Le traitement des eaux usées municipales en Europe consomme l'équivalent énergétique d'environ deux centrales électriques par an, mais pourrait en fait générer l'énergie de 12. Le projet POWERSTEP financé par l'UE montre comment faire de cela plus qu'une chimère.

Alors qu'une grande partie de l'industrie européenne du traitement des eaux usées, avec des rendements énergétiques croissants, cherche à atteindre la neutralité énergétique - où le traitement génère la même quantité d'énergie qu'il consomme - la recherche indique que le niveau d'ambition pourrait être beaucoup plus élevé.

Des études montrent que le traitement des eaux usées dans les stations d'épuration pourrait déjà offrir une nouvelle source d'énergie renouvelable, sans compromettre les performances. En réalité, il a été calculé que l'énergie chimique potentielle contenue dans les eaux usées municipales européennes est d'environ 87 500 GWh par an.

Le projet POWERSTEP (Full scale démonstration of energy positive sewage treatment plant concepts to market pénétration) financé par l'UE a pour objectif de montrer comment il est possible de réaliser des usines de traitement des eaux usées à énergie positive sans aucune autre source d'énergie renouvelable externe, en utilisant uniquement la puissance des boues.

Le concept global POWERSTEP a pu être réalisé, en tirant les leçons de six études de cas grandeur nature, répartis dans quatre pays, de chaque étape essentielle du processus. Bénéficiant de l'implication de partenaires industriels, le projet a pu passer à des démonstrations à grande échelle, ouvrant la voie à un déploiement rapide sur le marché et soutenant les plans d'affaires des fournisseurs de technologie participants.

Intégration des technologies

POWERSTEP a été créé pour intégrer les différentes évaluations technologiques individuelles développées dans les études de cas antérieures au projet. Cela a permis aux chercheurs de rationaliser des processus entiers tels que la modélisation et la conception de schémas de traitement, gestion globale de l'énergie et de la chaleur, impression de pied de carbone et options de conception intégrées.

La première étape clé du concept de station d'épuration POWERSTEP pour permettre la neutralité énergétique, ou encore énergie-positivité, est l'extraction de carbone. L'extraction de boues riches en carbone (avec un taux d'extraction de 80% possible grâce à la technologie POWERSTEP) permet une forte augmentation de la production de biogaz.

En termes d'amélioration des méthodes de traitement à cette fin, l'équipe a étudié l'extraction améliorée du carbone (préfiltration), procédés innovants d'élimination de l'azote (tels que le contrôle avancé, désammonification du courant principal, réacteur de lentilles d'eau), power-to-gas (valorisation du biogaz) avec une approche smart grid, concepts chaleur-énergie (récupération thermoélectrique dans les unités de cogénération, cycle de rankine à la vapeur, concepts de stockage de chaleur) et de traitement innovant des eaux de process (nitritation, décapage membranaire de l'ammoniac).

Comme l'explique le Dr Christian Loderer, "Dans toute l'UE, l'auto-approvisionnement en énergie des eaux usées – c'est-à-dire la production de biogaz pour la production d'électricité – se situe à des niveaux très différents. Dans certains pays comme les Pays-Bas et l'Allemagne, l'auto-approvisionnement est élevé mais n'atteint pas la neutralité énergétique de 100 pour cent (sauf dans de très rares cas). Autres pays, surtout en Europe de l'Est, ont une très faible auto-approvisionnement, manquant de 50 à 80 % du potentiel énergétique de leurs eaux usées. »

Cela met en évidence le fait qu'il y a un certain nombre d'obstacles à surmonter. L'une est que le biogaz issu du traitement de l'eau n'est actuellement pas encore accepté comme une énergie renouvelable de qualité, par rapport au biogaz issu des cultures énergétiques. Ceci malgré les effets secondaires négatifs du biogaz issu des cultures telles que la création de monocultures de maïs, application excessive d'engrais et libération de nutriments dans l'environnement aquatique. Inversement, le biogaz provenant des boues d'épuration n'a pas ces effets secondaires négatifs.

Contribuer à l'économie circulaire

POWERSTEP, avec ses exemples pratiques de la meilleure façon de produire de l'énergie renouvelable à partir des eaux usées, contribue de manière significative aux efforts de l'UE en vue de la transition vers l'économie circulaire, guidés par des ambitions de durabilité dans l'ensemble de la société, l'économie et l'environnement. Ce fait a été récemment souligné par le directeur général de la DG Énergie de la Commission européenne, Dominique Ristori, qui a décrit POWERSTEP comme, "extrêmement bien placé au regard des priorités de l'Union de l'énergie."

Par ailleurs, avec l'électricité pour faire fonctionner les usines de traitement coûtant environ 2 milliards d'euros par an, les économies pourraient être prononcées. Le Dr Loderer soutient que si les municipalités suivaient l'approche POWERSTEP, Les citoyens de l'UE bénéficieraient également directement d'une réduction de leur facture énergétique.

"Le traitement des eaux usées neutre en énergie n'est plus une illusion, nous avons montré que c'est tout à fait possible maintenant avec des technologies de pointe disponibles dans le commerce, " comme le dit le Dr Loderer. Et avec la station d'épuration d'Altenrhein en Suisse désormais équipée d'une unité de récupération d'azote à grande échelle, qui avait été étudiée en détail par le partenaire POWERSTEP EAWAG, l'élan se construit littéralement.

En regardant vers l'avenir, le Dr Loderer ajoute que, "Traitement à énergie positive, jusqu'à 140-170 pour cent, est également possible mais nécessite encore plus de travail sur la fiabilité de la technologie et la viabilité économique, pour le déploiement de systèmes à grande échelle."

Dans l'immédiat, comme preuve de concept montrant que la technologie fonctionne à petite comme à grande échelle, l'équipe est en discussion avec des partenaires industriels clés du projet sur la façon d'établir un réseau de petites usines de traitement des eaux usées qui mettra en œuvre en partie les approches POWERSTEP.