'exemple des graisses et plumes. Des ratio C/S de 125 pour la viande de porc, 69 pour le mucus de porc, 75 pour le sang bovin et 19 pour les poils de porc ont été reportés (Peu, 2011).

* **Industrie végétale**

Les résidus de l'industrie végétale sont variés, il s'agit notamment des résidus de transformation et de conserverie des fruits et légumes. Les ratio C/N peuvent être élevés pour certains produits à l'exemple de la fécule/pulpe de pomme de terre (ratio de l'ordre de 70 à 80) et faibles pour les épluchures de légumes. Généralement, les résidus de fruits et légumes se dégradent rapidement. Certains produits végétaux tels que les choux, navets, poireaux, oignons, échalotes, ail, tomates contiennent du soufre à l'origine de la production d'H<sub>2</sub>S lors de leur digestion (PlanET).

Certains résidus nécessitent des contraintes particulières à l'exemple du broyage (betterave, carotte) pour rendre la matière accessible à la dégradation. Ils peuvent de plus être chargés en sable et terre qui s'accumulent en fond de digesteur.

* **Produits transformés**

Dans cette étude, la catégorie « produits transformés » intègre les déchets de l'industrie de transformation du lait (yaourt), de la fabrication de plats préparés ou d'aliments pour animaux. Le potentiel méthanogène est intéressant avec des ratios C/N variables.

* **Lactosérum**

Le lactosérum présente un bon potentiel méthanogène avec une cinétique de dégradation rapide. Le pH peut être proche de la neutralité, de l'ordre de 6,5 (lactosérum doux) ou acide avec un pH entre 3 et 5.

* **Effluents, boues**

Les effluents d'IAA présentent un taux de MS faible. Les boues issues du traitement des effluents ont un taux de MS plus élevé dépendant du process de déshydratation.

* **Graisses IAA**

Les graisses d'IAA considérées dans cette étude correspondent aux résidus de production (graisses issues de la production de margarine, graisse de confit de canard) et aux graisses générées par le traitement des effluents : graisses de flottation. Le ratio C/N peut être très élevé en fonction de la pureté de la graisse.

#### 1.5.5.2. Facteurs réactionnels et biologiques

La digestion anaérobie des déchets de l'industrie de la viande, riches en lipides et protéines, peut générer des problèmes d'inhibition au sein du digesteur. Les principaux inhibiteurs qui peuvent être rencontrés avec ces substrats sont l'ammonium et l'hydrogène sulfuré liés à la dégradation des protéines ainsi que les acides gras volatils (Ek et al., 2011). Les déchets d'abattoir sont, en effet, connus pour produire de l'H<sub>2</sub>S lors de leur digestion (Ek et al., 2011). La digestion de ces déchets avec d'autres substrats a été proposée pour remédier aux risques d'inhibition (Alvarez & Lidén, 2008).

Les effluents des industries peuvent contenir des inhibiteurs pour la méthanisation à l'exemple des désinfectants utilisés pour le lavage. Ils sont peu concentrés (en MS) et ont généralement un potentiel méthanogène faible ramené au poids brut. Ils sont intéressants pour apporter de l'eau à la ration.

Les graisses fortement fermentescibles présentent un risque de moussage et d'acidose lors de la digestion. Elles peuvent aussi générer des problèmes de colmatage des canalisations et des difficultés lors du mélange (non miscibilité, flottation).
### 1.5.5.3. Facteurs opérationnels

Les déchets et effluents des industries peuvent être des SPAn (§1.5.1.5). C'est en particulier le cas des déchets d'abattoir, du lait, des produits à base de lait, du colostrum, des œufs, les produits à base d'œufs. Dans ce cas, des contraintes spécifiques d'hygiénisation/stérilisation (avec des dérogations possibles) s'appliquent en amont de la méthanisation et un agrément sanitaire est nécessaire.

Les résidus de l'industrie végétale sont produits de manière saisonnière. Différents gisements doivent être disponibles pour permettre une production de biogaz lissée sur l'année.

Un stockage chauffé des graisses peut être nécessaire pour permettre leur pompage.

## 1.5.6. Boues et graisses de stations d'épuration des eaux usées

### 1.5.6.1. Composition de la matière

Les boues primaires extraites du décanteur primaire présentent une meilleure biodégradabilité que les boues secondaires produites après le traitement biologique aérobie. Les filasses (résidus de lingette par exemple) présentes dans les boues posent des problèmes de bouchage des conduites et pompes à l'entrée ou en sortie de digesteur et peuvent pénaliser le fonctionnement des agitateurs. Elles peuvent de plus créer des croûtes en surface de digesteur.

Les graisses sont très fermentescibles et présentent un potentiel méthanogène élevé intéressant en digestion anaérobie. Elles peuvent toutefois être polluées par des plastiques (COOP de France & FNCUMA, 2011) ou des filasses.

### 1.5.6.2. Facteurs réactionnels et biologiques

Les graisses fortement fermentescibles présentent un risque de moussage et d'acidose lors de la digestion. Elles peuvent aussi générer des problèmes de colmatage des canalisations et des difficultés lors du mélange (non miscibilité, flottation). Le taux de graisses dans la ration doit être limité à 10-15% de la MS de la ration pour éviter les risques de moussage, acidification et les problématiques de mélange.

### 1.5.6.3. Facteurs opérationnels

La méthanisation des boues et graisses de station d'épuration relève d'une réglementation spécifique. Un stockage chauffé des graisses peut être nécessaire pour permettre leur pompage.

## 1.5.7. Biodéchets

### 1.5.7.1. Composition de la matière

Les biodéchets produits par les particuliers ou issus des grandes et moyennes surfaces et de la restauration contiennent des indésirables à éliminer préalablement à la méthanisation. Il s'agit d'erreurs de tri et d'emballages : métaux, verre, plastiques. Les biodéchets sont fortement fermentescibles ce qui impose de bonnes conditions de stockage pour limiter les pertes de matière et de potentiel méthanogène et les nuisances (odeurs, nuisibles, insectes). Le ratio C/N est relativement faible : 14 ± 2 pour les biodéchets de cantine et restauration.

### 1.5.7.2. Facteurs réactionnels et biologiques

Le caractère fermentescible des biodéchets peut pénaliser la digestion en raison de la production rapide d'AGV et du risque d'acidose. Des concentrations élevées en ammonium peuvent aussi être problématiques.

### 1.5.7.3. Facteurs opérationnels

L'article L. 541-21-1 du code de l'environnement impose le tri et la valorisation de biodéchets. Cette obligation concernait depuis 2012 les plus producteurs, plus de 120 tonnes/an de biodéchets ou 1500 litres/an d'huiles alimentaires. Depuis 2016, sont concernés les producteurs de plus de 10 t/an de biodéchets ou plus de 60 litres/an d'huiles alimentaires usagées (JORF, 2011). Cette obligation sera étendue à partir du 1er janvier 2023 à tous les producteurs de plus de cinq tonnes de biodéchets par an puis au plus tard le 31 décembre 2023, à tous les producteurs ou détenteurs de biodéchets, y compris les collectivités territoriales et les établissements privés et publics qui génèrent des biodéchets (Code de l'environnement, 2021).
Les déchets de cuisine et de table (DCT) font l'objet d'une réglementation particulière. Il s'agit de « tous les déchets d'aliments y compris les huiles de cuisson usagées provenant de la restauration et des cuisines, y compris les cuisines centrales et les cuisines des ménages » comme stipulé dans l'annexe 1 du règlement européen 142/2011 (Commission européenne, 2020). Ces déchets sont définis comme étant des sous-produits animaux (SPAN) de catégorie 3 (règlement CE 1069/2009 article 10) (Parlement européen et conseil, 2009). Ils doivent être broyés à une taille maximale de 12 mm et hygiénisés à 70 °C minimum pendant 1 heure minimum, avant leur introduction dans le digesteur (Ministère de l'agriculture et de l'alimentation, 2018a). Leur transport est aussi réglementé. « Les sous-produits animaux et les produits dérivés doivent être collectés et transportés dans des emballages neufs scellés ou dans des conteneurs ou véhicules étanches et couverts » (Parlement européen et conseil, 2009).

La mobilisation du gisement de biodéchets est un point clé de la réussite de leur valorisation. Les producteurs de biodéchets doivent être sensibilisés aux enjeux de cette mobilisation et au tri afin de limiter au maximum la présence d'indésirables qui dégradent la qualité de la matière.

## 1.5.8. Algues

### 1.5.8.1. Composition de la matière

* **Macroalgues**

Les macroalgues sont riches en soufre avec des ratios C/S de 12 pour les algues rouges et 7 pour les algues vertes (Peu, 2011).

Des études ont été conduites pour la méthanisation des sargasses dans le cadre d'un appel à projet de l'ADEME « collecte et valorisation des algues sargasses en Guadeloupe ». Les analyses réalisées par INRAE transfert environnement montrent que les algues sargasses présentent de fortes concentrations en sels (INRAE Transfert Environnement, 2018) en partie présents à l'intérieur des cellules. Des concentrations en chlorure et potassium de 8,4 g/kg et 11,9 g/kg d'algues fraiches ont été mesurées.

Le projet Eco3Sar : Ecologie, Ecotoxicologie et Economie des Sargasses, financé par l'ADEME s'est intéressé à la présence de contaminants dans les sargasses. Les algues échouées sur les côtes de Guadeloupe et de Martinique présentent des concentrations moyennes en arsenic de 80 mg/kg MS (Lopez et al., 2020). Le chlordécone est présent dans les sargasses des zones de limitation/restriction de la pêche avec des concentrations allant de quelques µg/kg de MS jusqu'à 1,9 mg/kg de MS. Dans les autres zones, les résultats démontrent l'absence de chlordécone dans les sargasses (Lopez et al., 2020). Des concentrations en cadmium supérieures à 0,8 mg/kg MS ont aussi été reportées en période hivernale pour des macro-algues échouées sur les côtes danoises (Gimžauskaitė et al., 2020).

Le ratio C/N est généralement faible et évolue en fonction de la saison et de la localisation (Milledge et al. 2019).

Le potentiel méthanogène des macroalgues est faible avec une valeur moyenne de 173 Nm³ CH₄/tMSV comparativement à d'autres substrats organiques, 272 Nm³CH₄/tMSV pour les pailles de céréales par exemple (base de données APESA, (Jard et al., 2013)).

Différents facteurs ont été avancés pour expliquer la faible production de méthane des macroalgues : structure et résistance de la paroi cellulaire, synthèse de substances toxiques ou antimicrobiennes par les cellules algales, ratio C/N défavorable, production de polyphénols pour certaines espèces, présence de soufre, de métaux lourds et de sels pour les algues marines (Barbot et al., 2016).

* **Microalgues**

Les taux de MS des microalgues sont faibles, de l'ordre de 0,1 à 1 g/L dans les bassins ouverts et 1 à 4 g/L dans les photobioréacteurs (DelTorchio, 2013; Wiley et al., 2011). Une étape de récolte/concentration est nécessaire avant la digestion anaérobie. L'accessibilité de la matière est de plus limitée par la structure complexe de la paroi cellulaire.

### 1.5.8.2. Facteurs réactionnels et biologiques

Des essais de digestion anaérobie de sargasse ont été réalisés par l'INRAE en mode thermophile voie sèche sur des pilotes de 16,5 L. Les performances de digestion sont faibles avec une production de 60 Nm³CH₄/tMSV, un biogaz produit pauvre en CH₄ (32%) et un taux d'H₂S élevé (3,4%) (INRAE
Transfert Environnement, 2018). L'inhibition du process de digestion serait imputable à la présence de sels et en particulier aux sulfates à l'origine de la production d'H2S (INRAE Transfert Environnement, 2018).

Les algues ou microalgues d'eau douce contrairement au microalgues marines ne génèreront pas de risque d'inhibition lié à la salinité.

1.5.8.3. Facteurs opérationnels

Les algues d'échouage ne sont pas produites en continu nécessitant leur stockage dans des conditions favorables à la conservation de la matière. Des précautions particulières seront nécessaires vis-à-vis du risque H2S pour les exploitants et le matériel. Le sable présent dans les algues marines récoltées sur les plages est aussi problématique car il se dépose en fond de digesteur et nécessitera des opérations de vidange régulière pour conserver un volume suffisant de digestion. Il participe de plus au vieillissement prématuré du matériel, tout comme le sel, dans le cas des algues marines.

Les principaux verrous limitant l'utilisation des microalgues en digestion anaérobie concernent les coûts de production de cette biomasse (Zabed et al., 2020). Les faibles concentrations en microalgues dans les réacteurs de cultures imposent la mise en place de process de récolte et de concentration pour augmenter le taux de MS de cette biomasse avant digestion.
1.5.9. Synthèse des facteurs limitants et leviers d'actions

