Mise en décharge, compostage ou incinération ? Gestion des déchets.

Document pour la conférence de l’ISWA, Portugal, octobre 2009

par Barbara Hutton, étudiante en recherche, Master of Sustainable Practice, RMIT University, Ed Horan, directeur de programme, Master of Sustainable Practice, RMIT University, Melbourne et Mark Norrish, Mathématiques, Australian National University, Canberra (Australie)

RÉSUMÉ EXÉCUTIF

Selon les prévisions, le méthane (CH4) devrait provoquer un réchauffement climatique aussi important que le dioxyde de carbone (CO2) au cours des 20 prochaines années. Traditionnellement, le potentiel de réchauffement global (PRG) du méthane est mesuré sur 100 ans. Le quatrième rapport d’évaluation du GIEC (GIEC 2007) prévient que cela sous-estime son impact immédiat. Sur 20 ans, il a un PRG 72 fois supérieur à celui du CO2.

L’étude actuelle a été motivée par l’inquiétude suscitée par ces émissions et par une récente étude de politique gouvernementale à Melbourne, en Australie, qui recommandait le compostage des déchets municipaux. Melbourne ne manque pas d’espace pour les décharges et dispose de décharges conformes aux meilleures pratiques en matière d’extraction du méthane. Le compostage massif des déchets permettrait de réduire les gaz de décharge, actuellement utilisés comme combustible.

AIM DE L’ÉTUDE

Cette étude utilise des informations récentes (Lignes directrices 2006 du GIEC) avec des données locales pour estimer :

  • Quelle est la quantité de gaz à effet de serre émise dans l’atmosphère par les décharges à pratiques optimales équipées de tuyaux de captage du méthane ? Quelle quantité peut être capturée pour être utilisée comme carburant ?
  • Le compostage aérobie ou incinération permettent-ils de mieux contrôler les émissions que la mise en décharge avec captage des gaz ?

METHOD

Une feuille de calcul a été créée pour comparer les émissions de méthane, d’oxyde nitreux et de dioxyde de carbone anthropique (d’origine humaine) provenant du compost, de la mise en décharge et de l’incinération, sur la base des chiffres du GIEC. Le modèle du GIEC tient compte des différences de température, d’humidité, de sécheresse et d’aération dans la décharge, ainsi que des différents types de déchets organiques. Melbourne (Australie) a servi d’étude de cas pour la feuille de calcul.

Landfill, Compost or Incineration Table 5

Au cours des 30 années suivantes, l’incinération a produit le moins d’émissions de gaz à effet de serre, suivie par la mise en décharge avec extraction de gaz. Étonnamment, le compostage aérobie a produit le plus haut niveau d’émissions. Ce chiffre repose sur l’hypothèse que les décharges sont équipées de tuyaux de captage des lixiviats et des gaz, comme c’est désormais le cas à Melbourne, avec un taux de captage des gaz de 60 %. Nous avons supposé que 10% du méthane s’échappant était oxydé lors de son passage à travers la couverture du sol, et que certains déchets se décomposeraient en aérobie avant que des conditions anaérobies ne soient établies. Les estimations du GIEC concernant les émissions de CH4, de N2O et de CO2 anthropiques provenant du compostage et de l’incinération à lit fluidisé semi-continu ont été comparées aux émissions des décharges.

CONSTATATIONS

  1. Parmi les trois méthodes d’élimination, c’est l’incinération des déchets qui a eu le moins d’impact sur le climat, suivie par la mise en décharge avec captage des gaz. Cette étude n’a pas estimé les économies de CO2 réalisées grâce à la valorisation énergétique des déchets, mais uniquement les avantages liés à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, CH4 et N2O, provenant de la mise en décharge et du compostage. Si la valorisation énergétique des déchets est utilisée pour remplacer l’électricité produite à partir du charbon, les résultats de l’incinération et du captage des gaz de décharge seraient encore meilleurs.

Les résultats ont confirmé les études antérieures de Pipatti et Savolainen (1996) et l’étude Hyder sur les options en matière de déchets pour Melbourne (2007). Tous deux ont constaté que l’incinération était en fait la meilleure option pour réduire les gaz à effet de serre. La digestion anaérobie des déchets pour produire du méthane fonctionnerait bien si 100 % des déchets organiques pouvaient être séparés, mais il est peu probable que cela se produise dans la réalité. Pipatti et Savolainen ont constaté que la deuxième meilleure option était la mise en décharge, le CH4 étant utilisé comme combustible. Notre étude confirme ce constat.

