Production de Bio-HYdrogène : vers une voie additionnelle de valorisation biologique des déchets pour la filière de Méthanisation – ProBHyM

La méthodologie suivie consiste à répondre aux cinq sous-objectifs suivants:
(1) optimisation de la production d’H2 à l’échelle laboratoire sur la fraction fermentescible des ordures ménagères et des résidus des industries agro-alimentaires,
(2) passage en procédé continu avec des intrants réels variables pour en estimer les performances de production en environnement simulé.
(3) intégration des procédés bioH2 et CH4 en continu avec estimation des rendements de conversion énergétique globaux.
(4) influence du changement d’échelle du laboratoire à l'échelle pilote et
(5) évaluation de la filière dans son ensemble (analyse de cycle de vie et étude technico-économique).

Pour cela, le projet est structuré en 4 tâches interdépendantes :
Tâche 1: Optimisation des paramètres opératoires bioH2
Tâche 2: Optimisation du couplage des procédés H2/CH4
Tâche 3: Tests de faisabilité à l'échelle pilote
Tâche 4: Évaluation des impacts environnementaux, sociaux et technico-économiques

A ce jour, sur la première partie du projet, les efforts de recherche ont majoritairement portés sur l'optimisation de la production d'H2 à l'échelle laboratoire.
Sur la tâche 1, le prétraitement thermique de substrats complexes (FFOM) a présenté une très faible influence sur les performances de production en H2, sauf lorsque les communautés microbiennes étaient impactées. L’application d’un prétraitement agirait donc majoritairement sur les communautés microbiennes. Suite à des essais de conservation d’inocula microbiens (digestat, lixiviat, boues de STEP) prétraités thermiquement, il a été montré que, sur substrats complexes tels que les FFOM et déchets agro-industriels reconstitués, il n’était pas indispensable d’ajouter un inoculum microbien externe? Toutefois, l’ajout d’un inoculum pré-sélectionné, stocké et prétraité a rendu le procédé plus reproductible et stable, permettant de garantir des performances de production en H2. Ces résultats font l’objet d’une publication commune entre les partenaires du projet. Au-delà, des valeurs seuils d’inhibition de la fermentation H2 ont été déterminée pour chaque co-produit microbien s’accumulant en cours de fermentation. Des modèles descriptifs et explicatifs des voies fermentaires empruntées en présence d’inhibiteurs sont en cours de construction.
Dans la cadre des tâches 2 et 3, les premiers essais montrent la capacité de microorganismes endogènes à produire de l’hydrogène à partir de substrats réels en culture batch à l’échelle laboratoire et pilote (250 L).
Enfin, la tâche 4 a également débutée avec une pré-étude technico-économique qui a été réalisée afin de déterminer si la solution de production de biohydrogène par voie fermentaire était adaptée et viable sur des unités industrielles de méthanisation (site de TRIFYL en exemple). Cette pré-étude met en lumière les différents équipements/process nécessaires à ajouter pour produire du bio hydrogène en plus du biogaz et ouvre des pistes d’améliorations.

Sur la seconde partie du projet, il est prévu d'établir des stratégies d'optimisation des bioprocédés de fermentation H2 seront testées afin de lever les inhibitions liées à l'accumulation de métabolites microbiens et maximiser la conversion de substrats modèles en H2.
Des essais seront également menés sur la comparaison des performances énergétiques obtenus dans le cadre du couplage des deux procédés (hydrogène puis méthanisation) par rapport à une étape de méthanisation simple (filière de traitement plus classique).
A l’échelle pilote, les essais seront poursuivis en intégrant les paramètres de levée des inhibitions préalablement identifiés.
Enfin, après avoir affiner les choix technologiques des études d'impact (ACVs, étude réglementaire) seront menées, et l'étude technico-économique affinée.

- K. Dauptain, A. Schneider, M. Noguer, P. Fontanille, R. Escudie, H. Carrere & E. Trably (2020) Impact of microbial inoculum storage on dark fermentative H2 production. Bioresource Technology (under revision)
- K. Dauptain, A. Schneider, C. Barrau, P. Fontanille, N. Bernet, H. Carrère & E Trably (2020). Impact of microbial inoculum on dark fermentaive H2 production. WHEC 2020 (World Hydrogen Energy Conference) (repoussé en 2022)
- Poster de présentation du projet PROBHYM au Journées Recherche Industrie JRI Biogaz Méthanisation (Toulouse, 8 au 10 Septembre 2020)

Alors que les procédés de méthanisation connaissent un fort développement industriel dans le secteur du traitement des déchets, les procédés de fermentation représentent une voie potentielle d’innovation, en tant que voie additionnelle de valorisation, et notamment pour la production d’hydrogène. En effet, l’H2 peut être utilisé seul en tant que vecteur énergétique dans une filière elle aussi en émergence, ou en mélange avec le méthane (biohythane) pour en améliorer sa combustion.
L’objectif du projet ProBHyM consiste donc à non seulement optimiser les paramètres opératoires des procédés fermentaires en couplage avec la méthanisation en vue d’intensifier la production d’hydrogène et de maximiser la conversion énergétique des intrants, mais également d’évaluer l’impact tant socio-économique qu’environnemental d’une telle voie de valorisation.
En particulier, seront étudiés sur les procédés de fermentation : (i) les mécanismes d’inhibition en cultures mixtes (métaboliques et/ou populationnels) liés à l’accumulation des sous-produits, dont l’H2 (ii) la stabilité sur le long terme de ces procédés et leur impact sur la méthanisation en aval, (iii) l’identification de paramètres de changement d’échelle et enfin (iv) les caractéristiques économiques et environnementales de ces procédés en vue d’établir des préconisations pour un développement à plus grande échelle.
Le projet ProBHyM apportera donc des réponses essentielles sur le potentiel et les limites de la production d’H2 par voie fermentaire afin d’apporter une plus-value aux filières actuelles de méthanisation.