L’Arctique à l’heure du développement durable

Publié le 27.09.2018

Si pour les habitants de l’Arctique – et même au-delà –, le sujet brûlant demeure le réchauffement climatique, une autre préoccupation majeure concerne le développement durable, en particulier le traitement et la valorisation des déchets, ainsi que la production d’énergie renouvelable ambitionnant une autonomie énergétique vis-à-vis de ressources épuisables. Un sujet à aborder avec les spécificités des hautes latitudes.

Energie verte et assainissement des eaux usées domestiques au Groenland

En Arctique, de nombreuses communautés sont organisées en petites collectivités éloignées qui manquent de systèmes de gestion de leurs déchets et eaux usées et d’un assainissement appropriés. Au Nunavut par exemple, dans l’Arctique canadien, des communautés sédentaires se sont constituées dans les années 1950 et 1960 et leur croissance démographique rapide a motivé le besoin d’évaluer l’adéquation entre les stratégies de gestion de leurs eaux usées urbaines et domestiques, rejetées dans les zones humides de la toundra, et les conditions locales. Ces communautés polaires et subpolaires sont en effet confrontées à plusieurs défis : éloignement et souvent difficulté d’accès aux emplacements géographiques de nombreuses localités, conditions climatiques extrêmement froides et sèches, pénurie chronique d’opérateurs qualifiés, coûts en capital élevés et ressources limitées pour la construction et l’entretien des infrastructures, risques liés aux modifications prévisibles du pergélisol en raison du réchauffement climatique [1].

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Sisimiut en hiver (Ouest du Groenland)
Crédit photo : Greenland Travel
Certains droits réservés : Licence Creative Commons

En outre, ces communautés sont souvent dépendantes pour leur approvisionnement en énergie de livraisons coûteuses en pétrole acheminé sur de longues distances. Avec la hausse des prix de l’énergie et la vulnérabilité liée à l’offre en combustibles fossiles, l’intérêt pour des options renouvelables s’est accru.

L’introduction d’usines locales de production de biogaz [2] pourrait être une solution pour générer de l’énergie renouvelable tout en assurant l’épuration des eaux usées domestiques susceptibles de contenir des microorganismes pathogènes [3], des bactéries résistantes aux antibiotiques, potentiellement dangereuses pour l’environnement et la santé humaine.

Pour optimiser le traitement des eaux usées et des boues d’épuration par co-digestion [4], l’association avec d’autres sources de déchets organiques telles que des déchets alimentaires ou industriels comme les abats de poisson serait plus intéressante à différents points de vue. Les abats et l’huile de poisson ont en effet des rendements en biogaz prometteurs. L’ajout de ces déchets organiques, même en faible quantité (+20 %), multiplierait le rendement en biogaz par un facteur 2 à 5 selon certaines études. Or, l’industrie du poisson est l’une des industries les plus importantes dans plusieurs régions de l’Arctique, en particulier au Groenland où elle génère annuellement environ 14 000 tonnes de déchets dont seulement 20 % sont utilisés.

La production traditionnelle de biogaz par co-digestion de ces déchets organiques industriels avec des déchets agricoles (fumiers ou résidus de récolte) n’est pas possible dans le Grand Nord où l’agriculture est quasi inexistante. En revanche, la co-digestion avec des eaux noires ou eaux-vannes [5] pourrait être prometteuse pour ces communautés des hautes latitudes, dans la mesure où la digestion anaérobie pourrait bénéficier de la richesse en nutriments des eaux noires, tandis que l’addition d’abats de poisson augmenterait le rendement en méthane.

Étant donné que dans plusieurs peuplements de l’Arctique, la collecte municipale des eaux noires est assurée, elle pourrait permettre de traiter ces déchets dans de petites unités d’épuration plutôt que de les rejeter en mer.

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Séchage de peaux de phoques et de filets de poissons dans le district d’Ammassalik (Est du Groenland)
Crédit photo : Kitty Terwolbeck
Certains droits réservés : Licence Creative Commons