  1. Le compostage permet de réduire la quantité de déchets mis en décharge, en tant que fin en soi. À long terme, elle peut réduire les émissions de GES. Mais dans un premier temps, elle fait avancer les émissions, ce qui signifie que le changement climatique est accéléré. Dans ce scénario, il faut plus de trois décennies pour que les émissions de gaz à effet de serre provenant de la mise en décharge rattrapent celles du compostage aérobie.

Il est possible que, dans 30 ans, une solution soit trouvée pour empêcher le méthane de s’échapper des décharges, ou que les prix de l’énergie soient si élevés que les décharges soient exploitées comme combustible. Ainsi, les émissions à long terme prévues pour les décharges pourraient ne jamais se produire. Le détournement des déchets organiques vers le compostage, sans capturer les émissions provenant du compost, pourrait être contre-productif et ne faire qu’accélérer la fonte des glaces de l’Arctique et de l’Antarctique.

CONCLUSIONS

Une étude antérieure, plus détaillée, des options pour les déchets municipaux de Melbourne, suggère que l’objectif de détourner les déchets des décharges est exagéré, car Melbourne dispose d’un espace suffisant pour les décharges, et d’autres sont créés par les activités d’extraction. L’énorme volume de compost de mauvaise qualité produit si tous les déchets ménagers sont compostés peut conduire à un effondrement du marché du compost.

  • Une décharge bien gérée avec capture des gaz peut réduire les niveaux de méthane et retarder les émissions pendant des décennies. Environ 50 % du carbone organique est séquestré et seulement 5 % environ des déchets se décomposent chaque année dans les décharges. La majeure partie du méthane peut être captée ou oxydée sur le site de la décharge.
  • Il existe un grand potentiel de production d’énergie à partir de la production thermique d’électricité à partir des déchets municipaux, des gaz de décharge et, dans certains cas, de la digestion anaérobie des déchets séparés. Les moteurs à allumage par étincelle sont actuellement utilisés pour convertir le méthane en électricité, mais les piles à combustible, la cogénération d’énergie et de chaleur et l’utilisation directe du méthane sont toutes possibles.
  • Les déchets municipaux ne doivent pas être systématiquement compostés avant d’être éliminés, et certainement pas dans des andains à l’air libre. La mise en décharge avec capture des gaz est une meilleure option pour réduire les émissions et produire du biocarburant.
  • Les bacs de compostage domestique peuvent produire plus de gaz à effet de serre par unité de déchets que les décharges.
  • Le compost peut jouer un rôle important en Australie, notamment dans le cadre de l’agriculture biologique et en tant que couverture de pointe, pour oxyder le méthane qui s’échappe, mais un compost de haute qualité issu de matières organiques séparées est le meilleur pour

les deux objectifs. La priorité est de composter les déchets ruraux et animaux qui, actuellement, ne sont pas mis en décharge dans les règles de l’art et peuvent libérer de grandes quantités de CH4 et de N2O.

FOND : MEL POUR DÉTOURNER LES DÉCHETS ORGANIQUES DE LA DÉCHARGE VERS LE COMPOST

À Melbourne, la stratégie métropolitaine de gestion des déchets et de récupération des ressources (MWMS 2008) a examiné plusieurs options pour la gestion des déchets solides en 2008 et a produit une politique cette année.

Les ménages de Melbourne sont déjà équipés de deux poubelles, l’une pour les produits recyclables (bouteilles, canettes, plastiques, papier) et l’autre pour les déchets résiduels. Les ménages de banlieue disposent souvent d’une troisième poubelle pour les déchets de jardin. L’Australie a pour politique de réduire au minimum les déchets mis en décharge. Une étude sur les déchets résiduels en 2005-6 a révélé que 41% étaient des déchets alimentaires, 18% des déchets verts et 6% du papier – tous des déchets organiques qui pourraient être compostés.

