Crudité

Jan 07, 2024

L'année dernière, une voiture alimentée par des déchets humains a parcouru la campagne européenne, parcourant plus de 2 000 kilomètres (1 200 miles). C'était l'aboutissement de To-Syn-Fuel, un projet novateur utilisant une technologie développée par l'Institut Fraunhofer allemand UMSICHT pour fabriquer 50 000 litres (13 200 gallons) de pétrole brut à partir de 500 tonnes de boues d'épuration.

Le voyage a marqué une étape importante dans les efforts mondiaux pour convertir les déchets humains en un carburant de transport viable, selon Robert Daschner, chef du département des énergies renouvelables au Fraunhofer UMSICHT, qui a dirigé le projet multipartenaire financé par le programme Horizon 2020 de l'UE. L'utilisation de To-Syn-Fuel peut permettre d'économiser jusqu'à 85 % de carbone par rapport aux combustibles fossiles, a-t-il écrit à Mongabay dans un e-mail.

Mais ce road trip historique dans l'UE n'était qu'un objectif intermédiaire : la prochaine étape est la construction d'une installation de brut à brut à plus grande échelle en Allemagne, basée sur les leçons tirées d'une plus petite usine de démonstration de preuve de concept. L'objectif est de transformer jusqu'à 400 000 tonnes de boues d'épuration en "carburant d'aviation durable" d'ici 2030, a écrit Daschner.

Si ce projet pilote, ou d'autres projets pilotes prometteurs de pétrole brut à brut, réussissent véritablement à grande échelle, la science et l'industrie pourraient casser l'une des noix les plus difficiles pour réaliser une économie de carburant post-fossile : un carburant liquide de transport, avec un potentiel à faible émission de carbone. pour propulser des voitures, des camions, des jets et des navires.

Les boues d'épuration sont des résidus boueux riches en carbone et en nutriments laissés après le traitement des eaux usées. Les experts en transport ne voient pas ces restes comme des déchets, mais plutôt comme une forme d'or affinable : une matière première renouvelable à partir de laquelle fabriquer du biocarburant liquide.

Certains experts disent même que l'exploitation du potentiel énergétique des eaux usées et des boues d'épuration dans le cadre d'une économie circulaire peut être vitale pour lutter contre le changement climatique. Mais atteindre cet objectif, tout en offrant de grandes opportunités, présente également de grands défis.

Des millions de tonnes de boues d'épuration sont créées chaque année dans les usines de traitement des eaux usées, bien qu'une grande partie finisse désormais dans des décharges ou soit incinérée. Les boues traitées, appelées « biosolides », sont également compostées et peuvent être épandues comme amendement agricole.

En 2021, les États-Unis ont produit 4,5 millions de tonnes métriques de boues, selon l'Environmental Protection Agency. De ce nombre, près de 2 millions de tonnes métriques ont été épandues sur les terres ; 633 000 tonnes métriques ont été incinérées et 1,9 million de tonnes métriques ont été mises en décharge. Alors que l'Union européenne produit moins de boues d'épuration, environ 10 millions de tonnes métriques par an, leur utilisation suit un schéma globalement similaire.

Chaque voie d'évacuation des boues d'épuration pose ses propres problèmes environnementaux majeurs. L'épandage de boues sur les terres agricoles, par exemple, peut libérer des polluants dans les sols, contaminer de vastes zones et même empoisonner les gens avec des métaux lourds toxiques, des PFAS "produits chimiques pour toujours" et des microplastiques. Ce problème a conduit à l'interdiction de l'épandage des boues d'épuration dans l'État américain du Maine l'année dernière.

Le traitement des eaux usées lui-même est un processus à forte intensité de carbone, représentant jusqu'à 5% des émissions de gaz à effet de serre de l'humanité, selon certaines estimations. Actuellement, seulement 20 % des eaux usées mondiales sont traitées, ce qui signifie qu'à mesure que le service de traitement des déchets se développe, son empreinte environnementale pourrait augmenter avec lui.

"Les opérateurs de stations d'épuration doivent souvent brûler les boues, ce qui crée d'énormes émissions de gaz à effet de serre", a déclaré Frédéric Pitre, professeur à l'Université de Montréal au Canada, à Mongabay dans une interview. "C'est un défi de trouver des moyens de donner de la valeur à ces boues."