<table><thead><tr><th rowspan="2">Nomenclature intrants</th><th rowspan="2">Type procédé méthanisation</th><th colspan="3">Facteurs limitants</th><th rowspan="2">Leviers d'actions : Approvisionnement et stockage, Prétraitement et préparation de la ration</th></tr><tr><th>Composition de la matière</th><th>Facteurs réactionnels et biologiques</th><th>Facteurs opérationnels</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="6"><strong>Déjections animales</strong></td></tr><tr><td rowspan="4">Fumier</td><td rowspan="2">Voie sèche IM</td><td>Hétérogénéité<br>Présence de paille difficilement biodégradable (lignocellulose)<br>Présence de polluants (ETM, hormones, antibiotiques...)</td><td>Pertes au stockage<br>Cinétiques de dégradation lentes pour les fumiers pailleux</td><td>Matière odorante (précaution stockage/transport)<br>SPAN (dérogation possible à la stérilisation/hygiénisation)</td><td>Ne pas broyer avant le stockage mais avant la digestion pour limiter les pertes de matières pendant le stockage (Peyrelasse C. et al., 2017).<br>Prévenir et contrôler le risque d'auto inflammation pendant le stockage<br>Enzymes biologiques pour améliorer la biodégradation et réduire la viscosité du digestat</td></tr><tr><td>Présence d'indésirables (pierres, sables, bois, ficelles, métaux)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Spécificités IM</td><td rowspan="2">Fibres longues → contraintes mécaniques pour l'introduction et l'agitation</td><td>Energie d'agitation élevée (viscosité)</td><td></td><td>Différentes solutions de broyage existent sur le marché pour accélérer la cinétique de dégradation et faciliter l'introduction/mélange</td></tr><tr><td>Risque de flottation dans le digesteur (si fumier pailleux)</td><td></td><td>Des prétraitements de type ultrason ou cavitation existent pour réduire la viscosité du digestat et améliorer la digestion de la matière.</td></tr><tr><td rowspan="4">Lisier</td><td rowspan="4">Voie sèche IM</td><td>Taux de MS faible<br>Faible potentiel méthanogène<br>C/N faible: risque inhibition NH<sub>3</sub><br>Concentration élevée de soufre (lisier porcin)</td><td>Pertes au stockage<br>Sédimentation pendant le stockage<br>Génération d'H<sub>2</sub>S en particulier pour le lisier porcin</td><td>Matière odorante (précaution stockage/transport)<br>Volumes importants → transport sur de courtes distances<br>SPAN (dérogation possible à la stérilisation/hygiénisation)</td><td>Réduire la durée du stockage à 1 ou 2 semaines maximum pour limiter les pertes de matière et de potentiel méthanogène pendant le stockage : stocker en fosse couverte agitée (Peyrelasse C. et al., 2017).<br>Conception de la cuve en pointe de diamant avec possibilité de vider la fosse intégralement pour éliminer les matières en suspension, support de développement bactérien (Peyrelasse C. et al., 2017).<br>Méthaniser le lisier en co-digestion pour équilibrer le C/N et le faible taux de MS de la ration</td></tr><tr><td>Présence de polluants : cuivre et zinc pour les lisiers de porc, hormones, antibiotiques, ...</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bon pouvoir tampon</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Très fermentescible<br>C/N faible<br>Concentration élevée en soufre<br>Présence d'indésirables (terre, plumes)</td><td>Risque d'inhibition azote<br>Génération d'H<sub>2</sub>S</td><td>SPAN (dérogation possible à la stérilisation/hygiénisation)</td><td>Prétraitement thermochimique (extraction d'azote, amélioration de l'accessibilité cellulose/hémicellulose)<br>Méthaniser en co-digestion</td></tr><tr><td colspan="6"><strong>Résidus agricoles</strong></td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th rowspan="2">Nomenclature intrants</th><th rowspan="2">Type procédé méthanisation</th><th colspan="3">Facteurs limitants</th><th rowspan="2">Leviers d'actions : Approvisionnement et stockage, Prétraitement et préparation de la ration</th></tr><tr><th>Composition de la matière</th><th>Facteurs réactionnels et biologiques</th><th>Facteurs opérationnels</th></tr></thead><tbody><tr><td>Pailles de céréales</td><td>Voie sèche IM</td><td>Fibres longues<br>Présence de soufre pour une partie des pailles (colza, moutarde)</td><td>Substrats lignocellulosiques difficilement biodégradables (lignine)</td><td>Cinétiques de dégradation lentes<br>Génération d'H2S avec les résidus de colza, moutarde</td><td>Concurrence avec le secteur animal<br>Matière payante<br>Concurrence biomasse (combustion)<br>Matière payante<br>Risque d'envol lors de la manutention</td><td>Stocker sous abri, limiter les manipulations et introductions d'air<br>Prévenir et contrôler le risque d'auto inflammation pendant le stockage<br>Méthaniser en co-digestion pour équilibrer le C/N<br>Enzymes biologiques pour améliorer la biodégradation et réduire la viscosité du digestat<br>Adapter le temps de séjour dans le digesteur aux cinétiques de dégradation de la matière</td></tr><tr><td>Menues pailles</td><td>Voie sèche IM</td><td>Présence de soufre pour une partie des menues pailles (colza, moutarde)</td><td>Présence d'indésirables (sable, terre, pierre)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cannes de maïs</td><td>Voie sèche IM</td><td>Fibres longues</td><td>C/N élevé</td><td></td><td>Difficulté pour le ramassage et le broyage</td><td></td></tr><tr><td>Résidus agricoles</td><td>Spécificités IM</td><td>Contraintes mécaniques pour l'introduction et l'agitation</td><td></td><td>Energie d'agitation élevée (Viscosité)<br>Risque de flottation dans le digesteur (paille) (COOP de France &amp; FNCUMA, 2011)</td><td></td><td>Différentes solutions de broyage existent sur le marché pour accélérer la cinétique de dégradation et faciliter l'introduction/mélange (broyeur à couteaux / marteaux)<br>Piège à cailloux<br>Des prétraitements de type ultrason ou cavitation existent pour réduire la viscosité du digestat et améliorer la digestion de la matière.</td></tr><tr><th colspan="6">Production végétale</th></tr><tr><td>CIVE d'hiver</td><td>Voie sèche IM</td><td>Matière hachée à l'ensileuse<br>Présence d'acides</td><td></td><td></td><td>Coût de production élevé avec des rendements aléatoires</td><td>Une attention particulière doit être portée lors de la récolte et du stockage pour limiter la présence d'indésirables</td></tr><tr><td>CIVE d'été</td><td>Voie sèche IM</td><td>Substrat rapidement biodégradable<br>Présence d'indésirables (pierres, sables)</td><td></td><td>Dégradation de la matière en absence de stockage adapté</td><td>Logistique pour le stockage (ensilage)<br>Saisonnalité</td><td>Bonne conservation de la matière ensilée, récupération des jus avec piège à cailloux<br>Prévoir un piège à cailloux et/ou pré fosses et puisard en amont des pompes (Ollivier 2016)</td></tr><tr><td>Ensilage d'herbe</td><td>Voie sèche IM</td><td>Présence d'indésirables (pierres, sables)<br>Composition saisonnière : plus ligneuses en fin d'été</td><td></td><td>Risque d'acidification</td><td>Coût faible<br>Saisonnalité<br>Production existante</td><td>Enzymes biologiques pour améliorer la biodégradation et réduire la viscosité du digestat<br>Attendre à minima 4 semaines après l'ensilage pour introduire la matière (risque d'acidose) (PlanET)</td></tr><tr><td>Production végétale</td><td>Spécificités IM</td><td></td><td></td><td>Energie d'agitation élevée (Viscosité)</td><td></td><td>Privilégier les brins courts pour le réglage de l'ensileuse (Ollivier 2016)</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th rowspan="2">Nomenclature intrants</th><th rowspan="2">Type procédé méthanisation</th><th colspan="3">Facteurs limitants</th><th rowspan="2">Leviers d'actions : Approvisionnement et stockage, Prétraitement et préparation de la ration</th></tr><tr><th>Composition de la matière</th><th>Facteurs réactionnels et biologiques</th><th>Facteurs opérationnels</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td>Risque de flottation dans le digesteur si ensilage grossier</td><td></td><td>Un compromis doit être trouvé entre le tonnage de matière produite et sa biodégradabilité (choix de l'espèce et de la période de récolte) (Ollivier 2016)<br>Des prétraitements de type ultrason ou cavitation existent pour réduire la viscosité du digestat et améliorer la digestion de la matière.</td></tr><tr><th colspan="6">Déchets verts des collectivités</th></tr><tr><td>Tontes</td><td>Voie sèche IM</td><td>Risque d'indésirables (pierres, sables, plastiques, métaux...)<br>Composition saisonnière : plus ligneuses en fin d'été</td><td>Risque d'acidification</td><td>Redevance<br>Production saisonnière<br>Filière de collecte existante (COOP de France & FNCUMA, 2011)</td><td>Enzymes biologiques existantes sur le marché pour améliorer la biodégradation et réduire la viscosité du digestat<br>Limiter à 10 à 20 % massique de la ration, selon la saison (voie sèche) (Zdanevitch et al., 2018)<br>Limiter la durée de stockage ou ensiler la matière</td></tr><tr><td>Broyat de déchets verts</td><td>Voie sèche IM</td><td>Risque d'indésirables (plastiques...)<br>Fort taux de lignine → fraction peu ou pas biodégradable (bois, tailles d'arbustes)</td><td>Cinétiques de dégradation lentes</td><td>Production saisonnière<br>Concurrence avec la filière de compostage</td><td>Sélectionner les matières à méthaniser : herbe</td></tr><tr><td>Fauches de bord de route (Zdanevitch et al., 2018)</td><td>Voie sèche IM</td><td>Présence d'indésirables (plastiques, verres, canettes...)<br>Composition saisonnière : plus ligneuses en fin d'été</td><td>Risque d'acidification (Zdanevitch et al., 2018)</td><td>Production saisonnière<br>Nettoyage nécessaire de la zone avant fauchage</td><td>Ne pas faucher trop près du sol pour ne pas polluer la fauche par de la terre<br>Enzymes biologiques existantes sur le marché pour améliorer la biodégradation et réduire la viscosité du digestat<br>Limiter à 10 à 20 % massique de la ration, selon la saison (voie sèche)<br>Des prétraitements de type ultrason ou cavitation existent pour réduire la viscosité du digestat et améliorer la digestion de la matière.</td></tr><tr><td>Déchets verts des collectivités</td><td>Spécificités IM</td><td></td><td>Energie d'agitation élevée (Viscosité)<br>Risque de flottation dans le digesteur</td><td></td><td>Les problèmes de flottation peuvent être résolus par la mise en place de broyeurs (en amont de la digestion ou en recirculation sur le digesteur) et/ou une agitation adaptée</td></tr><tr><th colspan="6">Déchets et effluents des industries agroalimentaires</th></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th rowspan="2">Nomenclature intrants</th><th rowspan="2">Type procédé méthanisation</th><th colspan="3">Facteurs limitants</th><th rowspan="2">Leviers d'actions : Approvisionnement et stockage, Prétraitement et préparation de la ration</th></tr><tr><th>Composition de la matière</th><th>Facteurs réactionnels et biologiques</th><th>Facteurs opérationnels</th></tr></thead><tbody><tr><td>Industrie viande dont abattoir</td><td>IM</td><td>Substrats riches en lipides et protéines C/N faible<br>Présence de soufre (sang, protéines)</td><td>Risque d'acidification en raison de la dégradation rapide des matières<br>Risque inhibition NH<sub>3</sub> et production d'H<sub>2</sub>S</td><td>Redevance<br>Matière odorante (précaution stockage/transport)<br>Précautions particulières liées au risque H<sub>2</sub>S pour les exploitants<br>SPAN Hygiénisation et broyage nécessaire (70°C, 60 minutes Particules &lt; 12 mm)</td><td>Méthaniser les déchets de l'industrie de la viande en co-digestion</td></tr><tr><td>Industrie végétale</td><td>Voie sèche IM</td><td>Présence de terre, sable (résidus de betterave, carotte...)<br>Certains substrats sont non accessibles à la digestion en absence de broyage (pommes de terre, betteraves ...)<br>Présence de soufre pour certains produits végétaux : choux, navets, artichauts, poireaux, oignons, échalotes, ail, tomates (PlanET)</td><td>Risque de production d'H<sub>2</sub>S en présence de végétaux soufrés</td><td>Production saisonnière</td><td>Privilégier les résidus qui contiennent peu de terre et de sable qui s'accumulent en fond de digesteur<br>La production saisonnière nécessite la disponibilité de substrat de substitution<br>Selon les substrats, nécessité de broyage : (exemple résidus de pomme de terre, carottes)</td></tr><tr><td>Produits transformés (déchets alimentaires de l'industrie)</td><td>IM</td><td>Solide à liquide<br>Généralement substrat rapidement biodégradable</td><td></td><td>Classement possible en SPAN</td><td></td></tr><tr><td>Lactosérum</td><td>IM<br>Voie liquide</td><td>Liquide<br>Substrat rapidement biodégradable<br>pH acide</td><td>Risque d'acidification</td><td>SPAN</td><td></td></tr><tr><td>Boues et effluents</td><td>IM<br>Voie liquide<br>Voie sèche</td><td>Possible inhibiteurs : sels, métaux, polyphénols, désinfectants<br>Carences possibles en mono-digestion<br>Effluents parfois très dilués et peu méthanogènes</td><td>Evolution du pH</td><td>Classement possible en SPAN</td><td>Sélectionner les boues et effluents compatibles avec la méthanisation par rapport à leur dégradabilité et à l'absence d'inhibiteurs<br>Contrôler le pH et neutraliser si besoin<br>Complémenter si besoin nutriments et oligo-éléments</td></tr><tr><td>Graisses</td><td>Voie sèche (co-digestion)</td><td>Liquide à pâteux</td><td>Risque de moussage et d'acidification</td><td>Redevance</td><td>Prétraitement par saponification</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th rowspan="2">Nomenclature intrants</th><th rowspan="2">Type procédé méthanisation</th><th colspan="3">Facteurs limitants</th><th rowspan="2">Leviers d'actions : Approvisionnement et stockage, Prétraitement et préparation de la ration</th></tr><tr><th>Composition de la matière</th><th>Facteurs réactionnels et biologiques</th><th>Facteurs opérationnels</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>IM</td><td>Substrat fortement fermentescible<br/>C/N élevé</td><td>Difficultés pour le mélange (non miscibilité, flottation) et risque de colmatage</td><td>Classement possible en SPAN<br/>Stockage chauffé (&gt;20°C) pour permettre le pompage<br/>Concurrence avec d'autres voie de valorisation (COOP de France &amp; FNCUMA, 2011)</td><td>Limiter à 10-15% de la MS de la ration</td></tr><tr><th colspan="6">Boues de stations d'épuration des eaux usées</th></tr><tr><td rowspan="4">Boues biologiques</td><td rowspan="4">IM</td><td>Liquide à pâteux<br/>Présence de filasses (dont résidus de lingettes)<br/>Boues secondaires moins dégradables et méthanogènes que les boues primaires (faible accessibilité du matériel intracellulaire)<br/>Présence de polluants (ETM, hormones, antibiotiques, microplastiques...)<br/>C/N faible</td><td>Risque de moussage (si présence de bactéries filamenteuses)</td><td rowspan="4">Réglementation spécifique</td><td>Eliminer les filasse avant méthanisation<br/>Prétraitements existants : Hydrolyse thermique, sonolyse, électrocinétique<br/>Co-méthaniser des boues et graisses pour améliorer le ratio C/N<br/>En absence de boues primaires, étudier l'intérêt d'intégrer un décanteur primaire sur la file eau</td></tr><tr><td>Liquide/pâteux<br/>Présence de filasse<br/>Substrat fortement fermentescible<br/>Présence possible de plastique (COOP de France &amp; FNCUMA, 2011)</td><td>Risque de moussage et d'acidification<br/>Difficultés pour le mélange (non miscibilité, flottation) et risque de colmatage</td><td></td></tr><tr><td>Graisses de STEP</td><td>IM</td><td></td><td>Eliminer les filasse avant méthanisation<br/>Possible prétraitement par saponification<br/>Limiter à 10-15% massique dans la ration</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><th colspan="6">Biodéchets</th></tr><tr><td>FFOM</td><td></td><td>Solide</td><td>Pertes au stockage</td><td>Redevance</td><td>Optimiser le tri en amont</td></tr><tr><td>GMS</td><td></td><td>Présence d'indésirables (plastiques dont micro/nano plastiques, métaux, verre) + carton souillé et papier + matières non biodégradables (os)<br/>Ratio C/N relativement faible<br/>Substrat fortement fermentescible</td><td>Risque d'acidification en raison de la dégradation rapide des matières</td><td>Réglementation spécifique SPAN de catégorie 3<br/>Contraintes liés au stockage/transport : odeurs, nuisibles, insectes<br/>Hygiénisation et broyage</td><td>Stockage hermétique en absence d'air (avec traitement des évents)<br/>Déconditionnement nécessaire<br/>Hydrolyse anaérobie</td></tr><tr><td>Déchets de cantine et restauration</td><td>IM<br/>Voie sèche</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th rowspan="2">Nomenclature intrants</th><th rowspan="2">Type procédé méthanisation</th><th colspan="3">Facteurs limitants</th><th rowspan="2">Leviers d'actions : Approvisionnement et stockage, Prétraitement et préparation de la ration</th></tr><tr><th>Composition de la matière</th><th>Facteurs réactionnels et biologiques</th><th>Facteurs opérationnels</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="6" style="background-color: #D3D3D3; font-weight: bold;">Algues</td></tr><tr><td rowspan="4">Macroalgues</td><td rowspan="4">IM</td><td>Solide</td><td></td><td></td><td>Limiter le taux de macroalgues dans la recette : co-digestion</td></tr><tr><td>Présence de soufre et ratio C/N faible</td><td></td><td>Précautions particulières liées au risque H2S pour les exploitants</td><td>Acclimater les microorganismes de la digestion anaérobie</td></tr><tr><td>Présence de sables et de sels dont NaCl</td><td>Inhibition du process de méthanisation : sels (algues marines), soufre</td><td>Production non continue pour les algues d'échouage nécessitant un stockage</td><td>Traiter le biogaz (dans le digesteur par injection d'oxygène dans le ciel gazeux ou en amont du process de valorisation) et/ou injection de réactifs (hydroxyde de fer, chlorure de fer) dans le digesteur pour précipiter le soufre</td></tr><tr><td>Les sargasses contiennent de l'arsenic et du chlordécone dans certaines zones</td><td>Perte de matière lors du stockage</td><td>Sable : ensablement digesteur, vieillissement prématuré du matériel</td><td>La production saisonnière nécessite la disponibilité de substrats de substitution</td></tr><tr><td></td><td>Taux élevé de matières minérales → Faible potentiel méthanogène</td><td></td><td>Nécessité de mettre en place un mode de stockage conservatif (laver les algues à l'eau de mer voire à l'eau douce pour réduire la présence de sels et éliminer les sables)</td><td>Limiter le ramassage du sable lors du ramassage des algues (ramassage des algues en mer, tamisage) et/ou réduire la présence de sels et éliminer les sables</td></tr><tr><td rowspan="3">Microalgues et spiruline</td><td rowspan="3"></td><td>Liquide : faible teneur en MS</td><td></td><td></td><td>Prétraitements pour casser la paroi cellulaire (Ward, Lewis, et Green 2014)</td></tr><tr><td>Faible accessibilité du matériel intracellulaire</td><td>Inhibition du process de méthanisation : sels (micro-algues marines)</td><td>Nécessité de mettre un process de récolte et de concentration des microalgues compte tenu de leur faible concentration</td><td>Limiter le substrat dans la recette : co-digestion (équilibrage du ratio C/N)</td></tr><tr><td>Ratio C/N faible</td><td></td><td></td><td>Sélectionner les microalgues selon leur aptitude à produire du méthane, faciliter leur récolte et à produire des molécules à forte valeur ajoutée</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td>Méthaniser les résidus de microalgues après valorisation pour des applications à forte valeur ajoutée (molécules d'intérêt)</td></tr></tbody></table>
# Volet 2 : Synthèse bibliographique des technologies de stockage et prétraitements des intrants en méthanisation

## 2.1. Introduction

Parmi les différents intrants utilisés en méthanisation certains comme les cultures intermédiaires à vocation énergétiques (CIVE) ne sont produits ou récoltés qu'une ou deux fois par an, ils doivent donc être stockés jusqu'à leur introduction dans le méthaniseur. L'objectif principal du stockage sera la conservation de la matière organique, en particulier la conservation du potentiel méthanogène. La problématique de stockage sont également prégnante dans le cas des matrices facilement biodégradables telles que les déchets alimentaires (biodéchets, soupes de déconditionnement...) mais aussi des fumiers et lisiers pour lesquels des emissions de méthane ont lieu pendant le stockage.