Le plan du MWMS a envisagé des options pour détourner les déchets organiques de la mise en décharge, notamment le compostage des déchets résiduels dans des composteurs de traitement avancé des déchets (AWT) à grande échelle, la séparation des déchets organiques pour le compostage aérobie ou anaérobie, et la production d’énergie thermique à partir des déchets.

La société Hyder Consultants (Hyder 2008) a été engagée pour réaliser une étude. Ils ont constaté que la production d’électricité thermique était la plus performante dans tous les domaines, et qu’elle permettait même de réduire la pollution atmosphérique, car elle remplacerait l’énergie très polluante produite par le charbon brun, qui est la source actuelle de l’électricité de Melbourne. Brûler les déchets permettrait également de réduire les émissions de GES en éliminant le méthane des décharges. Toutefois, elle a rejeté l’option de l’incinération en raison des préoccupations de la communauté et de la difficulté à implanter les incinérateurs.

Compost: il a été constaté que les déchets séparés et digérés en anaérobiose produisaient le meilleur compost et produisaient 80 à 100 kWh d’énergie pour chaque tonne de déchets. Mais tous les déchets organiques ne seraient pas retirés de la décharge ; il y aurait encore du méthane qui s’échapperait. L’étude du MWMS a donc privilégié le traitement avancé des déchets, tous les déchets résiduels, y compris les ordures, étant compostés. Cela produit des décharges stabilisées et un compost de mauvaise qualité. Une soumission de Boral, les gestionnaires du Western Landfill de Melbourne (soumission de Boral 2007) et également impliqué dans le compostage à l’usine de compostage de Pine-Gro, a suggéré que le compost des déchets résiduels mélangés serait invendable, et irait probablement à la décharge. Le traitement anaérobie des déchets résiduels mixtes est difficile à cause des contaminants (Fulhage, 1993). L’étude de Hyder a montré qu’il ne produirait aucune énergie nette et qu’il aurait même un léger coût énergétique.

LA MESURE DU MÉTHANE PROVENANT DE LA MISE EN DÉCHARGE, DU COMPOSTAGE ET DE L’INCINÉRATION

La présente étude vise à comparer objectivement les options d’élimination des déchets. Elle utilise l’outil de la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (CCNUCC) « Outil permettant de déterminer les émissions de méthane évitées lors de l’élimination des déchets sur un site d’élimination des déchets solides », version 4, 2008 (« l’outil ») pour comparer la production de méthane par la mise en décharge par rapport au compostage aérobie et les émissions de GES par l’incinération. Équations et informations de base tirées des « Lignes directrices pour les émissions nationales de gaz à effet de serre » 2006 du GIEC, vol. 5 « Déchets », Chapitres 2 – 5 et Vol.2, « Energie » ont également été utilisés.

Les facteurs suivants sont utilisés pour calculer les émissions de méthane :

  1. Quantité de déchets organiques déposés en décharge chaque année, par ménage.
  2. Fraction de carbone organique dégradable dans les déchets (moyenne de ses différents composants)
  3. Fraction qui se transforme effectivement en méthane. Seule la moitié environ de cette matière se décompose et, de ce nombre, seule la moitié se transforme en méthane.
  4. Le facteur de conversion du carbone en méthane.
  5. Le taux d’accumulation des déchets dans la décharge, et le taux de décomposition des déchets.
  6. Méthane capturé dans les décharges pour être brûlé ou utilisé comme combustible.
  7. « Facteur de correction du méthane » : Certaines matières organiques se décomposent de manière aérobie grâce à l’oxygène présent dans la décharge : moins si elles sont humides et anaérobies, plus si elles sont bien gérées et sèches.
  8. Une partie du méthane s’oxyde en s’échappant, si le site est recouvert d’une « biocap » de terre ou de compost.

Au total, seule une très petite quantité de méthane potentiel s’échappe des décharges aux pratiques optimales, et elle est produite très lentement, car le taux de décomposition dans un climat tempéré sec n’est que d’environ 5 % par an. Le compostage aérobie produit principalement du CO2, mais libère également une petite quantité de méthane (l’estimation par défaut du GIEC est de 4 grammes de méthane par kilogramme de déchets organiques).

L’incinération produit surtout du CO2. La combustion à l’air libre des déchets produit du CH4, mais l’incinération en lit fluidisé continu n’en produit pas du tout. Dans cette étude, on suppose que l’incinération en lit fluidisé semi-continu est utilisée – elle produit du CH4 et du N2O qui ont été pris en compte dans le calcul des émissions.