La production d'énergie (sous forme de biogaz) et la récupération de nutriments (tels que l'azote et le phosphore, utiles comme engrais) sont deux autres alternatives pour extraire cette "valeur", les opérateurs de traitement des déchets créant déjà de l'énergie à partir du caca pour réduire leur empreinte carbone, dit Lillian Zaremba, gestionnaire du programme d'innovations collaboratives pour le service des déchets liquides de Metro Vancouver. À l'aide d'un processus connu sous le nom de digestion anaérobie, les boues d'épuration sont parfois utilisées comme matière première pour produire du biogaz sous forme de méthane, qui est généralement réinjecté dans les installations de traitement pour répondre à leurs besoins de production d'énergie.

"Nous utilisons le biométhane issu de la digestion anaérobie dans les usines [de traitement des déchets], puis tout ce que nous ne pouvons pas utiliser, nous le nettoyons pour le vendre", explique Zaremba. "Cela remplace [l'utilisation] de gaz fossile."

Une multitude de technologies sont à l'étude pour transformer les boues d'épuration en biocarburants liquides commercialement viables pour répondre aux besoins de transport. Un article de synthèse publié l'année dernière décrit des options telles que "les processus biologiques, les technologies thermochimiques, le traitement bioélectrochimique, les bioraffineries et autres".

Bien que des démonstrations à petite échelle de production de biocarburants liquides à partir de boues aient été couronnées de succès, aucune installation industrielle à grande échelle n'est encore opérationnelle. "[B]ien que testées et validées à l'échelle d'un laboratoire ou d'un pilote, [les diverses techniques de traitement] en sont encore à leurs balbutiements du point de vue de l'application industrielle", indique le document de synthèse.

Les partisans vantent les avantages des biocarburants à base de boues, notant qu'ils peuvent éviter bon nombre des critiques courantes d'autres matières premières de biocarburants liquides, notamment le maïs, l'huile de palme ou l'huile végétale. Les boues en tant que matière première n'offrent aucune concurrence avec l'utilisation des terres alimentaires ou agricoles, et la conversion des terres est évitée - des problèmes qui peuvent réduire la durabilité et augmenter l'intensité en carbone de divers biocarburants.

Laureano Jiménez, ingénieur chimiste à l'Université espagnole de Rovira i Virgili, et son équipe ont mené une analyse de durabilité de différentes matières premières de biocarburants liquides ; les sources de déchets, telles que les boues d'épuration, sont arrivées en tête. "Nous ne disons pas que créer des biocarburants à partir des eaux usées est la meilleure option, mais c'en est une", a-t-il souligné.

"Nous utilisons des déchets qui, dans tous les cas, seront brûlés ou mis en décharge", a ajouté Salvador Ordoñez du Département de génie chimique et environnemental de l'Université d'Oviedo, en Espagne. Cela peut rendre le biocarburant à base de boues plus durable, estime-t-il.

La liquéfaction hydrothermale (HTL), utilisant la pression et la chaleur, est une voie pour transformer les déchets municipaux en biobrut, et elle est considérée comme l'une des options ayant le plus grand potentiel pour créer des carburants pour le transport maritime et éventuellement des carburants d'aviation durables. L'année dernière, des chercheurs travaillant sur un projet pilote à l'Université d'Aarhus au Danemark ont ​​annoncé une "percée" car le biobrut a été produit avec succès à l'aide de matières premières, y compris les boues d'épuration.

Au Canada, un projet de démonstration HTL en cours de développement par Metro Vancouver devrait être opérationnel d'ici 2025, transformant environ 10 tonnes métriques de boues d'épuration humides en cinq barils de biobrut par jour. Bien que ce soit une goutte d'eau dans le seau par rapport aux besoins mondiaux en carburant, commencer petit est une preuve de concept cruciale avant de passer à l'échelle supérieure, a déclaré Zaremba. Des projets pilotes similaires sont en cours ailleurs.

Stian Hegdahl, titulaire d'un doctorat. candidat à l'Université norvégienne de Bergen, pense également que HTL est prometteur pour transformer les déchets humains en biocarburant. Ses recherches en laboratoire utilisent des boues qui ont déjà subi le processus de digestion anaérobie.