Pour la plupart des intrants solides, l'hydrolyse est l'étape limitante de la cinétique de méthanisation. Des prétraitements peuvent être appliqués afin de faciliter cette étape. L'objectif du prétraitement sera alors l'amélioration de l'accessibilité et de la biodégradabilité de la matière organique. Notamment, la solubilisation de la matière particulaire et l'augmentation de la surface spécifique facilitent le contact entre la matière biodégradable et les enzymes, ce qui résulte en une augmentation de rendement méthane et une amélioration de la cinétique de dégradation biologique. Outre cet objectif principal visant à favoriser l'expression du potentiel biométhanogène, les prétraitements peuvent permettre de :

- Hygiéniser certains substrats tels que les sous produits animaux comme imposé par la règlementation

- Introduire la matière dans le méthaniseur

- Concentrer les matières organiques dans les intrants

- Diminuer la viscosité du milieu réactionnel et donc des problématiques de pompage et réduction des coûts énergétiques de brassage

## 2.2. Les technologies de prétraitements et leur positionnement

Afin d'améliorer l'expression ou la conservation du potentiel méthanogène des biomasses méthanisables, différentes technologies de prétraitements peuvent être appliquées et sont généralement classifiées en mécanique, physique, thermique, chimique et biologique et des combinaisons de prétraitements peuvent aussi être envisagées (Atelge et al., 2020; Carrere et al., 2016; Hashemi et al., 2021) (Figure 9). Outre l'amélioration du pouvoir méthanogène, les technologies de prétraitement peuvent avoir un impact positif sur le bon fonctionnement et l'entretien des outils (pompes, canalisation, mélangeur, agitateur) ainsi que sur la puissance et la consommation énergétique de ces mêmes outils (Garuti et al., 2017; Mönch-Tegeder et al., 2014).
## Les solutions de prétraitements et stockage pour la méthanisation

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 13 : Les technologies de prétraitements et de stockage par catégories (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

Il existent différentes technologies de prétraitements qui sont décrites ci-dessous :

### Prétraitement mécanique :

Les prétraitements mécaniques regroupent les différentes typologies de broyeurs, les systèmes d'extrusion, les malaxeurs en entrée de méthaniseur et les pompes dilacératrices. Parmi les **broyeurs**, nous retrouvons notamment : broyeurs à marteaux, à couteaux, à flux croisé.... **La pompe dilacératrice** pompe et broie en une seule fonction, ce qui empêche le colmatage ou le blocage. Parmi les prétraitements mécanique, l'**extrusion** bi-vis est un **procédé** de prétraitement physique prometteur pour la conversion de la **biomasse lignocellulosique**. L'extrusion bi-vis est un processus qui combine plusieurs opérations dans une seule unité. Lors de l'extrusion, les matières traitées peuvent être soumises à différents type de contraintes : thermique, mécanique (mélange, frottement, cisaillement..), chimique et biochimique entraînant des modifications physiques et structurales des polymères constitutifs.

### Prétraitement physique :

Les prétraitements physiques rassemblent les procédés de cavitation, d'ultrasons, de micro-ondes, de désintégration électrocinétique. Le prétraitement **micro-ondes** est l'une des méthodes de prétraitement physique. Le principe principal du mécanisme est le rayonnement électromagnétique utilisant une large gamme de fréquences de 300 MHz à 300 GHz avec des longueurs d'onde allant de 1 mm à 1 m, respectivement (Atelge et al., 2020; Marin et al., 2010). Par ailleurs, **des procédés de cavitation**, aujourd'hui commercialisé par les sociétés Cavimax (https://www.cavimax.co.uk) et Biobang (https://www.biobang.com/web/fr/biobang-fr/) sont des solutions en pleine expansion. On appelle cavitation la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Les **prétraitements ultrasons (sonication)** ont aussi été appliqués notamment sur les filières boues. La sonication consiste en la propagation d'ondes de pression dans un milieu liquide et en la formation de bulles de cavitation qui implosent violemment lorsqu'elles atteignent une taille critique. Une grande quantité d'énergie mécanique est alors libérée entraînant des phénomènes de fortes turbulences et de forts cisaillements au sein du liquide. Le prétraitement
par **désintégration électrocinétique**, utilise des champs électriques de tension élevée (jusqu'à quelques dizaines de kilovolts) sur des pulses de quelques millisecondes. Finalement, **le procédé de centrifugeuse lyseuse** est une centrifugeuse traditionnelle à laquelle un système de lyse cellulaire a été ajouté. Les forces de cisaillement entre des lames fixes solidaires de la paroi interne de la centrifugeuse et des lames mobiles fixées sur le rotor conduisent à la désintégration partielle

## Prétraitement thermique et thermo-chimique :

Les prétraitements thermiques et thermo-chimiques peuvent aussi être appliqués. Aujourd'hui, ce sont majoritairement des procédés thermiques à hautes températures qui sont appliqués (Cambi®, Exelys®...) notamment dans le cadre des unités de méthanisation traitant des boues. L'hydrolyse thermique peut avoir lieu à haute température, entre 140 et 180°C sous pression ou à faible température. L'hydrolyse thermique à des températures inférieures à 80°C a également été étudiée, ces procédés impliquant des réactions biologiques, les durées sont de l'ordre de la dizaine d'heures à quelques journées. En parallèle, un agent chimique (acide, oxydant, alcalin) peut aussi être ajouté. Les prétraitements thermo-chimiques sont jusqu'à présent majoritairement uutilisés à l'échelle du laboratoire et les agents utilisés sont l'acide sulfurique, acide phosphorique, soude, chaux...

## Prétraitement biologique :

Les prétraitements biologiques concernent les prétraitements qui engagent des organismes vivants, sont comptés dans cette catégorie l'ensilage, le pré-compostage de la matière, les prétraitements enzymatiques ou fongiques. Les prétraitements biologiques présentent l'avantage de CAPEX faibles, de simplicité de mise en œuvre mais nécessite souvent de travailler dans des conditions de stérilité afin d'éviter la consommation de la matière soluble par les organismes endogènes.

Ces technologies de prétraitements peuvent être appliqués seuls ou en synergie. Il n'est pas rare de coupler des prétraitements mécaniques avec des prétraitements thermiques, biologiques ou physiques.

A l'échelle industrielle, le choix du prétraitements appliqués dépend de divers paramètres :

- La nature de la biomasse à traiter ;

- Le type de méthanisation (voie sèche garage, voie sèche piston, infiniment mélangé) ;

- La formation de potentiel inhibiteurs de la méthanisation ;

- La valorisation du biogaz (injection, cogénération) qui peut impacter la rentabilité de l'unité de méthanisation ;

- Des CAPEX et OPEX de l'unité de prétraitement à mettre en place au regard de la rentabilité globale (Excédent Brut d'exploitation et Résultat d'exploitation).

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 14 : Différentes configurations de couplage des procédés de prétraitements et de méthanisation
Source : (Carrère et al., 2021)</figcaption></figure>
La Figure 14 présente les différents configurations pour le couplage des procédés de prétraitements ou de stockage de la matière et de méthanisation. Le positionnement en amont du méthaniseur est le plus fréquent, il peut cependant être pertinent, dans le cas de la codigestion, de ne traiter que les substrats les plus difficiles à dégrader ou ceux nécessitant une hygiénisation. Le prétraitement peut aussi être appliqué entre le digesteur et le post-digesteur ou sur une boucle de recirculation du digestat (procédé de cavitation de la société Biobang ou système gaz mix). Cette dernière option permet un meilleur brassage du milieu réactionnel et une réduction de la formation de croûte en surface. De plus, si le traitement est appliqué au digestat, le procédé biologique qui permet une première réduction de la matière facilement dégradable ; le traitement va donc cibler la matière difficilement dégradable présengte dans le digestat solide avant de la réintroduire dans le digesteur ou post-digesteur (Brémond et al., 2018). La concentration de la matière particulaire par une étape de séparation de phase permet de réduire le volume de déchets à traiter et, en conséquence, la consommation énergétique des prétraitements.

## 2.3. Visualisation de l'état de l'art au niveau National et International

Afin de prendre un peu de hauteur sur les travaux réalisés sur la thématique des pré-traitement et ainsi de se différencier des nombreux états de l'art disponibles, une démarche de recherche des travaux scientifiques au niveau national et international a été réalisée :

* En ce qui concerne le niveau National, nous avons consulté l'intégralité des membres scientifiques du CTBM (Centre Technique du Biogaz et de la méthanisation, https://atee.fr/energies-renouvelables/club-biogaz/ctbm) afin de recueillir les projets R&D et les thèses sur le sujet du prétraitement de ses dix dernières années (2010-2021). Nous avons aussi étendu l'enquête auprès des acteurs industriels majeurs de la méthanisation (SUEZ, VEOLIA, ENGIE, SUEZ, TOTAL, AIR LIQUIDE, GRDF...) afin d'identifier l'existence des collaborations industriels / académiques et également de connaître les similitudes ou les différences des axes et des priorités R&D entre les instituts publics et industriels.

* En ce qui concerne le niveau International, nous avons utilisé le moteur de recherche Web of Science (base de données bibliographiques universitaire en ligne fournie par l'Institute for Scientific Information). La recherche a porté sur les mots clés « pretreatment anaerobic digestion » or « pretreatment biogas » dans le domaine topic « keywords, title, abstract ». Nous avons ensuite adopté deux stratégies de traitements des données. La première a consisté à utiliser l'interface Web of Science (https://apps.webofknowledge.com) pour obtenir des données statistiques sur les années de publication, les auteurs publiant le plus, les organisations et pays, les typologies d'ouvrages.... La deuxième démarche a consisté à traiter les données à l'aide du logiciel open access VOS VIEWER (https://www.vosviewer.com/) qui est un logiciel de scientométrie. VOSviewer est un outil pour la construction et la visualisation de réseaux bibliométriques.

### 2.3.1. Niveau National

Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à identifier les thèses et les projets en cours au niveau National autour de la problématique stockage et prétraitement de la matière avant méthanisation.

Aujourd'hui, huit laboratoires travaillant sur cette thématique ont été identifiés au niveau National (Figure 15). Le laboratoire le plus actif sur le sujet est l'INRAE-LBE avec pas moins de 8 thèses ces dix dernières années. L'INSA de Lyon a aussi été pas mal impliqué avec 3 thèses notamment sur les projets ADEME SAM et PAM. D'autres laboratoires ou centre de recherche comme l'UTC, LBC, INRAE et APESA travaille aussi sur ces thématiques.
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 15 : Laboratoires publics ou centre de recherche impliqués dans les thèses autour de la problématique stockage et prétraitement de la matière avant méthanisation (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

Comme spécifié en Figure 16, **depuis 2011, en France**, la plupart des thèses porte sur les biomasses lignocellulosiques et résidus agricoles (13 thèses), puis viennent les sujets des biodéchets/ordures ménagères (4 thèses) puis des boues (2 thèses). En ce qui concerne, les biomasses lignocellulosiques et résidus agricoles, les thèses ont porté sur le stockage des CIVEs avant méthanisation, sur le prétraitement des résidus agricoles, des cultures énergétiques et des fumiers. Une thèse a aussi porté sur le prétraitement de digestat solide de méthanisation en recirculation (Thèse Ulysse Brémond). A noter qu'une thèse est en cours sur la biodégradabilité des plastiques biodégradables en lien avec le secteur des biodéchets au sein de l'APESA.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 16 : Origine des gisements étudiés dans les thèses autour de la problématique stockage et prétraitement de la matière avant méthanisation (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

