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28/08/2017

Pourquoi et comment récupérer l’énergie des eaux usées ?

On estime que dans le monde, moins de 20% des volumes d’eaux usées font aujourd’hui l’objet d’un traitement préalable à leur rejet. Pour les eaux usées d’origine domestiques, l’absence de traitement peut favoriser la propagation de maladies par contamination bactériologique. Pour les eaux usées industrielles, c’est la pollution des écosystèmes qui est en jeu.

Dans un contexte de raréfaction croissante des ressources en eau et afin de préserver le milieu naturel tout en garantissant un accès à une eau de qualité,  la mise en place de systèmes de collecte, de traitement et de réutilisation des eaux usées efficaces reste donc incontournable. Cependant, face à une tendance baissière de la consommation d’eau (notamment en France), la mise aux normes des installations de traitement des eaux usées qu’impose la règlementation européenne peut présenter une menace sur l’équilibre financier des collectivités qui ont à leur charge le traitement des eaux.

Dans cette optique, la valorisation énergétique des eaux usées est une piste intéressante pour diminuer l’impact des investissements consentis.

Constituées des effluents domestiques, industriels, des eaux de pluie ainsi que les eaux de ruissellement agricole, ces eaux renferment en effet un potentiel énergétique et économique important qui reste largement sous-exploité à ce jour, comme en atteste le dernier Rapport mondial de l’Unesco sur la mise en valeur des ressources en eau 2017[i].

Le développement de nouveaux procédés de traitement étend les possibilités de conversion des eaux usées sous forme d’énergie et facilite également la valorisation de leurs sous-produits (nutriments, matières premières, composés chimiques, métaux…etc.).

 

Que renferment les eaux usées ?

 

De l’énergie, sous diverses formes

Les eaux usées tièdes ou chaudes, qu’elles proviennent de sources industrielles ou domestiques (eaux grises) sont intéressantes d’un point de vue calorifique. L’énergie fatale qu’elles contiennent (énergie produite par un processus industriel dont la finalité n’est pas la production de cette énergie et qui peut donc être « perdue » si non valorisée) peut être valorisée in situ ou alimenter les réseaux de chaleur. La température des eaux usées dans les zones urbaines se situe entre 15° et 20°. Ainsi, rien que pour les rejets résidentiels, en considérant un rejet quotidien moyen par habitant de 130 l d’eau comme c’est le cas en France, le potentiel de récupération d’énergie est considérable, de l’ordre de 45 300 MWh de chaleur par jour[ii].

A cet effet, la directive européenne 2012/27/UE relative à l’efficacité énergétique oblige depuis cette date les Etats membres à réaliser, sur les installations de production d’électricité thermique nouvelles ou existantes, une analyse coûts-avantages de la valorisation de la chaleur fatale disponible.

Par ailleurs, les eaux usées peuvent être turbinées avant traitement en station d’épuration, ou bien avant leur rejet dans un milieu naturel. Elles présentent ainsi un potentiel d’énergie hydraulique à exploiter. Ceci est particulièrement vrai dans des zones ou pays montagneux (la Suisse reste très en pointe sur ce sujet).

Les eaux usées sont également riches en éléments organiques qui peuvent être dégradés chimiquement et produire du biogaz.

Enfin, une fois leurs résidus transformées en boues et séchées, les eaux usées constituent un combustible, source de d’énergie.

 

Des métaux

Les rejets d’eau industrielle peuvent contenir des traces de différents métaux : des métaux lourds, comme le plomb, le cuivre, le nickel ainsi que des métaux rares (or, platine, palladium, rhodium…). Ces métaux possèdent une valeur marchande. La récupération de métaux dans les eaux usées est particulièrement pertinente pour les rejets d’eau de rinçage de l’industrie photographique (argent), en galvanoplastie (récupération de constituants des bains de traitement et des bains statiques) ou encore en chimie fine.

 

Des nutriments et des matières organiques

Du carbone, des nitrates et surtout du phosphore sont présents en concentration importante notamment dans les rejets d’eaux usées domestiques (urines, excréments).

 

Encore peu développée, la valorisation énergétique des eaux usées présente pourtant un intérêt économique

 

Elle ouvre la voie à de nouveaux modèles d’affaires, notamment pour les communes

En Europe, la Directive Européenne ERU de 1992 sur les Eaux Résiduaires urbaines a pour objectif d’harmoniser le traitement des eaux urbaines à l’aide de moyens à mobiliser en fonction de la taille des agglomérations. Avec un certain retard, la France s’est attachée en 2007 à se conformer à cette directive en mettant progressivement aux normes l’assainissement de ses collectivités. Une nouvelle orientation a été prise dans le plan d’action 2012-2018[iii] dessiné par le gouvernement afin de poursuivre les efforts entrepris mais également afin de concevoir des systèmes d’assainissement plus économes en énergie et moins polluants.

Ces mises aux normes, qui ont nécessité l’installation de nouvelles techniques de traitement, ont pesé sur l’équilibre financier des communes, tant en termes d’investissements qu’en coûts d’exploitation (avec notamment une hausse des coûts fixes). Par ailleurs, l’évolution de certains facteurs (sensibilisation des consommateurs aux économies d’eau, appareils électroménagers plus économes, recyclage de l’eau par les industriels….etc.) impacte à la baisse la consommation d’eau en France, réduisant mécaniquement les recettes tirées (notamment) de l’assainissement.