Landfill, Compost or Incineration Table 2
Landfill, Compost or Incineration Table 3
Landfill, Compost or Incineration Table 4

Le graphique du haut montre les émissions maximales de GES prévues pour le compostage géré. Ils sont susceptibles de se trouver dans un climat chaud, où le compost est maintenu humide. Le deuxième graphique montre la valeur par défaut du GIEC pour le compost. Le troisième indique les valeurs minimales, probablement inapplicables à l’Australie. La plupart des données référencées par le GIEC proviennent de Scandinavie et de Finlande, où il fait beaucoup plus froid qu’en Australie et où il y a donc peu de méthane produit.

Les émissions de méthane et de N2O dues à un compostage mal géré peuvent être encore plus élevées que celles indiquées dans le graphique du haut. Bert Metz (2007 IPCC) souligne que « le CH4 et le N2O peuvent tous deux être formés pendant le compostage par une mauvaise gestion et l’initiation de conditions semi-aérobies (N2O) ou aérobies (CH4) ; des études récentes indiquent également la production de CH4 et de N2O dans des systèmes bien gérés (Hobson et al 2005) ».

Une étude modeste mais inquiétante de l’Université Griffith, Queensland, Australie (l’étude Insinkerator, 1994) a comparé les systèmes de compostage domestique avec les éviers et les décharges. Des niveaux très élevés de méthane ont été trouvés dans des bacs à compost ménagers non gérés.

HYPOTHÈSES SUR LE FACTEUR DE CORRECTION DU MÉTHANE DANS LES DÉCHARGES

Les graphiques ci-dessus supposent un facteur de correction du méthane (MCF) de 0,6 pour les décharges, c’est-à-dire qu’elles sont anaérobies à 60 %. Le GIEC recommande cette valeur si l’on ne sait pas comment les déchets sont gérés. Si les déchets ne sont pas gérés dans une décharge peu profonde, la valeur MCF est de 0,4, car une grande partie des déchets se dégradera par voie aérobie. Si les déchets sont enterrés profondément ou si la nappe phréatique est élevée, par exemple s’ils sont déversés dans une zone marécageuse, une valeur de 0,8 est utilisée. Si elle est simplement compactée ou nivelée et couverte, le MCF est de 1.

Dans les lignes directrices du GIEC de 1996, tous les déchets gérés étaient supposés être 100 % anaérobies (MCF de 1). C’était une hypothèse héroïque. Il suffit de très faibles niveaux d’oxygène dans les déchets pour produire une certaine décomposition aérobie, surtout avant que des conditions anaérobies ne soient établies dans les déchets (voir Metz, IPCC 2007). Une étude suédoise récente (Smars, Sven et Beck-Friis 2002) a révélé qu’une certaine décomposition aérobie des déchets se produisait encore à des niveaux d’oxygène de 1 %.

Dans les lignes directrices 2006 du GIEC, une nouvelle catégorie de décharges semi-anaérobies a été introduite avec un MCF de 0,5. Ce type de décharge dispose d’un système de drainage des lixiviats, de captage des gaz, de ventilation et d’une couverture perméable. À Melbourne, les sites d’enfouissement disposent généralement d’un système de drainage des lixiviats et de captage des gaz. Il n’est pas certain que la couverture de la pointe soit perméable. (Il n’est pas prévu qu’il le soit, mais on estime que 40 % du méthane s’échappe par ce biais). Le sous-sol est extrêmement sec, par rapport à l’Europe et à la Scandinavie. Cela aurait tendance à permettre à l’oxygène de pénétrer.

D’autres études sont nécessaires pour déterminer l’ampleur de la décomposition avant que les conditions de mise en décharge ne deviennent anaérobies, la quantité d’oxygène présente dans les gaz de décharge et la valeur réelle de la MCF à Melbourne. Le ministère australien du changement climatique continue de classer toutes les décharges australiennes comme étant 100% anaérobies, au motif qu’elles sont « gérées ». Cette classification suit celle des lignes directrices du GIEC de 1996, désormais dépassées. Des estimations plus récentes sont nécessaires.

