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H2020

POWERSTEP — Résultat en bref

Project ID: 641661
Financé au titre de: H2020-EU.3.5.4.
Pays: Allemagne
Domaine: Changement climatique et Environnement

Vers la neutralité énergétique dans le traitement des eaux usées à l’aide de technologies actuelles

Le traitement des eaux usées municipales en Europe consomme l’équivalent énergétique d’environ deux centrales électriques par an, mais ce processus pourrait générer l’énergie correspondante à douze d’entre elles. Le projet POWERSTEP, financé par l’UE, prouve qu’il est possible de mener à bien cette chimère.
Vers la neutralité énergétique dans le traitement des eaux usées à l’aide de technologies actuelles
Tandis que la majorité de l’industrie européenne du traitement des eaux usées, à l’aide d’améliorations en matière d’efficacité énergétique, entend atteindre la neutralité énergétique (où le traitement génère la même quantité d’énergie qu’il n’en consomme), les chercheurs indiquent que les ambitions pourraient être plus élevées.

Des études mettent en évidence le fait que le traitement des eaux résiduaires dans les usines de traitement pourrait déjà offrir une nouvelle source d’énergie renouvelable sans compromettre les performances. D’ailleurs, selon les calculs, l’énergie chimique potentielle contenue dans les eaux usées municipales en Europe est d’environ 87 500 GWh par an.

Le projet POWERSTEP (Full scale demonstration of energy positive sewage treatment plant concepts towards market penetration), financé par l’UE, entend montrer qu’il est possible d’établir des usines de traitement des eaux usées à énergie positive sans l’utilisation d’autres sources d’énergie renouvelables externes, uniquement avec l’énergie des eaux résiduaires.

Le concept global de POWERSTEP pourrait être atteint, en tirant des leçons à partir de six études de cas complètes réparties dans quatre pays, pour chaque étape essentielle du processus. Profitant de l’implication des partenaires industriels, le projet était en mesure d’opérer des démonstrations à grande échelle, ce qui a ouvert la voie à un lancement rapide sur le marché et soutenu les plans d’affaires des fournisseurs de technologie participants.

Intégration des technologies

POWERSTEP a été mis en place pour intégrer les diverses évaluations des technologies élaborées dans le cadre d’études de cas antérieures au projet. Cela a permis aux chercheurs de rationaliser des processus entiers comme la modélisation et la conception des programmes de traitement, la gestion mondiale de la chaleur et de l’énergie, l’empreinte carbonique et les options de conception intégrée.

La première étape essentielle du concept d’usine de traitement des eaux usées de POWERSTEP pour atteindre la neutralité énergétique, ou même la positivité énergétique, consiste à extraire le carbone. L’extraction d’eaux résiduaires riches en carbone (avec un taux d’extraction possible de 80 %, à l’aide de la technologie POWERSTEP) permet une forte hausse de la production de biogaz.

En ce qui concerne l’amélioration des méthodes de traitement afin d’atteindre cet objectif, l’équipe a étudié l’extraction du carbone assistée (préfiltration), les processus innovants d’élimination de l’azote (comme le contrôle avancé, la désammonification du courant principal, le réacteur biologique à lentilles d’eau), la production de gaz à partir d’électricité (améliorations pour le biogaz) avec une approche de réseau intelligent, les concepts de production d’électricité à partir de chaleur (récupération thermoélectrique dans des unités de production combinée chaleur et électricité, cycle vapeur de Rankine, concepts de stockage de la chaleur) et les processus innovants en matière de traitement de l’eau (nitritation, stripage membranaire de l’ammoniaque).

Comme l’explique le Dr Christian Loderer, «en Europe, l’autoapprovisionnement en énergie produite à partir des eaux usées, c’est-à-dire, la production de biogaz pour la production d’électricité, se trouve à des étapes très différentes. Dans certains pays comme les Pays-Bas et l’Allemagne, l’autoapprovisionnement est élevé, mais n’atteint pas la neutralité énergétique à 100 % (sauf dans très peu de cas). D’autres pays, notamment en Europe de l’Est, ont un autoapprovisionnement très faible, passant à côté de 50 à 80 % du potentiel énergétique de leurs eaux usées».

Cela met en évidence le fait qu’il existe une série d’obstacles à surmonter. L’un d’entre eux est qu’actuellement le biogaz issu du traitement des eaux n’est pas encore accepté comme une énergie renouvelable de qualité, par rapport au biogaz issu des cultures énergétiques. Pourtant, le biogaz issu des cultures n’est pas sans effets secondaires négatifs, comme la création de monocultures de maïs, l’utilisation excessive d’engrais et la libération de nutriments dans l’environnement aquatique. En revanche, le biogaz produit à partir de boues d’épuration ne présente pas ces effets secondaires négatifs.

Contribuer à l’économie circulaire

POWERSTEP, avec ses exemples pratiques sur la meilleure façon de produire de l’énergie renouvelable à partir des eaux usées, contribue considérablement aux efforts de l’UE vers une transition à l’économie circulaire, guidés par l’ambition d’atteindre la viabilité dans la société, l’économie et l’environnement. Ce fait a été récemment relevé par le directeur général de la DG Énergie de la Commission européenne, Dominique Ristori, qui a décrit POWERSTEP comme «très bien placé selon les priorités de l’union de l’énergie».

En outre, étant donné que l’électricité qui fait fonctionner les usines de traitement coûte environ deux milliards d’euros par an, les économies pourraient s’avérer notables. D’après le Dr Loderer, si les municipalités suivaient l’approche POWERSTEP, les citoyens de l’UE bénéficieraient directement de la réduction de leurs factures énergétiques.

«Le traitement des eaux usées neutre sur le plan énergétique n’est plus illusoire, nous avons montré qu’il est aujourd’hui totalement possible avec des technologies de pointe disponibles sur le marché», explique le Dr Loderer. Et avec l’usine de traitement des eaux usées d’Altenrhein, en Suisse, désormais équipée d’une unité de récupération d’azote complète qui a été étudiée en détail par EAWAG (partenaire de POWERSTEP), le projet prend de plus en plus d’ampleur.

Le regard tourné vers l’avenir, le Dr Loderer ajoute que «le traitement à énergie positive, jusqu’à 140-170 %, est également possible, mais il est nécessaire d’entreprendre plus de travaux sur la fiabilité technologique et la viabilité économique pour lancer des systèmes complets».

Dans l’immédiat, afin d’élaborer une preuve de concept montrant que la technologie fonctionne à petite et à grande échelle, l’équipe prend part à des discussions avec des partenaires industriels essentiels du projet pour décider la façon de mettre en place un réseau de petites usines de traitement des eaux usées qui adopteront partiellement les approches POWERSTEP.

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Mots-clés

POWERSTEP, eaux usées, usine de traitement, économie circulaire, énergie renouvelable, production d’électricité, biogaz, viabilité