Un article publié en 2014 s’était ainsi intéressé à l’impact de l’ajout de déchets de flétan du Groenland et de crevettes (principalement têtes et carapaces) – déchets provenant de deux usines de l’Ouest et du Nord-Ouest du Groenland, respectivement situées à Sisimiut et Uummannaq –, sur la performance de l’épuration des eaux noires de résidences étudiantes. L’étude avait en particulier cherché à évaluer la survie des microorganismes indigènes [6], ainsi qu’à déterminer les conditions optimales d’installation et de fonctionnement des réacteurs. Ce travail a démontré l’effet positif du procédé de digestion en conditions anaérobies mésophiles – comparé à des conditions aérobies –, sur l’élimination de certaines des bactéries et des virus pathogènes (mais pas sur les bactéries résistantes aux antibiotiques tels que l’amoxicilline et la tétracycline), tandis que l’ajout des déchets de poissons et de crevettes affecte diversement les différents groupes microbiens. L’addition de déchets de crevettes améliore la production de méthane. L’ajout d’abats de flétan du Groenland, quant à lui, double le rendement en biogaz, en raison de la haute teneur en lipides de ces déchets. La co-digestion anaérobie s’avère donc être une bonne solution pour traiter ce type d’eaux usées. Cependant, le risque de réactivation de certaines bactéries, seulement endommagées lors du traitement d’épuration biologique, implique un post-traitement pour pouvoir réutiliser le digestat (résultat de l’épuration). En raison des conditions climatiques polaires régnant au Groenland, une quantité considérable du biogaz produit pourrait être utilisée pour le chauffage de l’usine. Le surplus quant à lui pourrait être affecté au post-traitement thermique du digestat, post-traitement impératif dans cet environnement vulnérable.

Carburant vert et gestion des déchets urbains en Islande

L’Islande est également confrontée à des problèmes de sécurité énergétique, bien qu’elle dispose de quantités colossales d’énergie hydroélectrique et d’énergie géothermique dont elle n’exploite d’ailleurs qu’une faible part [7]. Ce pays scandinave ne dispose pas de réserves de combustible fossile, combustible qu’elle doit importer pour répondre aux besoins des secteurs du transport et de la pêche. La production intérieure de bioéthanol, biocarburant le plus prometteur – car utilisable seul dans des véhicules aux moteurs adaptés ou en mélange dans les moteurs classiques tant que la proportion de bioéthanol ne dépasse pas 30 % –, se révèlerait donc d’importance pour assurer son indépendance énergétique vis-à-vis des importations de pétrole et effectuer une transition vers des infrastructures plus vertes.

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Centre de Reykjavik (Islande)
Crédit photo : Scoundrelgeo
Certains droits réservés : Licence Creative Commons

Parmi les sources d’énergie alternative, la biomasse est la seule ressource capable de procurer un carburant de remplacement. La production de biocarburant à partir de sucre de canne ou de céréales (agrocarburant) pourrait cependant devenir moins attractive à l’avenir puisqu’en concurrence avec la demande alimentaire d’une population croissante, sans compter la question de la durabilité de la matière première elle-même qui risque de rendre la ressource plus coûteuse. Les ressources lignocellulosiques en revanche représentent l’option la plus viable pour cette production, les déchets organiques urbains constituant la part la plus abondante de cette ressource. Le remplacement de la biomasse par des déchets organiques municipaux, biomasse de seconde génération, présente en outre un bénéfice environnemental important en termes de gestion des déchets, d’empreinte carbone, de protection des ressources en eau, d’occupation des sols et de protection de la biodiversité.

De plus, c’est une solution qui avantage particulièrement le territoire islandais. Bien que disposant de terres arables adaptées à l’agriculture, il ne produit guère que des graminées, la fenêtre temporelle au cours de laquelle les conditions météorologiques et climatiques sont favorables à la croissance étant limitée à 130 jours pendant la période "estivale" (7 mai-15 septembre). Les déchets urbains constituent une ressource indépendante des conditions climatiques, dont la quantité est relativement constante et, qui plus est, mesurable, ce qui autorise une appréciation de la production possible de bioéthanol. Par ailleurs, leur réutilisation résoudrait le problème majeur qu’ils représentent pour l’Islande.

Jusqu’à présent en effet, le mode de gestion des déchets municipaux en Islande est la mise en décharge et l’incinération, ces deux options posant des problèmes environnementaux, étant donné que la plupart des décharges sont des sites à ciel ouvert et qu’il n’y a pas notamment de traitement des effluents gazeux des incinérateurs ni de récupération de chaleur et d’énergie [8]. Les déchets plastique et papier ne sont ni recyclés ni réutilisés, mais envoyés par bateau à l’étranger, l’intérêt économique d’une usine de pâte à papier, recyclant par exemple les déchets papier, étant trop minime en raison du faible nombre d’habitants de l’île [9]. La production de bioéthanol pourrait donc être une alternative viable au problème de la superficie considérable de terres nécessaires aux décharges, ainsi qu’à celui des émissions toxiques trop élevées des incinérateurs. De plus, la concentration de population sur un territoire restreint [10] réduit l’impact environnemental négatif du transport des déchets par camion diesel jusqu’aux unités de prétraitement et de conversion (l’accès par route aux autres communautés sera par contre lent et coûteux).