POURQUOI LES RÉSULTATS MONTRENT-ILS DES ÉMISSIONS PLUS ÉLEVÉES POUR LE COMPOST PAR RAPPORT À LA MISE EN DÉCHARGE ET À L’INCINÉRATION QUE CE QUI EST GÉNÉRALEMENT SUPPOSÉ ?

Une grande partie de la compréhension répandue des émissions de GES provenant de la mise en décharge, du compost et de l’incinération est basée sur les premières modélisations des lignes directrices du GIEC de 1996. Depuis lors, il a été découvert que :

  • Le compostage libère du CH4 et du N2O. Une série d’estimations a été fournie.
  • Une décharge n’est pas toujours 100% anaérobie mais peut être semi-anaérobie, avec un MCF de 0,5.
  • Une grande partie de la matière organique des déchets ne se dégrade pas dans des conditions anaérobies. Le GIEC 2006 indique que seulement 50 % au maximum se décomposeront dans les décharges. Sur ce total, seuls 5 % environ des déchets organiques décomposables se décomposent chaque année.
  • un « modèle de décomposition de premier ordre » a été introduit pour tenir compte de la lenteur de la décomposition des déchets dans les décharges : Les modèles antérieurs supposaient à tort que la décomposition se produisait entièrement au cours de la première année.

HYPOTHÈSES SUR LE STOCKAGE DU CARBONE, LE CAPTAGE DU GAZ ET L’OXYDATION DU GAZ DANS LA COUVERTURE DE POINTE

L’hypothèse de 50 % de stockage de carbone dans les décharges retenue par les lignes directrices 2006 du GIEC est prudente. Le GIEC suppose également, de manière prudente, que seulement 10 % du méthane est oxydé dans le sol ou le compost de la décharge : l’USEPA (2002) l’estime à 70-85 %. Enfin, notre étude suppose que 60% des gaz de décharge sont capturés, mais Metz (IPCC 2007) affirme que la capture des gaz peut atteindre 90% ou plus.

Il y a encore beaucoup d’inconnues mais les hypothèses de cette étude sont probablement conservatrices.

Landfill, Compost or Incineration Table 1

L’incinération produit le moins de GES. Selon le rapport Hyder 2007, elle produirait également moins d’autres types de pollution atmosphérique et plus d’énergie verte que les autres options.

Notez que le GIEC considère que seul le CO2 provenant de la combustion de déchets à base de combustibles fossiles est anthropogène (produit par l’homme). Le CO2 produit par la combustion des déchets organiques n’est pas comptabilisé. Elle se produirait de toute façon dans la nature, que les déchets s’oxydent lentement en se décomposant ou rapidement en brûlant. Les émissions de CO2 provenant du compostage et de la mise en décharge ne sont pas non plus comptabilisées. Comme le potentiel de réchauffement planétaire du méthane et de l’oxyde nitreux est beaucoup plus élevé que celui du CO2, l’inclusion du CO2 non anthropique ne changerait pas grand-chose aux résultats.

CONSTATATIONS

  1. Pendant les 30 premières années environ, selon les hypothèses utilisées dans notre étude, le compostage aérobie libère des gaz à effet de serre (GES) plus rapidement que la mise en décharge, ce qui signifie que le changement climatique est accéléré. Il est possible que dans 30 ans, les prix de l’énergie soient si élevés que les décharges soient exploitées comme combustible, ou que de meilleures méthodes pour contenir le CH4 dans les décharges soient développées. Ainsi, les émissions à long terme prévues pour les décharges pourraient ne jamais se produire. Détourner maintenant les déchets organiques vers le compost peut être contre-productif, ne faisant qu’accélérer le réchauffement climatique.
  1. De toutes les méthodes d’élimination des déchets, l’incinération est celle qui produit le moins d’émissions de GES d’origine humaine. L’étude Hyder sur les déchets de Melbourne (2007) a fait le même constat. Dans certains pays scandinaves, la valorisation thermique des déchets fait partie de l’énergie nationale depuis la crise énergétique mondiale des années 1970 (Bateman 2006). Une étude du Dr Riitta Pipatti, principal auteur des lignes directrices 2006 du GIEC, Vol. 5, « Déchets », et I. Savolainen (1996) a constaté que l’incinération de masse était la meilleure option et que le compostage dégageait plus d’émissions que la mise en décharge avec captage des gaz