Une liste détaillée des différentes thèses sur ces dix dernières années est fournie en Tableau 6. Il est a noter l'absence de thèses sur certaines typologies de biomasses et notamment les biomasses algales (micro et macro-algues). Enfin, il est important de noter que certains industriels sont impliqués dans les thèses (GRDF, AIR LIQUIDE, OCP...). Toutefois, cette implication reste assez marginale et pourrait en partie expliquer le décalage que nous pouvons retrouver entre expérimentations menées à l'échelle laboratoire et réalité industrielle.
En parallèle des thèses, nous avons aussi réalisé un recensement des projets en cours sur la problématique du stockage et prétraitement de la matière avant méthanisation. Le Tableau 7 présente les différents projets en cours et les partenaires associés.
<table><caption>Tableau 6 : Détail des thèses qui sont en cours dans les différents instituts (RECORD, 2022)</caption><thead><tr><td>Nom et Prénom</td><td>Année</td><td>Laboratoire</td><td>Industriel impliqué</td><td>Biomasses</td><td>Titre de la thèse</td></tr></thead><tbody><tr><td>David Jackowiak</td><td>2011</td><td>Unilasalle/ UTC</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Prétraitement de biomasses lignocellulosiques par microonde pour l'amélioration du procédé de biométhanisation</td></tr><tr><td>Anthony Boulanger</td><td>2011</td><td>INRAE-PROSE</td><td></td><td>déchet ménager</td><td>Préparation d'un déchet ménager pour l'optimisation du potentiel et de la cinétique méthanogène</td></tr><tr><td>Florian Monlau</td><td>2012</td><td>INRAE-LBE</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Application de prétraitements pour améliorer la production de biohydrogène et méthane: lien entre propriétés physico-chimiques et performances</td></tr><tr><td>Cecilia Sambusiti</td><td>2013</td><td>INRAE-LBE</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Etude de prétraitements et post-traitements pour améliorer l'expression du potentiel méthanogène de résidus agricoles</td></tr><tr><td>Hughes Carlei</td><td>2013</td><td>INRAE-PROSE</td><td></td><td>déchet ménager</td><td>Caractérisation et optimisation d'une étape statique d'hydrolyse des ordures ménagères résiduelles en vue de leur méthanisation hors-sol</td></tr><tr><td>Vincent Nordmann</td><td>2013</td><td>APESA-UPPA</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Caractérisation et impact des différentes fractions d'une biomasse lignocellulosique pour améliorer les prétraitements favorisant sa méthanisation</td></tr><tr><td>Le Ngoc Tuan</td><td>2013</td><td>LGC Toulouse</td><td></td><td>Boues</td><td>Optimisation du prétraitement des boues par sonication à basse fréquence sous pression</td></tr><tr><td>Elsa Rouches</td><td>2015</td><td>INRAE-LBE</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Impact de prétraitements fongiques sur la méthanisation de la biomasse lignocellulosique, caractérisation des substrats transformés</td></tr><tr><td>Xun Liu</td><td>2015</td><td>INSA Lyon</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Valorisation énergétique de la biomasse lignocellulosique par digestion anaérobie : prétraitement fongique aérobie</td></tr><tr><td>JH Tian</td><td>2016</td><td>INRAE Rennes</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Etude d'un prétraitement biologique des biomasses lignocellulosiques par une approche microbiologique et de bioprocédé</td></tr><tr><td>Henry Fisgativa</td><td>2016</td><td>INRAE Rennes</td><td></td><td>Biodéchets</td><td>Etude de l'impact d'un prétraitement aérobie sur la digestion anaérobie de déchets de cuisine</td></tr><tr><td>Ruben Teixera Franco</td><td>2017</td><td>INSA Lyon</td><td></td><td>Résidus agricoles</td><td>Optimisation des pratiques de gestion des déchets agricoles en lien avec leur valorisation par méthanisation</td></tr><tr><td>Ulysse Brémond</td><td>2019</td><td>INRAE-LBE</td><td>Air Liquid</td><td>Résidus agricoles</td><td>Optimisation de la gestion des digestats : post-traitements et recirculation pour une amélioration de l'efficacité énergétique des sites de méthanisation</td></tr><tr><td>Aurélie Bichot</td><td>2019</td><td>INRAE-LBE</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Liens entre la composition de la biomasse et l'efficacité des prétraitements appliqués en vue d'une valorisation en bioraffinerie</td></tr><tr><td>Hélène Thomas</td><td>2019</td><td>INRAE-LBE</td><td></td><td>Biomasses lignocellulosiques</td><td>Etude de l'impact des pré-traitements alcalins sur la digestion anaérobie du sorgho et du miscanthus</td></tr><tr><td>Doha El Alami</td><td>2020</td><td>INRAE-LBE</td><td>OCP</td><td>Boues</td><td>Couplage de la co-digestion et du prétraitement appliqué aux boues de STEP et aux résidus de biomasse pour produire du biogaz et des biofertilisants</td></tr><tr><td>Helen Laura Coarita Fernandez</td><td>2021</td><td>INSA Lyon</td><td></td><td>Résidus agricoles</td><td>Prétraitement des déchets agricoles pour l'optimisation de leur valorisation par méthanisation</td></tr><tr><td>Clément Van Vlierberghe</td><td>en cours</td><td>INRAE-LBE</td><td>GRDF</td><td>CIVEs</td><td>Stockage et prétraitement des CIVEs avant méthanisation</td></tr><tr><td>Guillaume Cazaudehore</td><td>en cours</td><td>APESA-UPPA</td><td></td><td>Biodéchets/Bioplastiques</td><td>Méthanisation des plastiques biodégradables en co-digestion avec des biodéchets: communauté microbienne et impact de prétraitements</td></tr></tbody></table>
<table><caption>Tableau 7 : Détail des projets qui sont en cours dans les différents instituts (RECORD, 2022)</caption><thead><tr><th>Nom du projet</th><th>Date projet</th><th>Titre du projet</th><th>Financeur</th><th>Partenaires</th></tr></thead><tbody><tr><td>SAM</td><td>2015-2017</td><td>SAM - Stockage de la matière avant méthanisation</td><td>ADEME-DOSTE</td><td>INSA Lyon - Labo. DEEP, APESA</td></tr><tr><td>PAM</td><td>2020-2018</td><td>PAM - Prétraitement de la matière avant méthanisation</td><td>ADEME-GRAINE</td><td>INSA Lyon - Labo. DEEP, NOREMAT, ENSAIA</td></tr><tr><td>EQUIMETHA</td><td>2019-2012</td><td>Méthanisation de fumiers équins: application de prétraitement thermo-chimique</td><td>FEDER Région N. Aquitaine</td><td>APESA, Univ. Griffith<br>INRAE (FARE, BCF, LBE, IATE), Solagro, Vivescia, Envolure</td></tr><tr><td>STOCKACTIF</td><td>2016-2021</td><td>Stockage actif de la biomasse pour faciliter sa transformation industrielle</td><td>ANR</td><td></td></tr><tr><td>BFF</td><td>2020-2021</td><td>Biomass For Future</td><td>ANR (PIA)</td><td>INRAE-LBE</td></tr><tr><td>METHAPLAST</td><td>2023-2018</td><td>Méthanisation de plastiques biodégradables: impact de prétraitements</td><td>ADEME-GRAINE</td><td>RITTMO, IRMA, APESA, SARIA</td></tr><tr><td>VALERORIS</td><td>2019</td><td>Valorisation é coefficientie des sous-produits des IAA : extraction de biomolécules et production d'énergie</td><td>Carnot 3BCAR</td><td>INRAE-LBE<br>EURODIS, GIE GAO (l'interprofession des huiles et protéines végétales, Terres Univia, et deux instituts techniques, Arvalis et Terres Inovia)</td></tr><tr><td>OPTICIVE</td><td></td><td>Optimisation de la mobilisation de cive pour la méthanisation dans les systèmes d'exploitation</td><td>ADEME-GRAINE</td><td>Arvalis, Cavac, Euralis, Aile, AMF, Oxyane, Engie</td></tr><tr><td>RECITAL</td><td>2020-2022</td><td>Capitaliser et valoriser les informations sur les Cultures Intermédiaires à Vocation Energétique</td><td>ADEME-GRAINE</td><td></td></tr><tr><td>BIOGAZ RIO</td><td>2022-2010</td><td>Biogaz Recherche Innovation en Occitanie</td><td>FEDER Région occitanie</td><td>INRAE-LBE</td></tr><tr><td>WINSEAFUEL</td><td>2013-2012</td><td>Production de macroalgues pour une valorisation en biométhane et autres bioproduits</td><td>ANR</td><td>INRAE-LBE</td></tr><tr><td>ADAW</td><td>2015-2012</td><td>Saponification pre-treatment and biosensors based control system for slaughterhouse waste anaerobic digestion improvement</td><td>SME FP7</td><td>INRAE-LBE</td></tr><tr><td>PEACE</td><td>2013</td><td>Effet d'un prétraitement thermochimique et mécanique de la paille de blé sur ses performances pour les conversions en bio-éthanol et méthane</td><td>Carnot 3BCAR</td><td>INRAE-LBE</td></tr><tr><td>URBANBIOM</td><td>2018-2021</td><td>UrbanBiom - Orientation et prétraitement des Biodéchets en territoire Urbain pour leur valorisation énergétique par conversion biologique et/ou thermochimique en Méthane destiné à l'injection en réseau</td><td>ADEME-GRAINE</td><td>PROVADEMSE, INSA Lyon - Labo. DEEP, GRDF, IRCELYON, Métropole de Lyon</td></tr><tr><td>PETIOLE</td><td>2013-2016</td><td>PrEtraitements blOlogiques des substrats Lignocellulosique</td><td>ADEME-DOSTE</td><td>INRAE-OPAALE, LUBEM</td></tr><tr><td>METHACHAMP</td><td>2011-2014</td><td>Prétraitement biologique des substrats lignocellulosique en vue de leur utilisation en méthanisation, utilisation de champignons lignolytiques</td><td>ADEME-DOSTE</td><td>INRAE-OPAALE</td></tr><tr><td>RESIMETHA</td><td>2017-2007</td><td>Méthanisation par voie sèche à la ferme de résidus de cultures</td><td>ADEME-DOSTE</td><td>INRAE-OPAALE, ARVALIS, Gaec Bois Joly</td></tr><tr><td>Bioptime</td><td>2011-2021</td><td>Programme de recherche sur la préparation des déchets pour l'optimisation de la biodégradation par méthanisation des déchets ménagers et assimilés</td><td>ANR</td><td>Veri, INRAE-PROSE, IMFT, LSEE, LIRIGM, LIPE</td></tr><tr><td>Save</td><td>2022</td><td>Valorisation agro-énergétique des Sargasses - SAVE</td><td>ANR</td><td>Ensaia, INRAE URZ, SOMARA, LAE</td></tr></tbody></table>
Dans la Figure 17, les projets ont été regroupés par catégories de gisements. On remarque que la plupart des projets au même titre que les thèses ont tourné autour des biomasses lignocellulosiques et résidus agricoles. Parmi ces projets, cetains ont concerné les CIVEs (Recital, Opticive), d'autres les déchets agricoles (SAM, PAM, Equimetha, Stockactif...) et les résidus de cultures (Peace, Résimétha, Methachamp, Petiole). Les projets SAM et PAM ont portés sur l'étude des technologies de stockage et de prétraitement de la matière avant méthanisation. Ces deux projets ont été coordonnées par l'INSA de Lyon. Les projets RECITAL et OPTICIVE coordonnés par ARVALIS ont porté en partie sur l'utilisation et le stockage des CIVEs avant méthanisation. Le projet Stockactif coordonné par l'INRAE-LBE et les projets PETIOLE et METHACHAMP coordonnés par l'INRAE-OPAALE ont porté sur l'application de prétraitements biologiques.

A noter l'intérêt scientifique aussi sur la thématique des biodéchets avec trois projets en cours. Parmi eux, le projet METHAPLAST (en cours) coordonné par RITTMO abordera notamment la gestion des plastiques biodégradables dans des filières de méthanisation de biodéchets. Une attention particulière sera faite sur l'utilisation de prétraitements (mécanique, biologique, thermo-chimique) afin d'améliorer la biodégradabilité de différents grades commerciaux de plastiques biodégradables.

Finalement, les algues et les déchets d'IAA sont aussi étudiés. Le projet ANR SAVE (en cours) coordonné par l'ENSAIA étudiera la valorisation des sargasses en filière méthanisation. Un focus particulier sera fait à délimiter les zones de collecte de Sargasses, et de définir les procédés de conservation stabilisés des algues récoltées sous deux formes, séchées et ensilées, dans des conditions sanitaires contrôlées.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 17 : Les projets autour du stockage et du prétraitement de la matière avant méthanisation par catégories de biomasses et gisements (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

Enfin la Figure 18 représente les principaux financeurs de ces projets R&D. Une grande majorité de ces projets ont été financée par l'ADEME via les programmes DOSTE (4 projets) et GRAINE (5 projets). Les autres sources de financement proviennent de l'ANR, de l'Europe (via les fonds FEDER ou FP7) et de l'institut Carnot 3 BCAR (https://3bcar.fr/).
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 18 : Les financeurs des projets R&D (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

**Note :**

En parallèle des membres du CTBM, les acteurs industriels majeurs de la méthanisation (SUEZ, VEOLIA, GRDF, AIR LIQUIDE, ENGIE, TOTAL ENERGIES) ont été contactés. Seul GRDF et AIR LIQUIDE nous ont fait remonter des travaux sur la thématique du stockage et du prétraitement de la matière avec les thèses notamment de Clément Van Vlierberghe et de Ulysse Brémond. Toutefois, cela ne signifie pas que les autres industriels ne travaillent pas sur la thématique.

### 2.3.2. Niveau International

Sur Web of Science, nous avons fait un recensement des ouvrages scientifiques sur la période 2000-2021. Sur cette période il a été recensé en tout 5923 ouvrages (en date du 19/05/2021). Sur la Figure 19, on observe une activité exponentielle (courbe de modélisation) de recherche scientifique sur le sujet. Seulement sur l'année 2020, plus de 964 ouvrages ont été publiés.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 19 : Nombre de publications sur le sujet prétraitement et méthanisation publiées ces dernières années 2000-2021 (RECORD, 2022)</figcaption></figure>
Les documents publiés sur les années 2000-2021 concernent majoritairement des articles scientifiques, des proceedings de conférences et des review bibliographique (Figure 20). En effet sur cette période, on recense 5208 articles, 523 proceedings et 433 revuew bibliographiques.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 20 : Typologies d'ouvrages sur le sujet prétraitement et méthanisation publiés ces dernières années 2000-2021 (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

La Figure 21 regroupe les principaux instituts et centres de recherche travaillant sur la thématique du prétraitement de la matière avant méthanisation. Excepté l'INRAE et le Technical University of Denmark, l'intégralité des autres centres sont d'origine asiatique. Cette tendance n'est pas propre à cette thématique mais reflète une augmentation de la capacité des centres asiatiques dans le domaine de la recherche scientifique et de sa valorisation dans des journaux à comité de lecture International.

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Figure 21 : Organisations publiant le plus sur le sujet prétraitement et méthanisation ces dernières années 2000-2021 (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

La Figure 22 confirme cette tendance avec le pourcentage d'ouvrages réalisés sur le sujet par continent ces dernières années sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021. Il est intéressant de noter que les pays asiatiques ont augmenté leur taux de publications sur ce sujet à l'échelle mondiale avec plus
de 59% sur la période 2010-2021. L'Europe est le second pays en terme de publications suivi par le continent Américain. Loin derrière arrivent l'Océanie et l'Afrique. Toutefois, ces tendances sont à modérer et il serait intéressant de pouvoir les pondérer au ratio de scientifiques travaillant sur la thématique par continent (données non disponibles sur Web of Science).

## 2000-2010

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

## 2010-2021

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

Figure 22 : Pourcentage d'ouvrages réalisés sur le sujet par continents ces dernières années sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021 (RECORD, 2022)

La Figure 23 présente le nombre de publications dans le domaine scientifique sur les périodes 2000-2010 et 2010-2021. Il est intéressant de noter la forte progression de papiers sur ces deux périodes avec 612 documents sur la période 2000-2010 et 5456 sur la période 2010-2021. Ceci témoigne d'un intérêt croissant de la communauté scientifique sur la thématique des prétraitements de la biomasse avant méthanisation. La Chine reste le pays qui publie le plus sur ces deux périodes, suivi des Etats-Unis. La France se situe en troisième position sur la période 2000-2010 et chute à la onzième place sur la période 2010-2021.
<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 23 : Nombre d'ouvrages réalisés par pays sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021 (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

Finalement, la Figure 24 représente les dix premiers auteurs ayant le plus publié dans le domaine scientifique sur les périodes 2000-2010 et 2010-2021. Sur la période 2000-2010, deux auteurs proviennent du LBE, à savoir Hélène Carrère (https://www.researchgate.net/profile/Helene-Carrere) et Jean Philippe Delgenès. La plupart des autres auteurs viennent du Canada ou de l'Europe. Sur la période 2010-2021, seuls deux chercheurs européens restent dans le top 10, à savoir Hélène Carrère (INRAE-LBE) et MJ Taherzadeh (Université de Boras, Suède). Hélène Carrère se place en quatrième position avec 61 papiers sur la période 2010-2021 contre 17 papiers sur la période 2000-2010.
(2000-2010)

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

(2010-2021)

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Figure 24 : Auteurs ayant le plus publié sur le sujet sur la tranche 2000-2010 et 2010-2021 (RECORD, 2022)</figcaption></figure>
<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Figure 25 : Mapping sur VOS VIEWER des keywords cités au moins 50 fois dans le pool des 5923 ouvrages. Visualisation des interactions entre les keywords (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 26 : Mapping sur VOS VIEWER des pays ayant au moins 80 publicaations dans le pool des 5923 ouvrages. Visualisation des interactions entre les pays (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

En Figure 24 et 25, un mapping des mots clés « keywords » et des interactions entre les pays publant le plus sur le sujet du prétraitement et de la méthanisation est fourni.

La Figure 24 est intéressante car elle permet d'identifier différents clusters sur les mots clés. En effet, les biomasses lignocellulosiques sont associées aux prétraitements alcalins et thermiques,
l'explosion à la vapeur. Les microalgues sont associées aux prétraitements thermiques alors que les boues sont associées aux prétraitements par ultrasons, thermiques et micro-ondes. En revanche les biodéchets ne sont pas associés à une technologie de prétraitement particulière. Cette cartographie permet de visualiser les tendances de recherche de ces dernières années (2000-2021). Il est intérESSant de remarquer que certaines technologies commes les ultrasons et les prétraitements thermiques étudiés à l'échelle laboratoire sont aujourd'hui appliqués à l'échelle industrielle.

La Figure 25 dégage 3 clusters bien distincts identifiés par des codes couleurs. La Chine collabore majoritairement avec le Japon et les Etats-Unis sur ce sujet. Un certain nombre de pays Européens (France, Espagne, Italie, Allemagne...) collaborent avec des pays d'Amérique du Sud (Brésil, Mexique...) ainsi que l'Afrique. Finalement, l'Inde et la Corée du Sud collaborent majoritairement avec le Canada, la Norvège et la Turquie.

