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La digestion anaérobie (DA) est un processus naturel au cours duquel les micro-organismes décomposent les matières organiques. Son potentiel est énorme, surtout face au besoin croissant et de plus en plus urgent de décarboner nos sociétés. La DA peut éviter la mise en décharge des déchets organiques, produire du biogaz pour alimenter les moteurs, assainir nos sols et réduire les émissions fugitives de méthane, qui représentent actuellement 10 % des émissions totales de gaz à effet de serre.Alors, qu’attendons-nous, pourriez-vous demander? Il se fait qu’il existe deux obstacles majeurs à la DA, que les chercheurs n’ont pas encore totalement surmontés. «Le premier problème tient au fait que la digestion est sensible à de nombreux facteurs, ce qui la rend instable et inefficace si ces facteurs ne sont pas maîtrisés», explique Lin Richen, bénéficiaire d’une bourse Marie Skłodowska-Curie et chercheur à l’University College Cork, en Irlande. «Ensuite, le second problème réside dans le fait que le digestat produit après la DA contient encore une quantité importante d’énergie et de nutriments. L’absorption de cette charge en nutriments nécessite une grande surface de terrain qui, si elle n’est pas gérée correctement, pourrait conduire à l’eutrophisation des cours d’eau.»
Lin Richen travaille sur une solution avec Jerry Murphy, directeur du centre MaREI financé par la Science Foundation Ireland, grâce à un financement de l’UE dans le cadre du projet DIET. L’objectif consiste à rendre la production de biogaz par DA beaucoup plus efficace qu’elle ne l’est actuellement. Pour ce faire, ils ont étudié un procédé appelé «Direct Interspecies Electron Transfer» (DIET) ou transfert direct d’électrons entre espèces, qui permet de réduire la taille du digesteur tout en produisant la même quantité de biogaz.
«Grâce à ces deux résultats, nous pouvons réduire le coût du gaz renouvelable durable tout en réalisant l’ambition de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) de multiplier par 20 la production du secteur du biogaz en vue de créer un monde décarboné», explique Lin Richen.
Les matériaux conducteurs à la rescousse
Le principe de DIET consiste essentiellement à introduire un matériau électriquement conducteur tel que le graphène dans un digesteur. Ce matériau agit comme une autoroute électronique entre les bactéries (qui produisent des acides gras volatils) et les archées (qui produisent du biogaz), réduisant ainsi la pression partielle de l’hydrogène tout en améliorant le processus global de production de biogaz. Comme le souligne Lin Richen: «Les réactions entre les bactéries et les archées pendant la décomposition en biométhane de la matière organique humide peuvent se révéler inefficaces en raison de l’accumulation d’hydrogène. DIET permet d’éviter que cela ne se produise.»
D’une simple hypothèse au lancement du projet, le procédé DIET a évolué en une solution vérifiée au cours des deux dernières années. Des solutions avec et sans le matériau conducteur ont été confrontées par une comparaison thermodynamique entre les systèmes ainsi que des expériences de laboratoire examinant la production de biométhane pour une variété de matières premières dans les deux scénarios.
«Nous pouvons maintenant proposer un modèle de transfert direct d’électrons basé sur le graphène utilisant une variété de substrats (y compris l’éthanol et la glycine) sous différentes températures de digestion. Ceci établit une base théorique permettant de comprendre les facteurs influents pour le procédé DIET. La théorie a été étayée par des expériences en laboratoire, qui ont permis d’obtenir des taux de production de méthane plus élevés et ont généré une augmentation globale du rendement en méthane», explique Lin Richen.
Lorsque la glycine est utilisée comme substrat, l’ajout de 1 g/L de graphène a permis d’augmenter le taux de production maximal de biométhane de 28 %. Le projet a ouvert avec succès une voie vers une DA plus efficace, et des efforts supplémentaires sont en cours pour appliquer le même principe aux matières premières avancées telles que les algues marines en utilisant le pyrochar. «Nous avons déjà démontré que le pyrochar est presque aussi efficace que le graphène pour son rôle dans le DIET, tout en coûtant en général 200 fois moins», conclut Lin Richen.