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Déchets papiers en attente de traitement
Crédit photo : Wikimedia Commons
Droits : Domaine public

Deux chercheurs de l’université d’Islande à Reykjavik, dans un article paru en 2018, ont cherché à développer un modèle d’évaluation comparative de la durabilité de la production de bioéthanol, couvrant le cycle de vie complet de la fabrication (ressources, transport, prétraitement et production). Quatre technologies de prétraitement [11] – les plus courantes – sont confrontées, ainsi que trois sources de biomasse lignocellulosique : déchets de papier et carton, déchets de bois et de bois d’œuvre, déchets de jardin. L’analyse s’attache au calcul d’indicateurs économiques (coût de production et rapport bénéfice/coût), énergétiques (bilan énergétique, efficacité énergétique) et environnementaux (émissions de gaz à effet de serre, consommation en eau et autres ressources), mais aussi et surtout à réaliser une évaluation comparative de production d’une tonne de bioéthanol à partir des 3 sources de déchets, ainsi qu’à estimer le bénéfice prévisible pour l’Islande d’une telle production à l’horizon 2030.

Les déchets papier et carton se révèlent être les plus intéressants en terme de rendement de production de bioéthanol, ainsi que de coût (transport, consommation de matière première pour le prétraitement). [12]. Les principales sources disponibles de déchets papier en Islande sont les vieux papiers tels que journaux, magazines et les papiers d’emballage dont le poids en 2015 s’élevait à 37 000 tonnes avec une croissance annuelle attendue de 0,8 % pour atteindre 47 000 tonnes en 2030 (presque autant que de déchets de bois et de bois d’œuvre et deux fois plus que de déchets de jardin). La production de bioéthanol à partir des déchets de papier est estimée par les deux scientifiques approximativement à 12 500 tonnes pour l’année 2015 (contre 11 000 tonnes pour les déchets de bois, pourtant un peu plus abondants, et 3 000 tonnes pour les déchets de jardin) et pourrait grimper jusqu’à 15 900 tonnes en 2030 (respectivement 13 700 tonnes pour les déchets de bois, 3 700 tonnes pour les déchets de jardin). Une ressource renouvelable d’énergie se cache ainsi dans les déchets municipaux.

Ces exemples de valorisation énergétique des déchets indiquent que les régions arctiques et subarctiques ont pris le train de la transition énergétique et deviennent elles aussi de plus en plus vertes… indépendamment du réchauffement climatique.

Camille de Salabert, INIST-CNRS

[1] Cf. l’article Performance assessment of arctic tundra municipal wastewater treatment wetlands through an arctic summer

[2] Biogaz : gaz principalement composé de méthane, produit naturellement par méthanisation ou fermentation anaérobie (en l’absence d’oxygène) de matières organiques. C’est ce processus qui est utilisé pour produire du biogaz lors de l’épuration par digestion anaérobie des eaux usées.

[3] Microorganismes pathogènes : microorganismes à même d’être la cause de maladies.

[4] Co-digestion : ajout de co-substrats organiques à plus fort potentiel énergétique pour améliorer le bilan de la méthanisation d’eaux usées ou de boues d’épuration.

[5] Eaux noires ou eaux-vannes : type d’eaux usées domestiques issues des toilettes constituées des urines et matières fécales, à distinguer des eaux grises ou eaux ménagères (eaux de lavage et de cuisson).

[6] Même dans les conditions de température extrêmes de l’Arctique, les virus et les bactéries, véhiculés par les eaux usées, peuvent survivre sur des périodes prolongées.

[7] L’énergie hydroélectrique est exploitée pour les industries de l’aluminium et du ferrosilicium, l’énergie géothermique pour le chauffage de 90 % des bâtiments du pays.

[8] Plusieurs études ont mesuré des niveaux de dioxine dans les émissions des incinérateurs et les cendres volantes dépassant très largement les limites fixées par l’Union Européenne, de 20 à 85 fois plus élevées que les valeurs autorisées.

[9] La population de l’Islande était évaluée à 341 300 habitants en 2017.

[10] Si la région de la capitale occupe 1 % seulement du territoire islandais, 60 % de la population s’y concentre. Et 80 % de la population vit sur une petite portion de l’île, incluant la zone de Reykjavik et les deux régions du Sud, bien que d’autres municipalités existent dans d’autres secteurs aux conditions climatiques et géographiques moins favorables.

[11] Un prétraitement est nécessaire pour convertir en sucres les matériaux lignocellulosiques, composés de structures imbriquées de lignine, de cellulose et d’hémicellulose résistantes à la dégradation, avant les étapes de saccharification, fermentation et déshydratation.

[12] Parmi les technologies de prétraitement, c’est le prétraitement à la vapeur (vapocraquage suivi par une décompression explosive) qui est le mieux classé sur les plans économique, énergétique et environnemental.

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