## 2.4. Application de solution de stockage et de prétraitements afin de conserver ou améliorer le pouvoir méthanogène

Dans la suite du rapport, nous nous sommes intéressés à faire un recensement de la littérature Internationale et Nationale sur l'application de technologies de stockage et/ou prétraitement afin d'améliorer le rendement en méthane.

Les résultats sont présentés par **catégories de biomasses** et un focus particulier a été réalisé sur les gisements suivants:

- Boues ;

- Biodéchets (nous avons aussi fait un focus sur les plastiques biodégradables car l'obligation de collecte sélective des biodéchets à l'horizon 2023 risque d'amener des flux de plastiques biodégradables notamment via les sacs de collecte).;

- Graisses ;

- Biomasses lignocellulosiques facilement biodégradables ;

- Biomasses lignocellulosiques plus difficilement biodégradables ;

- Algues (incluant microalgues, cyanobactéries et macroalgues).

La quantité de données bibliographiques étant très importante (cf. chapitre précédent) plusieurs hypothèses ont été prises :

- Focaliser sur les prétraitements industriels et laboratoire pilotes. Dans le cas de prétraitement prometteur ne présentant pas encore d'essais laboratoires et industriels, nous avons étendu notre recherche à l'échelle du BMP (Biochemical Methane Potential) ;

- Nous avons focalisé l'étude sur les gisements mobilisables à l'horizon 2030 et 2050 et présentant un fort potentiel de développement ;

- Pour chaque solution de prétraitements, nous avons répertorié les principaux fournisseurs industriels au niveau Internaional ;

- Pour chaque étude, nous avons essayé de récupérer l'information concernant le gain en rendement méthane ;

- Quand les données étaient disponibles, nous avons aussi fourni des informations sur les CAPEX et OPEX des solutions de prétraitements.

- Un point d'attention doit être porté à la lecture des performances des prétraitements. Les données publiées ne précisent généralement pas les pertes de matières que les prétraitements peuvent occasionner ce qui peut surestimer les performances de ces prétraitements. Une vigilance particulière sera portée aux prétraitements qui peuvent occasionner des pertes de matières notables à l'exemple des prétraitements fongiques, du pré-compostage et de l'ensilage.
### 2.4.1. Déjections animales

Les déjections animales (fumier, lisier, fiente) sont une ressource importante en méthanisation malgré des prévisions de production à la baisse liées à la diminution de l'élevage. Ces matières peuvent présenter certaines difficultés pour leur stockage et leur traitement en méthanisation en raison de leur caractère fermentescible, de leur hétérogénéité et de la présence de ligno-cellulose pour les fumiers pailleux. Les stratégies de stockage et prétraitements sont présentées ci-après.

#### 2.4.1.1. Stockage et approvisionnement (Peyrelasse C. et al., 2017)

Le projet SAM avait permis d'identifier des leviers pour limiter les pertes de matière organique et de potentiel méthanogène des fumiers et lisiers.

La limitation des entrées d'air dans les tas de fumier permet d'améliorer la conservation de la matière. Les manipulations doivent être réduites au minimum lors de sa collecte et du transport. En cas de broyage, celui-ci sera réalisé juste avant son introduction dans le méthaniseur. Le fumier sera à minima sous abri pour le protéger des eaux de pluies. Le stockage aérobie conduit à des pertes élevées de production de méthane. Teixeira Franco (2018) avait ainsi mesuré des pertes de 74% après 4 mois de stockage de fumier bovin frais alors que ces pertes étaient de 37% à 46% après 4 mois de stockage en mode confiné. Le risque d'auto-combustion du fumier pouvant conduire à un incendie doit être contrôlé pendant ce stockage. Depuis le mois de juin 2021, la réglementation impose un contrôle de température des stockages d'intrants solides à différents points du tas pour prévenir les phénomènes d'auto-échauffement (feux couvant et émission de monoxyde de carbone) (Arrêté du 14 juin 2021; Arrêté du 17 juin 2021).

Les arrêtés du 27 décembre 2013 précisent les obligations réglementaires des activités l'élevage visés par la réglementation ICPE sous le régime de la déclaration, de l'enregistrement et de l'autorisation. Cet arrêté précise que les fientes de volaille comportant plus de 65 % de matière sèche peuvent être stockées, hors zone vulnérable aux pollutions par les nitrates, sur une parcelle d'épandage dans des conditions précisées par le préfet et figurant dans l'arrêté d'autorisation de l'élevage. Elles doivent être couvertes par une bâche imperméable à l'eau mais perméable aux gaz.

Les cuves ou fosses de stockage des lisiers doivent être conçues pour permettre l'évacuation complète de la matière afin d'éliminer les matières en suspension qui sont une source de développement bactérien à l'origine des pertes de méthane. Une conception en pointe de diamant est idéale pour les lisiers qui décantent rapidement à l'exemple des lisiers de canard. Une agitation du stockage est nécessaire pour homogénéiser le lisier avant son introduction dans le méthaniseur. La couverture permet de limiter les odeurs, la volatilisation de l'azote et la dilution avec les eaux de pluies. Les Meilleures Techniques Disponibles (MTD) pour l'élevage intensif de porcs et de volailles recommandent pour limiter les émissions liées au stockage de couvrir le lisier, réduire au maximum l'agitation, acidifier le lisier (UE, 2017).

La durée du stockage sera réduite au minimum et ne devra pas dépasser 1 ou 2 semaines pour conserver le potentiel méthanogène de la matière. Il existe aujourd'hui des systèmes de couvertures adaptés à la récupération/valorisation du biogaz produit pendant le stockage à l'exemple des couvertures développées par la PME française Nénufar ou le procédé MCube (Ovalie Innovation).

Les opérateurs devront être protégés vis-à-vis des émissions de gaz, et en particulier $NH_3$ et $H_2S$. Des additifs existent pour le lisier afin de réduire les émissions d'hydrogène sulfuré ($H_2S$) et d'ammoniac ($NH_3$) pendant stockage. FCSI (Danemark) commercialise le produit ACTIVE NS composé d'argiles prétraitées. Des consortiums bactériens aérobies/anaérobies facultatifs sont commercialisés par HTS Bio (France). Il s'agit du produit GLOBALFAC® (version optimisée de la combinaison AZOFAC® plus ACTIFAC®) qui intègre également un complexe de nutriments et d'oligoéléments pour stimuler l'action des micro-organismes. Les avantages avancés par le fournisseur sont d'augmenter la liquéfaction du lisier et de réduire très fortement les émissions de gaz, jusqu'à 80% pour l'ammoniac et jusqu'à 90% pour l'hydrogène sulfuré ($H_2S$) (HTS BIO, 2018).

Le lisier présente un taux de MS faible et représente par conséquent des volumes élevés avec un faible potentiel méthanogène. Un traitement à proximité de son site de production est recommandé pour limiter le transport.
### 2.4.1.2. Prétraitement et préparation de la ration

Le broyage des fumiers est une option étudiée pour les sites équipés de digesteur en voie sèche continue ou infiniment mélangé. Il a pour objectif d'homogénéiser la matière, accélérer sa biodégradation et sécuriser le fonctionnement des unités en limitant les bouchages et les contraintes sur les pâles d'agitation. Les travaux réalisés dans le cadre du projet PAM financé par l'ADEME ont montré que les broyeurs à chaînes ou à marteaux étaient les plus efficaces pour déstructurer les fibres (Bayard et al., 2019). Ils sont généralement adaptés aux mélanges très pailleux ou riches en fibres végétales et permettent d'améliorer les cinétiques de dégradation et dans une moindre mesure la production de méthane (Bayard et al., 2019). Ce broyage permet aussi de limiter les risques de flottaison des fibres dans les digesteurs infiniment mélangés.

Une incorporation directe de la matière est toutefois proposée par certains constructeurs, le temps de séjour dans les digesteurs doit être adapté à la cinétique de dégradation de produits non broyés. Ceci impactera le choix des agitateurs afin de ne pas générer des problèmes de flottation de la matière. Le risque de bouchage des tuyauteries sera pris en compte.

Un pré-compostage est intéressant en amont de la digestion en voie sèche discontinue pour augmenter la température des matières. Ceci permet de réduire l'énergie nécessaire au chauffage de la matière en digestion et d'hydrolyser la matière difficilement biodégradable telle que le fumier pailleux. Cette pratique peut en revanche dégrader une partie de la matière organique réduisant les performances de la digestion anaérobie si sa durée est trop longue. Cette durée sera adaptée aux conditions extérieurs (saison, température), aux conditions de pré-compostage (aération, mélange, aspersion ou non de la matière, humidité du tas) et à la cinétique de dégradation de la matière. Ce prétraitement est appliqué sur plusieurs sites agricoles. Peu de données de performances chiffrées sont toutefois publiées.

La description détaillée des prétraitements applicables aux matières lignocellulosiques telles que les fumiers pailleux est disponible au §2.4.2.

Les lisiers et fientes présentent des ratio C/N faibles, ils peuvent être traités en co-digestion pour optimiser la dégradation de la matière et éviter des inhibitions à l'azote en digestion.

## 2.4.2. Résidus agricoles et productions végétales

Les biomasses lignocellulosiques représentent une ressource facilement disponible pour la méthanisation (fumiers pailleux, résidus de culture, cultures énergétiques, tontes de pelouse...). Leur gestion diffère selon que les biomasses sont facilement ou difficilement biodégradables de par leur teneur en lignine.

### 2.4.2.1. Approvisionnement et stockage

Une attention particulière doit être portée lors de la récolte et du stockage pour limiter la présence d'indésirables et bien conserver la matière.

### Les biomasses facilement biodégradables : herbe, cultures énergétiques

Un compromis doit être trouvé entre le tonnage de culture énergétique (CIVE, CIMS) produite et sa biodégradabilité (choix de l'espèce et de la période de récolte). La plante non mature est ainsi plus facile à biodégrader mais produit des rendements limités. Denis Ollivier, ancien expert de Trame, souligne le fait que certaines espèces permettent d'obtenir de bons rendements à l'ha, à l'exemple du triticale et du seigle, leur défibrage est en revanche difficile et limite leur biodégradabilité (Ollivier, 2021). Au contraire, l'orge immature produit des rendements plus faibles à l'ha mais est plus facile à biodégrader (Ollivier, 2021). Pour une méthanisation des CIVE en digesteur infiniment mélangé, il sera intéressant de privilégier un hachage en brins courts lors du réglage de l'ensileuse afin de favoriser la biodégradation de la matière (Ollivier 2016).

La production saisonnière des CIVE nécessite de mettre en place un stockage avant introduction dans le méthaniseur. Le stockage par ensilage est largement utilisé. Cette technique de conservation est parfois considérée comme un prétraitement biologique de la matière aussi est-elle présentée dans le § prétraitement biologique. La société PlanET (Allemagne), constructeur de méthaniseurs, recommande d'attendre à minima 4 semaines après l'ensilage pour introduire la matière afin de prévenir le risque d'acidose (PlanET). Le pH de la ration devra être contrôlé lors de l'introduction de la matière ensilée et des jus d'ensilage pour ne pas déséquilibrer la biologie.
Concernant les fauches de bord de route, l'étude CARMEN avait conclu que le ramassage des déchets présents sur les bords de route est nécessaire avant la fauche pour protéger l'outil de fauche (broyeurs à herbes) et les systèmes d'incorporation mais aussi pour assurer une bonne qualité du digestat destiné à un retour au sol (Zdanevitch et al., 2018). La fauche ne doit pas être réalisée trop près du sol afin de limiter la quantité de terre ramassée avec les herbes (Zdanevitch et al., 2018).

### Les biomasses difficilement biodégradables : paille, cannes de maïs...

Les végétaux secs (menues pailles, paille, résidus de récolte de culture sèche) doivent être stockés sous abri pour protéger la biomasse, ne pas diminuer le taux de MS avec les eaux de pluies et limiter le développement de microorganismes produisant des mycotoxines (Peyrelasse C. et al., 2017; PlanET).

Les biomasses présentant un taux de MS compris entre 40 et 80% de MS (canne de maïs et résidus de récolte qui auraient repris de l'humidité par exemple) présentent un risque d'auto-inflammation (Peyrelasse C. et al., 2017). Depuis le mois de juin 2021, la réglementation impose un contrôle de température des stockages d'intrants solides à différents points du tas pour prévenir les phénomènes d'auto-échauffement (feux couvant et émission de monoxyde de carbone) (Arrêté du 14 juin 2021; Arrêté du 17 juin 2021).

#### 2.4.2.2. Prétraitement et préparation de la ration

Les constituants de la biomasse lignocellulosique sont essentiellement des glucides, pectines, protéines, lignines, terpènes, stéroïdes, tannins, cutines, subérines et cires. Ils participent à la structure très complexe de la biomasse lignocellulosique (Kpogbemabou, 2011). Les trois polymères de cellulose, d'hémicellulose et de lignine sont en particulier étroitement associés dans les parois des cellules végétales. La biodégradabilité de ces substrats est limitée (Ahring et al., 2015) par la présence de lignine qui réduit l'accès aux polysaccharides (Monlau et al., 2013).

Des prétraitements peuvent être utilisés pour déstructurer la matière afin d'améliorer l'accessibilité de la cellulose, des hémicelluloses et des polymères de glucose aux bactéries méthanogènes (Figure 27).

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 27 : décomposition de la lignocellulose sous l'effet d'un prétraitement (Schwietzke et al., 2009) adapté de (Hsu, 1980; Mosier et al., 2005).</figcaption></figure>

Différents objectifs sont visés pour ces prétraitements (Carrere et al., 2016; Ramos-Suarez et al., 2017) :

- la délignification de la matière : rupture des liaisons lignines-carbohydrates,

- la réduction de la cristallinité de la cellulose,

- l'augmentation de la porosité (surface spécifique accessible) pour faciliter le contact entre la matière à dégrader et les microorganismes/enzymes.

D'autres bénéfices sont attendus au niveau du comportement de la matière dans le digesteur et en particulier la diminution de la viscosité du digestat (et donc de l'énergie nécessaire à l'agitation) et de la flottation de la matière.
Différents prétraitements existent :

- mécanique à l'exemple du broyage et de l'extrusion,

- physique de type micro-ondes et ultrasons,

- thermique : basse et haute température (explosion à la vapeur, hydrolyse thermique) en couplage ou non avec un agent chimique : alcalin (soude, chaux...), acide, ozone, peroxyde,

- biologique : bactéries et champignons (Zhong et al., 2011), enzymes bactériennes et fongiques (Brémond et al., 2018; Sambusiti et al., 2015).

Ces différents prétraitements appliqués aux matrices lignocellulosiques sont présentés ci-après.

## Prétraitements mécaniques : broyage, extrusion

### Le broyage

Les constructeurs d'unité de méthanisation proposent pour les unités de méthanisation en voie sèche continue ou infiniment mélangé soit :

- Une incorporation directe,

- Un prétraitement incluant un système de broyage.

L'incorporation directe permet de limiter les coûts d'investissement et de fonctionnement liés au prétraitement (énergie, renouvellement des pièces). Les temps de séjour dans les digesteurs doivent, par conséquent, être suffisants pour dégrader la matière.

Le broyage de la matière permet de faciliter son introduction, son mélange et réduit la durée nécessaire à sa biodégradation. Il sécurise le fonctionnement des unités en limitant les bouchages, les phénomènes de croûtage dans le digesteur et les contraintes sur les pâles d'agitation en raison de la diminution de la viscosité du digestat. La société Vogelsang recommande de mettre en place un broyeur dès lors que la longueur des fibres ou la granulométrie de la matière est supérieure à 6 cm (Eberlein, 2021).

De nombreux systèmes de broyeurs sont commercialisés et en particulier les broyeurs à couteaux, à chaînes, à marteaux ainsi que des pompes dilacératrices. Les travaux réalisés dans le cadre du projet PAM financé par l'ADEME ont montré que les broyeurs à chaînes ou à marteaux étaient les plus efficaces pour déstructurer les fibres (Bayard et al., 2019). Ils sont généralement adaptés aux mélanges très pailleux ou riches en fibres végétales et permettent d'améliorer les cinétiques de dégradation et dans une moindre mesure la production de méthane (+10 à +15%) (Bayard et al., 2019). Une autre des conclusions de cette étude concernait les matières moins riches en fibres. Elles peuvent être prétraitées par des broyeurs à couteaux qui sont toutefois, parfois fragiles (Bayard et al., 2019).