Il prévient que la production de biocarburants n'est pas sans problèmes environnementaux. La conversion des boues en combustible produit à la fois des déchets solides et liquides, pour lesquels une élimination serait nécessaire, et vous "devriez réfléchir à la façon dont cela est fait [en toute sécurité]", a-t-il déclaré.

Autre obstacle : les raffineries de brut à brut, si elles veulent répondre à une demande à grande échelle, peuvent avoir besoin de transporter par camion les boues de nombreuses usines de traitement des déchets, en fonction de leur emplacement géographique. Hegdahl a effectué des calculs "très approximatifs" sur la quantité de biobrut que sa ville natale de Bergen pourrait produire, et a constaté que le total des déchets de ses 300 000 habitants ne pouvait produire que "des milliers de tonnes" de carburant - un chiffre éclipsé par la production actuelle de combustibles fossiles. Cela pourrait faire grimper les coûts en raison de la logistique, ce qui la rendrait économiquement non viable.

"Vous devez collecter [les boues d'épuration] de plusieurs endroits dans une seule usine [de biocarburant] pour pouvoir en produire suffisamment pour que quiconque s'en soucie réellement", a-t-il expliqué.

Un projet canadien a adopté une approche alternative au HTL, testant à la place la capacité du saule à croissance rapide à traiter les eaux usées comme une solution basée sur la nature ; une fin pour laquelle il s'est avéré efficace. Les chercheurs ont alors découvert que cette solution de traitement des déchets pouvait également fournir une source durable de biocarburants. Le traitement des eaux usées avec du saule a considérablement augmenté la biomasse de la plante, explique Pitre, qui faisait partie de l'équipe de recherche. Cette biomasse pourrait ensuite être transformée en carburant liquide ou en d'autres produits tels que les bioplastiques, un résultat qu'il décrit comme une solution gagnant-gagnant.

"Nous n'utilisons pas de terres agricoles, nous n'utilisons pas de nourriture et nous traitons un problème environnemental", a-t-il déclaré. Selon les recherches, le saule n'est qu'une des nombreuses espèces végétales qui pourraient être utilisées à de telles fins. "Soit nous traitons les eaux usées à un coût bien inférieur à celui des stations d'épuration traditionnelles, soit nous extrayons les contaminants du sol et produisons de la biomasse qui serait autrement inutilisée."

Que la matière première soit des boues d'épuration, du saule ou d'autres matières organiques, la réglementation de la production de biocarburants pose un autre obstacle à la mise en œuvre. Tout "[projet] de démonstration devrait être accepté par la juridiction locale et le gouvernement local comme une option appropriée pour le traitement des eaux usées", avant de se généraliser, a noté Pitre.

Alors même que les entrepreneurs s'efforcent de transformer les démonstrations en laboratoire et à l'échelle pilote en projets à l'échelle industrielle, les analystes s'interrogent sur les économies de carbone que ces différents biocarburants offrent.

Dans certains cas, les économies annoncées liées à ces nouveaux carburants « décarbonés » restent à confirmer. Leur efficacité dépend peut-être surtout de l'endroit où la ligne est tracée dans la comptabilité, affirme Zaremba.

"Nous constatons que l'intensité carbone du biobrut est inférieure de 90% à celle du brut fossile", a-t-elle déclaré. Mais ce chiffre élevé est dû au fait que les avantages sont calculés après que les eaux usées ont "déjà été collectées et traitées". Ce qui signifie qu'aucune des « émissions de carbone supplémentaires de cette partie du processus » n'est comptabilisée dans la réduction de 90 %.

De même, la création de carburant à l'aide du procédé HTL nécessite de l'hydrogène, et la fabrication d'hydrogène a sa propre empreinte carbone. La production d'« hydrogène vert » à partir de sources renouvelables est un moyen de débloquer des économies de carbone, mais actuellement, l'écrasante majorité de l'hydrogène est fabriquée à partir de combustibles fossiles ; en 2021, les énergies renouvelables ne produisaient que 1 % de l'hydrogène dans le monde.

"C'est quelque chose que nous sommes sur le point de résoudre, mais c'est encore loin", a déclaré Carlos Pozo, maître de conférences à l'Université de Rovira I Virgili. "La majeure partie de la production actuelle d'hydrogène n'est en aucun cas verte, ce sera donc un autre défi environnemental."