Dans ces conditions, la valorisation du potentiel énergétique que renferment ces eaux usées pourrait permettre de dégager de nouvelles recettes ou des compléments de revenus en vendant de l’énergie ou en commercialisant certains sous-produits (sel, azote, phosphore…etc.), notamment sous forme de granulés d’engrais, à l’instar de l’engrais agricole vendu sur le marché et pour lequel la demande augmente.

 

Elle permet de réduire les coûts de fonctionnement des installations

Consommation d’énergie. Les dépenses d’énergie restent de loin le poste de coûts le plus important pour une station d’épuration (aération des bassins par turbinage ou injection d’air, investissements additionnels pour traiter toujours plus de polluants), devant les coûts liés au traitement des boues. En favorisant la mise en place de systèmes permettant la production d’électricité in situ, l’équilibre financier des exploitations peut s’en trouver grandement amélioré (réduction des charges d’exploitation voire atteinte de la neutralité énergétique).

Dépenses de maintenance. Les phosphates (sels contenant du phosphore), combinés à d’autres nutriments présents dans les eaux usées, ont pour inconvénient de boucher les canalisations et les équipements industriels. La récupération du phosphore, en amont du processus de recyclage peut permettre, au-delà de sa valorisation, de réaliser des économies importantes sur les dépenses liées à la maintenance des machines et des pompes utilisées dans les processus de traitement.

Elle contribue à lutter contre l’épuisement des ressources

Un certain nombre d’éléments organiques peuvent être récupérés dans les eaux usées. C’est le cas par exemple du phosphore, produit à partir de l’extraction minière, qui reste une ressource non renouvelable et limitée, mais indispensable à la croissance des végétaux. La demande mondiale étant croissante (liée aux fertilisants pour l’agriculture), certains pays ont décidé de mieux encadrer la réutilisation de cette ressource précieuse, au-delà d’un épandage classique des boues pouvant présenter des risques de pollution pour les sols. Ainsi, la règlementation suisse oblige depuis le 1er janvier 2016, à récupérer et valoriser le phosphore contenu dans les eaux usées[iv].

Toutes proportions gardées, la réutilisation de métaux dans certains procédés industriels (traitement de surface par exemple) peut contribuer à limiter leur extraction.

 

Techniques de récupération de l’énergie dans les eaux usées et perspectives

 

Sans être exhaustive, l’infographie qui suit présente un aperçu des procédés permettant de valoriser le contenu des eaux usées.

On y distingue les procédés utilisant les caractéristiques physiques des eaux usées (chaleur, écoulement), les procédés chimiques basés sur la valorisation du contenu des eaux (en particulier les nutriments) ainsi que les procédés bio électrochimiques.

Pour ce qui est de l’énergie thermique, une généralisation croissante de procédés de récupération des calories des eaux usées devra cependant faire l’objet d’une étude d’impact sur les capacités de traitement de ces mêmes eaux en station d’épuration, à des températures plus basses. Quoi qu’il en soit, le potentiel de développement est conséquent puisqu’en France, l’Etat ambitionne de multiplier par 5 la quantité de chaleur et de froid renouvelables et de récupération livrée par les réseaux de chaleur d’ici à 2030[v].

La production de biogaz obtenue via bioréacteurs est promise à un bel avenir. Aujourd’hui principalement produit à partir des boues de stations d’épuration et des déchets ménagers (respectivement pour 41% et 30%[vi]), le biométhane (issu du biogaz) devrait voir sa part dans le réseau français, largement augmenter[vii]. Dans cette perspective, la production de biogaz via la culture d’algues (biométhane dit de « 3ème génération »), encore à un stade de démonstrateur, constitue un relais de croissance à plus long terme[viii].

 

Dans un contexte de hausse des besoins énergétiques pour les réseaux d’assainissement et face à une baisse des volumes à traiter, il devient de plus en plus évident que l’eau doit jouer un rôle croissant dans l’économie circulaire. Les eaux usées doivent être réutilisées de manière plus efficace et ainsi constituer une source de valeur. Il est important que la perception des eaux usées évolue, i.e. passant d’une vision « déchet », à celle d’une ressource à valoriser. L’amélioration des techniques de traitement et de récupération des eaux, motivée par une règlementation énergétique résolument tournée vers l’environnement, constitue un terrain propice à l’apparition de nouveaux modèles d’affaires, qui pourrait par conséquent impacter la répartition de la valeur chez les acteurs de l'eau.

 

Sia Partners

 

Notes & Sources

[i] Rapport téléchargeable ici : http://unesdoc.unesco.org/images/0024/002475/247551f.pdf

[ii] Calcul utilisé : En prenant en compte une température moyenne de rejet de 17°C et une température de sortie de robinet de l’ordre de 12°C, le différentiel est donc de 5°C, ce qui correspond (exemple de la France) potentiellement à 130 l x 60 M d’habitants = 7,8 md de m3. Soit 5°C x 7,8 md m3 = 39 000 000 000 Kcal ou environ 45 300 MWh

[iii] Rapport téléchargeable ici : http://assainissement.developpement-durable.gouv.fr/documents/2011_09_27_Plan_daction_assainissement_version_finale.pdf

[iv] Voir l’Ordonnance sur la limitation et l’élimination des déchets du 04/12/15 : https://www.admin.ch/opc/fr/classified-compilation/20141858/index.html#a15

[v] Un des objectifs affichés de la Loi de transition énergétique pour la croissance verte de 2015

[vi] cf. chiffres du 2ème Observatoire du Biométhane, disponible ici

[vii] Objectif affiché par le gouvernement : 10% de gaz vert dans le réseau en 2030

[viii] cf. chiffres du 2ème Observatoire du Biométhane, disponible ici

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