Sont présentés ci-après les principaux broyeurs mis en œuvre pour les unités de méthanisation.

La société allemande Vogelsang produit et commercialise des broyeurs pour le prétraitement des matières avant méthanisation en infiniment mélangé. La filiale française créée en 2005 est basée à la périphérie de Montélimar dans la Drôme. Le broyeur à couteaux RotaCut est largement utilisé pour réduire la taille des fibres avant introduction dans les méthaniseurs, plus de 200 unités ont été installées en France (Eberlein, 2021). Le RotaCut fonctionne en voie humide par mélange de la matière fibreuse avec un intrant liquide ou une recirculation du digestat. Le taux de MS visé en sortie pour la suspension organique alimentant le digesteur est de 12%. Différentes grilles de coupe sont disponibles dans la plage de 4 à 50 mm (Vogelsang), les grilles de 12 mm sont installées pour les matières devant être hygiénisées. Le RotaCut est intégré dans un système d'alimentation complet dit PreMix (Figure 28).
<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Figure 28 : Photo d'un système Premix de Vogelsang (Vogelsang, 2022)</figcaption></figure>

Ce système intègre, en complément du RotaCut, un piège à cailloux pour éliminer les lourds et une pompe volumétrique. Un PreMix peut alimenter plusieurs digesteurs. La puissance installée est de 20 à 40 kW (selon le modèle) pour des débits de 30 à plus de 100 m³/h (Vogelsang).

Le modèle XRIPPER de Vogelsang, broyeur à couteaux fonctionnant à sec, sera utilisé pour le broyage de matières non fibreuses telles que les déchets de cantine, résidus de fruits et légumes (pommes de terre, betteraves, choux fleurs...) et déchets animaux de type carcasses (Eberlein, 2021).

La société Landia (Danemark) a développé et breveté un procédé d'agitation externe par recirculation du biogaz et du digestat. Une pompe dilacératrice, équipée de couteaux pour hacher la matière, assure la circulation du digestat (du bas vers le haut) et la recirculation du biogaz par effet venturi (Figure 29).

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Figure 29 : Illustration du fonctionnement du procédé GasMix de Landia (Landia, 2014)</figcaption></figure>

## L'extrusion

L'extrusion est réalisée par écrasement de la matière entre deux vis hélicoïdales afin d'éclater les cellules grâce à des contraintes répétées de pressions et à l'augmentation de la température de la matière (LMEngineering GmbH; Peyrelasse C. et al., 2017). L'accessibilité de la matière est améliorée permettant d'augmenter la production de méthane. LMEngineering GmbH annonce des augmentations de production comprises entre 14% (ensilage de maïs) et 70% (miscanthus) (LMEngineering GmbH). Des mesures de BMP ont été réalisées après extrusion sur de la paille et de la litière accumulée par l'université d'Aarhus au Danemark (Wahid et al., 2015). Les résultats ont montré une augmentation de la production de méthane de 4 à 29%, selon la configuration de l'extrudeur testée et la matière, après 29 jours de dégradation en réacteur batch. Le bénéfice du prétraitement diminue lorsque la durée de dégradation est prolongée jusqu'à 60 jours (-2 à 16%) (Wahid et al., 2015). La consommation énergétique d'un extrudeur Lehmann (MSZ B 110e) a été annoncée à 10 kWh/tonne pour le traitement de 1,5 tonne/h de matière (Wahid et al., 2015).

Environ 150 unités ont été vendues dans le monde par LMEngineering GmbH dont 9 en France, installées ou en cours d'installation (Lausmann, 2021).

Les caractéristiques des principaux procédés commerciaux de prétraitements mécaniques utilisés pour les matières lignocellulosiques sont présentés dans le Tableau 8.
<table><caption>Tableau 8 : Caractéristiques des procédés de prétraitements mécaniques appliqués aux matières lignocellulosiques (non exhaustif) (Compilation RECORD 2022)</caption><thead><tr><th>Technologie</th><th>Principe et conditions</th><th>Applications</th><th>Références</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="4"><strong>Broyage sur recirculation du digestat</strong></td></tr><tr><td>GasMix de Landia (Danemark)</td><td>Recirculation et broyage du digestat (pompe dilacératrice)<br>Taux de MS &lt; 12%</td><td>Plus de 200 unités installées dans le monde</td><td>https://www.landia.co.uk/products/biogas/landia-gasmix</td></tr><tr><td>Host ruminator de Host (Pays Bas)</td><td>Recirculation et broyage du digestat</td><td>Méthaniseur agricole traitant du fumier et du maïs ensilage (Noyal-Chatillon près de Rennes) pour éviter la formation de croûtes et la sédimentation. Construction 2020</td><td>https://www.host.nl/fr/case/royal-chatillon-france/</td></tr><tr><td>Disruptor de Vogelsang (Allemagne)</td><td>Broyeur à couteaux en escalier</td><td>Amélioration de la fluidité du digestat</td><td>https://www.vogelsang.info/fr-fr/produits/desintegration/disruptor/</td></tr><tr><td colspan="4"><strong>Broyeurs à marteaux : broyage par percussion de la matière</strong></td></tr><tr><td>Broyeur commercialisé par Ineval (France)</td><td>2 modèles disponibles :<br>1 à 2 tonnes/h (18 kW)<br>4 à 6 tonnes/h (2 x 18 kW)<br>Défibreur solide en continu équipé de marteaux<br>MS visée de 20 à 30% en amont du broyage</td><td>4 unités installées sur des méthaniseurs voie sèche continue (fumier, ensilage, légumes...)</td><td>http://www.ineval.fr/portfolio/molares-2/ (Martin, 2021)</td></tr><tr><td>Rotacrex de Planet (Allemagne)</td><td>Défibrage<br>Investissement de 100 à 150 000 €<br>2 à 5 ans de retour sur investissement</td><td>Tonnage minimal de 4000 à 5000 t/an de matières difficiles (fumier / herbe)</td><td>(PlanET, 2015)</td></tr><tr><td colspan="4">Autres technologies de broyeurs à marteaux : BIOaccelerator z de BTS Biogas (Italie), Biogrinder de BHS-Sonthofen GmbH (Allemagne)</td></tr><tr><td colspan="4"><strong>Broyeurs à couteaux : coupe et cisaillement de la matière</strong></td></tr><tr><td>RotaCut® de Vogelsang (Allemagne)</td><td>Séparation des indésirables (cailloux) et broyage en voie humide</td><td>Plus de 200 unités installées en France</td><td>https://www.vogelsang.info/fr-fr/ (Eberlein, 2021)</td></tr><tr><td colspan="4">Autres technologies de broyeurs à couteaux : Rotocrusher de Börger GmbH (Allemagne), Unihacker® de Börger GmbH (Allemagne), BIOaccelerator R de BTS Biogas (Italie), Multichopper de Börger GmbH (Allemagne) : couteaux + disques perforées</td></tr><tr><td colspan="4"><strong>Broyeur à chaînes</strong></td></tr><tr><td>X-chopper® de Nature Energy (Xergi) (Danemark)</td><td>Chaine circulant dans un cylindre</td><td>Litière, paille, navet</td><td>https://natureenergy.dk/en</td></tr><tr><td>Bio-préparateur TQZ de THM recycling solutions (Allemagne) commercialisé par Verde Energy (France)</td><td>3 à 15 t/h selon le produit et le modèle (55, 75 et 90 kW)<br>8 à 10 kWh/tonne de produit<br>Maintenace &lt; 0,35 €/t</td><td>Substrats fibreux et pailleux, déchets végétaux, biodéchets...<br>Le prétraitement permettrait d'améliorer jusqu'à 30% la production de biogaz (donnée fournisseur)<br>800 unités installées en Europe dont une dizaine de références en France</td><td>https://www.verdeenergy.fr/</td></tr><tr><td>Gamme Bio-QZ d'Andritz (Autriche)</td><td>3 modèles : 55 à 160 kW</td><td>Fumier, résidus végétaux, betterave ...</td><td>https://bio-qz.de/fr/bioqz_neu-fr.php</td></tr><tr><td colspan="4"><strong>Extrudeur</strong></td></tr><tr><td>BIOaccelerator s de BTS Biogas (Italie)</td><td>Défibrage de la matière pour augmenter la cinétique de dégradation</td><td></td><td>https://bts-biogas.com/en/plants-development/</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Technologie</td><td>Principe et conditions</td><td>Applications</td><td>Références</td></tr></thead><tbody><tr><td>Bioextrusion de Lehmann® (Allemagne)</td><td>Extrusion : écrasement de la biomasse entre deux vis hélicoïdales afin d'éclater les cellules<br>Amélioration de l'accessibilité de la matière<br>Augmentation de la production de méthane<br>Le taux de MS cible de la matière à extruder est de 35%, une dilution peut être réalisée avec du digestat par exemple</td><td>150 unités installées dans le monde<br>Dont 9 en France (installées ou en cours d'installation)<br>Matières extrudées : matières fibreuses (maïs, végétaux, fumiers)</td><td>http://www.lmengining.de/index_en.html<br>(Lausmann, 2021)</td></tr></tbody></table>

Weltec Biopower commercialise le MultiMix qui intégre des broyeurs du marché (Vogelsang, Boerger) dans la ligne de prétraitement MultiMix. Les unités intègrent une séparation des lourds (cailloux) et un broyage en voie humide (matières fibreuses, vinasses, résidus de légumes). Aujourd'hui, 350 unités de broyage sont installées en prétraitement des unités de méthanisation.

## Prétraitements physiques : cavitation et ultrasons

Des prétraitements à ultrasons ou à cavitation (hydrodynamique) sont aussi installés pour réduire la viscosité du digestat et améliorer la digestion de la matière pour les procédés infiniment mélangé.

La technologie de cavitation brevetée Biobang® est développée par la société Italienne THREE-ES S.r.l. Plus de 150 unités ont été installées à travers l'Europe et une référence est aussi en fonctionnement en Corée. Les capacités de traitement du système s'établissent dans la gamme de 0,5 à 25 m³/h (Brambilla, 2021). L'unité de plus grande capacité (15 m³/h) est installée sur une unité de méthanisation polonaise pour le prétraitement de paille (Brambilla, 2021). Le coût d'investissement (matériel installé) est de l'ordre de 127 000 € pour une unité de 1,5 m³/h (7,5 kW/m³) et 210 000 € pour une unité de 2,5 m³/h (7,5 kW/m³) en 2018 (Biobang, 2018). Biobag annonce des coûts annuels de maintenance d'environ 2 300 € avec un maximum de 3 000 € et un retour sur investissement possible sur un an (Salon des Gas renovable, 2021).

Le procédé à ultrasons Biosonator est commercialisé par la société allemande Ultrawaves. Il est mis en œuvre sur les boues d'épuration urbaine et sur les unités de méthanisation traitant des substrats fibreux et difficiles à dégrader à l'exemple de l'herbe et du fumier. Le taux de MS des intrants doit être inférieur à 15% (Ultrawaves). Il est généralement positionné sur une partie du digestat du post digesteur avant renvoi dans le digesteur. Ultrawaves annonce un bénéfice de 10 à 15% sur la production de biogaz ce qui permettrait un temps de retour sur investissement de 3 à 5 ans (Ultrawaves). Une unité est en cours d'installation en France sur un méhaniseur à la ferme. Le procédé à ultrasons Biopush de Weber Entec (Allemagne) a des retours d'expérience sur des unités de méthanisation traitant des substrats difficiles à l'exemple de l'herbe. Une centaine de méhaniseurs sont équipés. Le coût d'investissement pour un méhaniseur de puissance 1 MW est d'environ 150 000 €. Le fournisseur annonce une consommation électrique correspondant à 10% de la surproduction liée aux ultrasons (Eichhorst, 2021).

Les caractéristiques de ces procédés sont présentées dans le Tableau 9.
<table><caption>Tableau 9 : Caractéristiques des procédés commerciaux de cavitation et sonication (non exhaustif)
(Compilation RECORD 2022)</caption><thead><tr><th>Technologie</th><th>Principe et conditions</th><th>Impacts</th><th>Exemples d'applications</th><th>Références</th></tr></thead><tbody><tr><td>CaviMax® de CaviMax Ltd (Angleterre)</td><td>Cavitation</td><td>Non connu</td><td></td><td>https://www.cavimax.co.uk/</td></tr><tr><td>Biobang® par Three-es Srl (Italie)</td><td>Cavitation</td><td>Réduction de la viscosité<br>Augmentation de la production de méthane</td><td>Plus de 150 unités installées à travers l'Europe.</td><td>https://www.biobang.com/web/fr/biobang-fr/</td></tr><tr><td>ROTOCAV par E-PIC (Italie)</td><td>Cavitation</td><td>Non connu</td><td></td><td>www.epic-srl.com</td></tr><tr><td>Biosonator de Ultrawaves (Allemagne)</td><td>Ultrasons</td><td>Augmentation de la production de énergétique (+8 à +19%) ou diminution de la consommation de substrats (-5 à -13%) à production énergétique constante (données fournisseur)<br>Réduction du taux de MS du digestat</td><td>Plus de 100 références en station d'épuration et méthanisation à la ferme</td><td>https://ultrawaves.de/biogas-plants/biosonator<br>(Nickel, 2021)</td></tr><tr><td>Biopush de Weber Entec (Allemagne)</td><td>Ultrasons</td><td>Stabilisation de la biologie<br>Augmentation de la production de méthane de 12-17% selon les données fournisseur<br>Réduction de l'usure des agitateurs<br>Réduction de la consommation d'énergie des pompes et agitateur</td><td>Une centaine d'unités ont été installées sur des sites de méthanisation<br>L'unité de plus grande capacité peut traiter 380 m³/j</td><td>https://www.weber-entec.com/<br>(Eichhorst, 2021)</td></tr></tbody></table>

## Prétraitements thermiques et chimiques

Les prétraitements acides et basiques ont été largement étudiés à l'échelle du laboratoire à température ambiante ou à des températures comprises entre 40 à 90°C. En dépit de résultats prometteurs au regard de l'augmentation de la production de méthane et des cinétiques de dégradation, les prétraitements chimiques ne sont pas utilisés à l'échelle industrielle. Les principaux freins concernent les coûts opérationnels (consommation d'eau, de produits chimiques, d'énergie), l'augmentation des concentrations de sels dans le digestat (avec un prétraitement à l'acide chlorhydrique ou à la soude par exemple) et la formation potentielle d'inhibiteurs tels que les polyphénols. Les performances obtenues sont de plus très variables selon les matières prétraitées. Thomas (2019) a ainsi reporté que le prétraitement thermochimique appliqué sur du sorgho biomasse 140 n'avait pas permis d'augmenter son BMP alors que ce prétraitement était efficace (jusqu'à + 55% de potentiel méthane avec la soude) sur du miscanthus plus ligneux que le sorgho.

Différentes options sont étudiées pour réduire les verrous qui freinent l'application de ces prétraitements :

- Sélectionner les matrices à prétraiter en fonction de leur faible biodégradabilité et des performances obtenues par le prétraitement (cinétique et BMP),

- L'utilisation de produits chimiques qui ne pénalisent pas la qualité du digestat. La soude peut par exemple être remplacée par de la potasse qui apporte du potassium, ce dernier ayant un intérêt pour les sols au contraire du sodium apporté par la soude (Carrère et al., 2021),

- Le recyclage de la fraction liquide issue du prétraitement pour limiter les consommations en eau, en produits chimiques et les volumes à traiter (Peyrelasse et al., 2021). Dans ce cas, l'efficacité du prétraitement diminue entre chaque cycle et nécessite un complément en produits chimiques. Des essais réalisés à l'échelle laboratoire par l'APESA ont montré
que des économies de 40 et 60% pouvaient être obtenues pour la soude et l'eau respectivement (Peyrelasse et al., 2021).

La société Xergi rachetée par Nature Energy (Danemark) a développé le procédé NiX® pour prétraiter thermo-chimiquement la matière (pH 10 avec apport de chaux, 160°C, 6 bars). Deux unités ont été installées pour extraire l'azote de substrats très concentrés en azote. Aucune unité n'a été installée pour améliorer la digestion de matières ligno-cellulosiques.