Dans le cas de To-Syn-Fuel, les économies de carbone pourraient être améliorées en séquestrant les déchets solides de carbone sous forme de biochar créé pendant le processus de conversion des boues en biocarburant, a écrit Daschner. Mais, ajoute-t-il, une comptabilité carbone complète n'a pas encore été évaluée : "Comme il s'agit d'une usine de recherche et de démonstration, seules des déclarations limitées peuvent être faites sur l'évaluation du cycle de vie d'une usine de production à grande échelle." Mais il note que l'évaluation "de la matière première et des éventuelles étapes de prétraitement de la matière première" sera essentielle pour déterminer les économies de carbone.

Autre énigme : les contaminants toxiques présents dans les eaux usées. Les boues ne sont pas seulement remplies de carbone extractible et de nutriments agricoles, elles sont également chargées de polluants indésirables. Selon la méthode utilisée pour fabriquer des biocarburants, ces contaminants restent un casse-tête et peuvent devoir être enfouis ou brûlés.

"En ce sens, nous n'éliminons pas [les polluants] de l'environnement", a déclaré Jiménez. "Il n'y a pas de solutions faciles."

Zaremba reconnaît le problème des contaminants, mais elle rapporte que HTL est "très prometteur en termes de destruction de composés préoccupants pour l'environnement". Des recherches sont en cours pour comprendre ce qui arrive aux polluants pendant le processus de conversion des biocarburants, a-t-elle déclaré. "Ce projet pilote est une excellente occasion pour [apprendre] cela."

Un article publié l'année dernière a révélé que certains produits chimiques PFAS pour toujours ne sont pas complètement éliminés lors de la conversion HTL, suggérant que "d'autres approches de traitement pour l'élimination des PFAS des boues d'épuration doivent être identifiées".

Outre les difficultés environnementales et technologiques, les experts soulignent les obstacles économiques et politiques à la généralisation des biocarburants à base de boues. Par exemple, convaincre les exploitants d'usines de traitement des eaux usées municipales et les contribuables d'ajouter une technologie potentiellement coûteuse aux usines pour faciliter la fabrication de biocarburants peut être difficile à vendre, dit Ordoñez.

"Lorsque vous essayez de développer une nouvelle technologie, le marché est important", a-t-il noté. "Nous nous entraînons en tant que scientifiques à examiner [la résolution] de la partie technologique [du problème], mais le marché est également important."

Une multitude d'options de brut à brut sont en cours de développement aujourd'hui, mais il reste à voir si l'une d'entre elles percera et produira suffisamment de carburant pour réduire considérablement les émissions de carbone des transports.

Il semble probable que le brut à brut pourrait devenir l'une des solutions pour résoudre le problème croissant de l'élimination des déchets de l'humanité au XXIe siècle - des solutions qui incluent désormais l'utilisation des boues d'épuration pour fabriquer du biogaz, des engrais et des amendements du sol, ou l'élimination par incinération ou dépôt. dans les décharges.

"Nous devons trouver un traitement approprié afin d'incorporer [les boues d'épuration] dans une économie circulaire", a déclaré Jiménez. Produire "des biocarburants est l'une de ces alternatives".

Les espoirs reposent sur les résultats de divers efforts de mise à l'échelle : « Nous avons suscité beaucoup d'intérêt de la part de nos pairs à travers l'Amérique du Nord et nous avons eu des gens en Europe qui nous ont contactés », déclare Zaremba. "Tout le monde attend que quelqu'un passe en premier, afin qu'ils puissent ensuite justifier leur mise en œuvre eux-mêmes... cette échelle pilote - [cette] étape intermédiaire [qui] nous permettra de construire une analyse de rentabilisation [des biocarburants] vraiment convaincante."

Image de la bannière : Au cours de leur projet de cinq ans, To-Syn-Fuel a converti plus de 500 tonnes métriques de boues d'épuration séchées en 50 000 litres (13 200 gallons) de pétrole. Le même processus peut être une source d'hydrogène "vert", selon l'équipe du projet. To-Syn-Fuel a été financé par l'UE et comprenait une gamme de partenaires universitaires, de recherche et industriels. Image © Fraunhofer UMSICHT.

Solutions innovantes pour les eaux usées : s'attaquer au problème mondial des déchets humains

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