Le Cooker d'Agrikomp (France) est commercialisé pour améliorer la digestion des substrats fibreux en augmentant les cinétiques de dégradation et en réduisant la viscosité du digestat. Il se positionne entre le digesteur et le post-digesteur autorisant l'absence de chauffage sur le post-digesteur. Un échangeur thermique tubulaire prétraite la matière en digestion en appliquant une température comprise entre 40 et 80°C pendant 40 à 120 minutes (Agrikomp, 2021).

Des technologies d'explosion à la vapeur (150-180°C, 8-10 bar) ont été développées par les sociétés Biogas Systems (Economizer SE) et CleanVantage LLC (AD-Booster®). Aucun retour n'a pu être obtenu auprès de la société Biogas systems (Australie) sur l'actuelle commercialisation du procédé Economizer SE. La technologie de 60 t/h a été installée en Angleterre sur 5 unités de méthanisation par la société Futurebiogas (Angleterre), partenaire de Biogas systems. L'explosion à la vapeur fonctionnait correctement, en revanche de nombreux dysfonctionnements ont été rencontrés au niveau de l'introduction/broyage et de l'extraction de la biomasse traitée lors de l'automatisation complète du process. Aujourd'hui cette technologie n'est plus installée par Futurebiogas (Future Biogas Ltd, 2021).

Le système AD-Booster® de CleanVantage LLC (Etats Unis) intègre un process d'oxydation en voie humique/explosion à la vapeur (Advanced Wet Oxydation/Steam explosion, AWEx®) pour déstructurer les biomasses lignocellulosiques non digérées entre 2 étages de digestion anaérobie. BioVantage.dk ApS est une société danoise créée pour commercialiser cette technologie en Europe. Aujourd'hui, aucune unité industrielle ne fonctionne. Un démonstrateur d'une capacité de 3,5 t/h a été développé et testé plusieurs années sur une unité de méthanisation. BioVantage.dk prévoit d'acquérir un méthaniseur pour poursuivre ces essais et démontrer l'efficacité et la fiabilité de cette technologie.

Les prétraitements thermiques présentent l'avantage, à haute température, de détruire les pathogènes contenues dans certains substrats (cas des fumiers) mais aussi les adventices présentes dans les menues pailles (Douard, 2007).

## Prétraitements biologiques

Les prétraitements biologiques sont des prétraitements réalisés grâce à des bactéries, des champignons et/ou des enzymes (Hosseini Koupae et al., 2019). Ils sont généralement faciles de mise en œuvre et sont appliqués soit en amont de la méthanisation : au niveau du stockage (ensilage en particulier), en pré-compostage, dans une cuve de pré-hydrolyse ou directement dans la cuve de digestion.

## Ensilage

La part de culture alimentaire ou énergétique méthanisée est limitée réglementairement pour ne pas concurrencer la production alimentaire. L'Art. D. 543-292 du décret du 07 juillet 2016 stipule que «Les installations de méthanisation de déchets non dangereux ou de matières végétales brutes peuvent être approvisionnées par des cultures alimentaires ou énergétiques, cultivées à titre de culture principale, dans une proportion maximale de 15 % du tonnage brut total des intrants par année civile » (Ministère de l'environnement, 2016). Ne sont pas comptabilisées dans ces 15%, les prairies permanentes et les cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE) dont l'utilisation en méthanisation est largement répandue. Ces productions végétales produites de manière saisonnière doivent être stockées sur plusieurs mois avant d'être méthanisées.

L'ensilage de la matière végétale est connu pour être un moyen de conservation adapté pour les matières présentant un taux de MS < 40 % : CIVEs, tontes ou autres résidus agricoles (Peyrelasse C. et al., 2017). La matière est hachée puis stockée en tas compact pour éliminer la présence d'oxygène au sein du tas. En présence de sucres fermentescibles, une fermentation à dominante lactique se met en place provoquant l'acidification de la matière. L'ensilage est ainsi stabilisé permettant de conserver
la matière et son potentiel méthanogène. Le pH acide et les conditions anaérobies limitent le développement d'organismes qui pourraient dégrader la matière (AFSSA, 2004).

Les essais réalisés par l'APESA dans le cadre du projet SAM ont montré que la matière organique ainsi que son potentiel méthanogène sont bien conservés si l'ensilage est réalisé dans les règles de l'art (Peyrelasse C. et al., 2017). Après 12 mois de stockage pour un ensilage de maïs plante entière et un ensilage de sorgho fourrager stockés en silos taupinières<fnref n="3" />, les pertes étaient inférieures à 15% pour la MSV et pour le potentiel méthanogène. Une récupération des jus d'ensilage doit être prévue pour des raisons environnementales et pour pouvoir les méthaniser.

Différentes études se sont intéressées à l'impact de l'ensilage sur la biodégradabilité de la matière et son potentiel méthanogène. Les acides produits pourraient modifier la structure lignocellulosique des substrats des matières ensilées augmentant leur potentiel méthanogène qui compenserait la perte de matière pendant le stockage (Carrere et al., 2016; Singh, 1996; Teixeira Franco et al., 2016). L'ensilage pourrait ainsi être considéré comme un prétraitement biologique pour les résidus agricoles et les cultures énergétiques (Carrere et al., 2016).

Des additifs sont commercialisés pour améliorer la qualité de l'ensilage, il s'agit de sucres pour favoriser la fermentation lactique, d'acides ou de produits bactériostatiques type formol pour inhiber la fermentation butyrique qui dégrade la qualité de l'ensilage (Demarquilly, 1973) et des additifs biologiques contenant des bactéries lactiques et/ou des enzymes.

## Pré-hydrolyse

Des fournisseurs proposent des cuves de préhydrolyse anaérobie, aérobie ou semi-aérobie en amont des digesteurs.

L'hydrolyse semi-aérobie catalysée est utilisée pour prétraiter la matière ligno-cellulosique (herbe, paille, fumier) afin d'augmenter son rendement de dégradation. Biogaz Ingénierie (Beaune 21200) installe des cuves d'hydrolyse semi-aérobie catalysée pour prétraiter la matière ligno-cellulosique (herbe, paille, fumier) afin d'augmenter son rendement de dégradation (Dutremée, 2021). Une vingtaine d'unités a été installée en Allemagne par la société Bionova Biogas GmbH. Ce prétraitement a été installé sur quelques sites en France initialement par AEB MéthaFrance. Biogaz ingénierie a depuis installé trois unités selon le process développé par Bionova Biogas GmbH. Deux unités sont en fonctionnement aujourd'hui, la troisième a été arrêtée en raison de difficultés de mélange/introduction. Cette hydrolyse est réalisée dans une cuve chauffée à 37-38°C avec un temps de séjour de 0,4 à 1 jour et une aération séquencée (compresseur). Le pH est de l'ordre de 6,5 à 7. Le gaz produit par l'hydrolyse : CO₂, H₂S et méthane (0,1 à 0,25%) est traité par un biofiltre à fibres naturelles type coco ou bruyère avant rejet à l'atmosphère. Le taux de MS dans cette cuve doit être de l'ordre de 8 à 12% pour permettre son agitation et le pompage de la matière vers le digesteur. Le digestat peut être recirculé pour atteindre ce taux de MS. Ces contraintes font que cette hydrolyse n'est proposée par Biogaz Ingénierie que pour des cas particuliers et en particulier lorsque les intrants intègrent un substrat liquide type lisier pour diluer la matière lignocellulosique (Dutremée, 2021).

La société E valor (France) commercialise le procédé Boost pour augmenter la cinétique et la dégradabilité des substrats principalement lignocellulosiques. Il s'agit d'une hydrolyse biologique réalisée dans une cuve agitée et chauffée à la température de digestion (mésophile). La ration d'intrants à prétraiter doit permettre à l'hydrolyse de s'installer, ce qui se traduit par la diminution du pH dans la cuve. Le taux de MS visé est de 10%. Le gaz produit pendant l'hydrolyse n'est pas valorisé à l'heure actuelle et rejeté à l'atmosphère. Un programme de recherche a démarré en mars 2020, BOOST'HYDRO, dans le cadre d'une thèse, en collaboration avec INRAE et avec le soutien de la Région Bretagne. Plusieurs axes de recherche sont concernés et notamment la compréhension des phénomènes biologiques, l'étude des voies de valorisation du gaz produit pendant l'hydrolyse et les recettages les plus adaptés. Fin 2019, 9 unités de méthanisation construites par E valor étaient équipées du procédé Boost soit environ 15% des sites. Le coût d'investissement lié à cet investissement est de l'ordre de 100 000 € (Duedal, 2021).

Les technologies d'hydrolyse biologique sont présentées dans le Tableau 10 (non exhaustif).

<table><caption>Tableau 10 : Caractéristiques des procédés de prétraitements biologiques commerciaux (non exhaustif) (Compilation RECORD 2022)</caption><thead><tr><td>Technologie</td><td>Principe et conditions</td><td>Exemples</td><td>Référence</td></tr></thead></table>

<footnote n="3">³ Matières produites dans le cadre du programme OPTICIVE (soutenu par l'ADEME) et conduit par GIE GAO (ARVALIS/Terres Univia/Terres Inovia) en partenariat avec Euralis</footnote>
<table><thead><tr><th></th><th></th><th>d'applications</th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>Boost de Evalor</td><td>Hydrolyse des pailles, cannes de maïs dans une cuve chauffée à la température de digestion</td><td>SCEA ROPERT, Bréhan (56)</td><td>https://www.reussir.fr/la/it/methanisation-boost</td></tr><tr><td>Hydrolyse semi-aérobie catalysée Biogaz ingénierie</td><td>Aération séquencée d'une cuve chauffée (37-38°C)</td><td>SAS Metha Bel Air Vallée de l'Isle Energie (VIE) Saint Astier</td><td>http://biogaz-ingenierie.fr/</td></tr><tr><td>Hydrolyse anaérobie d'Arkolia</td><td>Hydrolyse mésophile ou thermophile (2 jours)</td><td>EARL DEVIENNE (Napagèse)</td><td>https://arkolia-energies.com/wp-content/uploads/2020/10/technologie-ARKOMETHA.pdf</td></tr></tbody></table>

## Prétraitement fongique

Certains champignons présentent la capacité de dégrader la lignine et pourraient être utilisés en fermentation voie sèche pour prétraiter la biomasse. Les champignons à pourriture blanche ont été identifiés comme les plus performants pour délignifier un substrat (Rouches et al., 2016). D'après Carrère et al., (2016), les champignons permettent une augmentation du BMP jusqu'à 50% mais les pertes de MO estimées entre 10 et 20% sont trop peu mentionnées et peuvent conduire à une surestimation des gains (Carrère et al., 2016). Le projet ANR Stockactif, coordonné par l'UMR FARE et finalisé en 2017 s'est intéressé aux souches de champignons capables de délignifier les biomasses lignocellulosiques (pailles de blé et de miscanthus). Des essais réalisés à l'échelle du laboratoire puis en conditions réelles ont montré que le prétraitement fongique impliquait des surcoûts, + 12 % pour les investissements, + 170 % pour les charges de fonctionnement, qui n'étaient pas compensés par l'augmentation de la production de méthane (Solagro, 2016). A terme, les champignons pourraient permettre de méthaniser des substrats ligneux non traités aujourd'hui (Rouches et al., 2016). Les travaux de recherche sur l'optimisation des conditions de prétraitement (humidité, aération, température, complément nutritionnel et durée) doivent au préalable permettre d'améliorer les performances au regard des pertes de matières (Rouches et al., 2016).

## Prétraitement par ajout d'enzymes ou de micro-organismes sélectionnés

Des enzymes sont commercialisées par différents fournisseurs pour améliorer la dégradabilité des matières, réduire la viscosité (et donc les contraintes d'agitation) dans les digesteurs et limiter la flottation des matières en surface.

Les enzymes pouvant hydrolyser la cellulose et l'hémicellulose sont des glycosides hydrolases (Monteiro, 2009) et celles dégradant la lignine sont des laccases et des peroxydases. Plusieurs mélanges enzymatiques sont disponibles dans le commerce pour des applications dédiées à la méthanisation avec des domaines d'activité compatibles avec les conditions de pH et de température.

Les enzymes ou micro-organismes sélectionnés peuvent être introduits dans la filière de méthanisation de différentes manières :

- En amont du méthaniseur dans une zone de prétraitement dédiée ou au niveau du stockage de la matière brute,

- directement dans le digesteur lors d'un procédé en une étape,

- dans la cuve d'hydrolyse lors d'un procédé en deux étapes,

- dans la fraction liquide du digestat lorsqu'il est mis en recirculation.

Ces additifs sont utilisés en méthanisation mais leur impact sur la digestion anaérobie est peu documenté. Les bénéfices avancés par les fournisseurs sont :

- la réduction de la viscosité du digestat qui permet de diminuer les consommations énergétiques liées à l'agitation,

- l'augmentation des performances de production de méthane et l'amélioration des cinétiques de traitement,

- la réduction des croûtes en surface (liées à la flottation de la matière).

Le fournisseur DSM (Pays Bas) commercialise 2 produits à destination des méthaniseurs (DSM, 2021) :
- MethaPlus® pour les substrats riches en fibres : maïs, herbe, fumier.

- Axiase™ pour les substrats à base de céréales : seigle, triticale, blé, orge.

SOBAC (France) commercialise Bacteriometha® comme additif pour les substrats avant méthanisation (SOBAC). Il s'agit d'un mélange de minéraux naturels et d'une sélection de végétaux naturels compostés sur lesquels s'est développé un complexe de micro-organismes spontanés des composts. Il est incorporé directement dans les litières moins de 15 jours avant le curage et peut s'utiliser en méthanisation voie sèche et infiniment mélangé. Il permettrait d'améliorer l'accessibilité de la matière organique avec une meilleure attaque des fibres, améliorerait l'homogénéité et le brassage des substrats dans le digesteur et réduirait la formation de couches flottantes. Il permettrait de plus d'améliorer l'absorption des jus de recirculation dans les tas pour la voie sèche.

D'autres produits sont commercialisés par Dupont (Optimash® AD100), Metgen (Metzyme® Forci™), Novozymes (BG Max® 5005/5105/5205), Agrikomp (Enzymaxx) et SEDE (Methazyme).

Des performances ont été mesurées à l'échelle laboratoire voire pilote (Annexe 3). Herrero Garcia et al. (2019) a ainsi montré que les performances étaient dépendantes de la nature de la biomasse avec un impact limité pour le maïs et le triticale alors que des augmentations de production de biogaz de 30% ont été mesurées à l'échelle laboratoire pour du sorgho, de la paille et de la rafle de maïs. Les applications à l'échelle industrielle ne font généralement pas l'objet d'un suivi afin d'évaluer le bénéfice réel imputable aux enzymes/microorganismes. Des performances ont, toutefois, été reportées à l'échelle industrielle sur 30 exploitations agricoles. L'application de MethaPlus® aurait permis d'augmenter les productions de biogaz de 18% en moyenne (4-35%) en comparaison de la production attendue en théorie (Gerhardt et al., 2007) d'après (Kaiser, 2004).

Leur coût pourraît, en revanche, pénaliser leur intérêt d'autant que leur durée de vie est limitée dans le temps (Brémond et al., 2018). Odnell et al. (2016) a ainsi que conclu que même si la production de biogaz est augmentée dans certains cas, le rapport coût / bénéfice des enzymes est probablement trop élevé compte tenu des concentrations nécessaires. Des données complémentaires restent toutefois à acquérir pour déterminer l'impact économique global de ces solutions au regard des bénéfices potentiels (augmentation de la production de méthane, réduction des consommations électriques liées à l'agitation) en fonction du type de matière. Les enzymes/micro-organismes qui présentent un avantage certain au regard de la facilité de leur mise en œuvre pourraient être une option intéressante pour certains sites.

Le principal frein à leur utilisation en méthanisation concerne le peu de données accessibles sur leurs performances et coûts à l'échelle industrielle. Les données disponibles sont généralement issues des fournisseurs eux-mêmes.

## Comparaison des performances des prétraitements

Les données disponibles dans la littérature sur les performances des prétraitements appliqués à l'échelle industrielle et pilote sur des matrices lignocellulosique (Annexe 3) sont représentées sur la Figure 30.
<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Figure 30 : Comparaison de l'efficacité des prétraitements pour augmenter la production de méthane de matières lignocellulosiques (échelle industrielle et pilote) (RECORD, 2022)</figcaption></figure>

Ce graphique permet de faciliter la comparaison des performances des prétraitements appliqués à l'échelle pilote et industrielle. Il faut toutefois noter que le nombre de données disponibles est faible avec 5 à 7 retours d'expériences par catégorie de prétraitements.

Les performances les plus élevées sont mesurées pour les prétraitements physiques (+29% pour la médiane) et thermochimiques (+26% pour la médiane). L'explosion à la vapeur (170°C, 25 min, 4 bars) testée sur du fumier a permis d'atteindre les performances les plus élevées (+357% de production de méthane) à l'échelle pilote (Ahring et al., 2015). Cette technologie n'est toutefois pas disponible commercialement pour le prétraitement de matrices lignocellulosiques. BioVantage.dk ApS (Danemark) travaille à démontrer l'efficacité et la fiabilité du système AD-Booster® d'oxydation en voie humide/explosion à la vapeur grâce à son démonstrateur de 3,5 t/h. Les données reportées pour les prétraitements physiques montrent des augmentations de production de méthane comprises entre +10 et + 79%. Les performances sont augmentées de +10% (Garuti et al., 2017) et +18% (Zieliński et al., 2019) pour la cavitation appliquée à l'échelle industrielle. D'autres avantages ont été mesurés et notamment une diminution de la viscosité du digestat. Des bénéfices élevés (+59 et +79% de production de méthane) sont aussi reportés pour les prétraitements aux ultrasons appliqués à l'échelle pilote sur du fumier bovin seul ou en mélange (Ormaechea et al., 2016; Ormaechea et al., 2018).

Les prétraitements biologiques ont des performances variables (+4 à +73%). Le meilleur rendement est obtenu pour le pré-compostage (24h, Tamb) réalisé sur la fraction organique des ordures ménagères (Fernandez.-Güelfo et al., 2011). Le broyage (prétraitement mécanique) est utilisé pour faciliter l'introduction de la matière et son mélange. Il permet d'améliorer les cinétiques de dégradation et peut aussi avoir un impact positif sur la production de méthane. Les augmentations de production de méthane mesurées dans le cadre du projet PAM (Bayard et al., 2019) sont limitées à 10-15%. Des performances plus élevées ont toutefois été mesurées avec un broyeur à chaînes alors que pour un site aucun impact notable n'a été mesuré (Bayard et al., 2019; Mönch-Tegeder et al., 2014).

## Bilan

Les biomasses lignocellulosiques dures (type canne de maïs, paille) subissent généralement un broyage avant digestion en réacteur infiniment mélangé. Les broyeurs à marteaux, à chaînes ou les procédés d'extrusion apparaissent bien adaptés. Pour des biomasses moins dures, un broyage à couteaux est généralement appliqué. La société Vogelsang recommande de mettre en place un broyeur dès lors que la longueur des fibres ou la granulométrie de la matière est supérieure à 6 cm (Eberlein, 2021). Des systèmes sont installés en boucle sur les digesteurs pour améliorer la digestion, réduire la viscosité du digestat et supprimer les problèmes de croutage (cavitation, pompe broyeuse,
ultrasons). Le nombre de ces unités est aujourd'hui en augmentation. L'application d'enzymes (en amont du digesteur ou directement dans la cuve) connaît aussi des retours d'expériences à l'échelle industrielle.

### 2.4.3. Boues de stations d'épuration

La méthanisation des boues de station d'épuration permet avant tout de réduire la quantité de boues et ainsi leur coût d'élimination, c'est pourquoi de nombreux procédés de prétraitements ont été implantés à l'échelle industrielle. Les procédés des stations d'épuration urbaines (STEU) étant continus, le stockage des boues n'est pas une problématique. Les différents types de boues présentes sur les stations d'épuration sont classées par ordre de biodégradabilité croissante : boues digérées, boues activées issues de procédés d'aération prolongé / boues activées faible charge, boues activées forte charge, boues mixtes (mélange de boues activées et de boues primaires), boues primaires. Si l'intérêt du prétraitement est évalué par l'amélioration du rendement en biogaz ou de l'élimination de la matière organique, il est généralement plus avantageux de prétraiter les boues secondaires que les boues primaires. En outre, certains procédés impliquent le post-traitement des boues digérées (dont la matière la plus facilement biodégradable est déjà éliminée) et leur recirculation dans le digesteur ou post digesteur. En général les prétraitements sont appliqués sur des boues épaissies ou après sépapration de phase, réduisant le volume traité et les coûts de prétraitement. Il convient de noter que l'opération de concentration ou épaississement est également apliquée aux boues avant leur introduction dans le méthaniseur. La présente étude bibliographique, synthéthisée dans l'annexe 4, est focalisée principalement sur les essais réalisés sur site industriel (hydrolyse thermique à haute ou basse température, centrifugeuse lyseuse, sonication, homogénisation à hautes pressions, électroporation, enzymatiques) ou à défaut en réacteurs continus à l'échelle du laboratoire (micro-ondes, traitements chimiques ou thermochimiques, prétraitements biologiques, anaérobie ou aérobie). Seuls des prétraitements récents et originaux évalués par des tests de potentiels biométhanogènes (BMP) seront évoqués. Les différents procédés appliqués au traitement des boues sont présentés ci-après.

#### Hydrolyse thermique à haute température (>100°C)

L'hydrolyse thermique consiste à exposer les boues à de fortes températures comprises entre 140 et 180°C sous pression. Des températures plus élevées améliorent la solubilisation des boues mais provoquent la formation de composés de Maillard, non biodégradables en digestion anaérobie. La durée est généralement de 20-30 min mais Zabranska et al. (2006b) ont montré la possibilité d'opérer avec des temps plus courts, de l'ordre de la minute. Ce traitement entraîne la dégradation de la structure en gel des boues et la libération de l'eau liée, la déstructuration des flocs et la solubilisation des exopolymères. De plus, la destruction des membranes des cellules libère les composés intracellulaires qui deviennent alors accessibles pour la dégradation anaérobie. La déstructuration des flocs améliore l'aptitude des boues à la déshydratation et de tels procédés ont été utilisés dès les années 1970 pour le conditionnement des boues avant leur déshydratation (procédé Porteous). L'amélioration de la déshydratabilité des boues est observée pour des températures supérieures à 150°C. Les autres conséquences de ce prétraitement sont la réduction de la viscosité (apparente) des boues et la production de composés colorés solubles difficilement biodégradables. Le surnageant de centifugation est généralement retourné en tête de station d'épuration impliquant une augmentation des coûts d'aération pour éliminer cette DCO. La concentration de ces composés colorés augmente avec l'augmentation de la température de prétraitement, il est ainsi recommandé d'opérer à une température comprise entre 140 et 160°C (Devos et al., 2020).

Actuellement plus de 80 stations d'épuration dans le monde sont équipées de procédés d'hydrolyse thermique pour améliorer la méthanisation des boues, la premier procédé, CAMBI, a été installé sur la station municipale du HIAS à Hamar en Norvège en 1995 (Devos et al., 2020). Les procédés commercialement disponibles (Tableau 11) regroupent des technologies batch, semi-continues ou continues et comprennent ou non un système de détente rapide (système Flash) pour le retour à la pression atmosphérique. Le chauffage est assuré soit par injection de vapeur soit par échangeurs de chaleur. La plupart des prétraitements d'hydrolyse thermique sont appliqués aux boues secondaires ou aux boues mixtes si l'hygiénisation de la totalité des boues est souhaitée. Les boues doivent être épaissies afin de limiter l'énergie nécessaire pour chauffer le volume de boues. Les procédés les plus
récents qu'il soient discontinus (Cambi solid stream, Barber et al., 2017) ou continus (Exelys, Zhao et al., 2015) sont appliqués aux boues digérées après séparation de phase. Comparé au procédé Cambi appliqué aux boues mixtes, le procédé Cambi Solid Stream conduit à de meilleurs gains en amélioration de déshydratabilité et de production de méthane (Barber B. et al., 2017).

<table><caption>Tableau 11 : Caractéristiques des procédés d'hydrolyse thermique commerciaux, (Compilation RECORD 2022)(adapté de Devos et al. 2020).</caption><thead><tr><td>Procédé</td><td>Mode</td><td>Préchauffage</td><td>Chauffage</td><td>Température</td><td>Flash</td><td>Nombre de références</td><td>Références</td></tr></thead><tbody><tr><td>CambiTHP™</td><td>batch</td><td>Récupération vapeur</td><td>Injection de vapeur</td><td>160-180 °C</td><td>Oui</td><td>> 60</td><td>(Barber, 2016)</td></tr><tr><td>Biothelys™, Veolia</td><td>batch</td><td>Récupération vapeur</td><td>Injection de vapeur</td><td>165 °C</td><td>oui</td><td>7</td><td>(Chauzy et al., 2008)</td></tr><tr><td>Exelys™, Veolia</td><td>continu</td><td>non</td><td>Injection de vapeur</td><td>165 °C</td><td>Non</td><td>7</td><td>(Abu-Orf & Goss, 2012)</td></tr><tr><td>HCHS, Haarsley</td><td>semi-continu</td><td>Récupération vapeur</td><td>Injection de vapeur</td><td>150-170 °C</td><td>Oui</td><td>3</td><td>(Williams & Burrowes, 2016)</td></tr><tr><td>Turbotec®, Sustec</td><td>continu</td><td>Mélange boues fraiches et hydrolysées</td><td>Injection de vapeur</td><td>140°C</td><td>Non</td><td>2</td><td>(Luning et al., 2014)</td></tr><tr><td>Lysotherm®, Eliquo</td><td>continu</td><td>Echangeur de chaleur</td><td>Echangeur de chaleur</td><td>140-170°C</td><td>Non</td><td>2</td><td>(Geraats, 2014)</td></tr></tbody></table>

### Hydrolyse thermique à faible température (<100°C)- Procédés biologiques

L'hydrolyse thermique à des températures inférieures à 80°C a également été étudiée, ces procédés impliquant des réactions biologiques, les durées sont de l'ordre de la dizaine d'heures à quelques journées pour les procédés anaérobie ou de l'ordre de quelques heures pour les techniques aérobies ou microaérobie. Les températures étudiées correspondent aux procédés (hyper)thermophiles ou mésophiles. Le Tableau 12 présente des procédés commerciaux faisant appel à une hydrolyse biologique.

<table><caption>Tableau 12 : Caractéristiques des procédés d'hydrolyse thermique/biologique (Compilation RECORD 2022)</caption><thead><tr><td>Technologie</td><td>Principe et conditions</td><td>Exemples d'applications</td><td>Références</td></tr></thead><tbody><tr><td>Monsal42</td><td>Hydrolyse thermique /biologique<br>42°C pendant 3 j 6 réacteurs en série</td><td></td><td>https://www.suezwatertechnologies.fr</td></tr><tr><td>Technologie<br>Monsal55</td><td>42°C pendant 1,5 j puis 55°C pendant 24 à 36 h</td><td>Great Billing Water<br>Recycling Centre » à Northampton en Angleterre</td><td>https://www.suezwatertechnologies.fr</td></tr></tbody></table>

Les enzymes peuvent également être utilisées. Par exemple l'addition de deux glycosidases dans le digesteur a permis l'augmentation de 10 à 20% de la production de biogaz lors d'un essai sur une STEU. Toutefois, lors de cet essai, la température était également augementée par intermitence (Wawrzynczyk J. (2007). L'utilisation des enzymes en prétraitement est peu favorable car la matière solubilisée peut être dégradée avant son introduction dans le méthaniseur. L'introduction des enzymes dans le méthaniseur est alors préférable mais il convient de considérer le pH optimal de fonctionnement des enzymes qui peut être différent de celui du méthaniseur.

### Sonication

La sonication consiste en la propagation d'ondes de pression dans un milieu liquide et en la formation de bulles de cavitation qui implosent violemment lorsqu'elles atteignent une taille critique. Une grande quantité d'énergie mécanique est alors libérée entraînant des phénomènes de fortes turbulences et de forts cisaillements au sein du liquide. La température et la pression peuvent atteindre localement des
valeurs très élevées. Ces phénomènes mécaniques sont favorisés par des fréquences faibles (20-40 kHz) alors que des fréquences élevées (500-1000 kHz) entraînent la formation de radicaux libres (OH*, HO₂*, H⁺) et des réactions d'oxydation. Dans le cas du prétraitement des boues, les technologies à faibles fréquences sont utilisées et la désintégration de la structure des flocs et la lyse des micro-organismes sont fonction de la durée de sonication ou de l'énergie appliquée. La sonication est appliquée préférentiellement aux boues activées, et dans la plupart des cas à seulement une fraction des boues activées (25% par exemple). Les essais réalisés à l'échelle industrielle montrent l'augmentation de la production de biogaz (l'amélioration de la biodégradabilité des boues est liée à leur solubilisation Carrère et al. 2010) et la réduction de la teneur en MV dans les boues digérées. La cinétique des boues prétraitées étant améliorée, le temps de séjour dans le méthaniseur peut être réduit et/ou la charge augmentée. Par exemple, Barber et al. Reportent sur des résultats à l'échelle industrielle, une amélioration de 25 à 50% des vitesses d'hydrolyse des boues, impliquant une augmentation de 20 à 30% de la charge organique ou réduction de 30% du TSH. De plus, l'amélioration de la déshydratabilité permet de réduire de 10% la consommation de polymères. Les ultrasons permettent également la réduction des problèmes de foisonnement des boues par l'élimination des bactéries filamenteuses.

Plusieurs firmes commercialisent des homogénéisateurs à ultrasons dans le but d'un prétraitement de la digestion anaérobie, ils sont reportés dans le Tableau 13.

<table><caption>Tableau 13 : Caractéristiques des procédés commerciaux de sonication (Compilation RECORD 2022)</caption><thead><tr><td>Technologie</td><td>Principe et conditions</td><td>Exemples d'applications</td><td>Références</td></tr></thead><tbody><tr><td>Sonoflux® Ultrawaves, commercialisé en Allemagne par le groupe SAUR</td><td>20 kHz<br>2 kW/sonotrode*<br>20-50 W/cm²*<br>Energie fournie, 23 kJ/L*<br>Boues 8% MS max*<br>Bilan énergie 3-7 kW généré/kW consommé*</td><td>STEPs de Tourlaville-Cherbourg et des Ecossiernnes à Saint Nazaire (102 000 EH)</td><td>http://www.soniconic.com<br>http://saur.com</td></tr><tr><td>Technologie Sonix™ (Sonico)</td><td>20 kHz<br>sonotrodes radiales de forme cylindrique, 6 kW/sonotrode*<br>15-50 W/cm²*<br>Energie fournie, 4-5 kJ/L*<br>Boues 9% MS max*<br>Bilan énergie 5-10kW généré/kW consommé*</td><td>STEPs de Avonmouth, (Royaume Uni, 1 200 000 EH), SeAllemagneme-Uni, 150 000 EH), Kavlinge, (Suède), Orange County District, Etats-Unis et Beenyup (Australie, 700000 EH).</td><td>(Hogan et al., 2004)<br>http://www.soniconic.net</td></tr><tr><td>IWE Tec (Dr Heildcher GmbH)</td><td>20 kHz<br>sonotrodes en cascade, seule une fraction des boues secondaires est soniquée<br>8 kW/sonotrode*<br>&lt;200 W/cm²*<br>Energie fournie, 0,5-2 kJ/L*<br>Boues 10% MS max*<br>Bilan énergie &lt;5 kW généré/kW consommé*</td><td>14 STEPs reportées dans la publication</td><td>(Barber, 2005)</td></tr><tr><td>Sewator®</td><td>Boues 30% MS max<br>Taille : de 0,5 m³/h jusqu'à 1000 m³/h<br>Réduction de la viscosité de plus de 80%</td><td></td><td>https://www.sewator.com/fr/sewator_fr/</td></tr></tbody></table>

<footnote>* d'après Perez-Elvira et al. (2009)</footnote>