Leçon 2-Biomasse

 

Les combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon, etc.) paraissaient être inépuisables. Les différentes crises pétrolières ont mis en évidence l’utilité des énergies renouvelables en substitution aux produits pétroliers. L’une d’elle, la biomasse est souvent décrite comme étant « l’ensemble de toutes les matières premières renouvelables d’origine végétale ou animale destinées à des utilisations non alimentaires ».

2. Les biomasses comme source de chaleur : Actuellement, les biomasses les plus utilisées à des fins énergétiques sont :

• les résidus issus des systèmes de productions : productions agricoles telles que les fumiers, lisiers, fientes, pailles, balles de riz, etc.  forestières telles que les rémanents forestiers (parties des arbres ou taillis non exploitable en scierie)
• les résidus de la transformation des productions agricoles et forestières : chutes de scieries, coproduits des industries agroalimentaires, etc. Dans ces deux cas, la biomasse provient de coproduits générés par un produit qui n’est pas destiné à la production d’énergie. Par exemple, les porcs (le produit) sont élevés pour la production de viande mais les lisiers (le coproduit) sont valorisés dans la production d’énergie. Certaines cultures sont uniquement dédiées à des fins énergétiques, comme le colza pour les biocarburants. Dans ce cas, il ne s’agit plus de la valorisation d’un produit connexe mais de cultures énergétiques. On parle alors d’agrocarburants.

 2.1 Les déchets de l’activité humaine : Les déchets de l’activité humaine sont de plus en plus utilisés pour la production d’énergie : boues de stations d’épuration, fraction organique des déchets ménagers, tontes de pelouse, etc. Ce type de biomasse est particulièrement abondant dans les villes et grands centres urbains. Leur valorisation énergétique est une opportunité de plus en plus envisagée par les gestionnaires de déchets.

2.3 Une énergie durable :  L’énergie renouvelable est l’énergie produite à partir d’une source qui se renouvelle suffisamment vite pour être considérée comme inépuisable. Les combustibles fossiles (gaz naturel, pétrole, charbon, etc.) ont été créés au cours de millions d’années. L’utilisation de ces combustibles, bien plus rapide que leur création, épuise irrévocablement les réserves naturelles mondiales pour plusieurs générations. Par conséquent, les combustibles fossiles ne sont pas une source d’énergie renouvelable. La biomasse cultivée ou produite par l’homme doit être renouvelée après chaque utilisation. Par conséquent, la biomasse est une source d’énergie renouvelable tant qu’elle est cultivée et que les systèmes forestiers sont durables et responsables. C’est le cas en Europe, où un arbre tombe pour chaque arbre abattu. Dans certains cas cependant, comme dans la région du Sahel, où l’exploitation forestière n’est pas compensée par des plantations, la biomasse ne peut pas être utilisée comme source d’énergie renouvelable et de manière durable.

2.4 Les différents types de biomasse et leurs utilisations potentielles : La biomasse se présente sous des formes très diverses : solide, liquide, boue, poussière de bois, granulés, etc. et possède des caractéristiques parfois très différentes.

2.4.1 La biomasse  sèche : Lorsqu’elle n’est pas trop humide, la biomasse peut être brûlée en combustion directe. La combustion permet de libérer rapidement et facilement une quantité importante de chaleur. Cette chaleur est utilisée pour assurer des besoins de chauffage (industriels ou domestiques) ou pour être partiellement ou totalement convertie en électricité. Le bois est couramment utilisé sous différentes formes :

• bûches
• plaquettes de bois broyés
• sciure et/ou copeaux de bois
• granulés de sciure agglomérée. On parle alors de bois énergie.

 La production d’énergie à partir de bois est fort développée au niveau domestique (feux ouverts, poêles, inserts) et au niveau industriel (chaufferies au bois, cogénérations industrielles au bois). D’autres biomasses sèches conviennent également pour la combustion : les balles de riz, la paille de céréales, les rafles de maïs, etc.

N.B A côté de la combustion directe, d’autres technologies existent pour produire de l’énergie à partir de biomasses sèches comme la gazéification ou la pyrolyse.

2.4.2 La biomasse humide :  Lorsqu’elle est trop humide pour être brûlée, la biomasse est fermentée à l’abri de l’air et libère un mélange gazeux, riche en méthane (gaz naturel) : c’est la biométhanisation. Les biomasses habituellement utilisées pour la biométhanisation sont :

• les effluents d’élevage : lisiers, fumiers, purins, etc.
• les effluents liquides des industries agroalimentaires
• certains effluents humides ou liquides résultant de l’activité humaine : boues de stations d’épuration, fraction organique des déchets ménagers, etc.

Le mélange gazeux produit, appelé biogaz, est utilisé pour générer de l’électricité, de la chaleur, ou peut même servir de carburant dans les véhicules.

2.4.3 Les biomasses sucrées, amylacées ou oléagineuses :  Les biomasses sucrées, amylacées (riches en amidon) ou oléagineuses (riches en huiles) peuvent être utilisées pour la production de biocarburants.

2.4.3.1 L’éthanol : Les substances sucrées obtenues à partir de cultures comme la betterave sucrière, ou à partir de cultures amylacées comme les céréales, sont fermentées et converties en éthanol. Ce dernier est utilisé totalement ou en mélange dans les moteurs à essence. La production de bioéthanol apparaît de plus en plus comme une alternative aux activités agricoles classiques tout en réduisant la dépendance énergétique. En effet, le contexte de la réforme de la politique agricole commune  réduit les quotas de production et les cours mondiaux du sucre et des céréales sont généralement à la baisse.

2.4.3.2 L’huile végétale ou le biodiesel :  Les cultures oléagineuses (colza, tournesol, etc.) sont utilisées pour produire de l’huile végétale ou du biodiesel. Ces biocarburants s’utilisent purs ou en mélanges dans les moteurs diesel. D’autres corps gras peuvent être employés pour produire du biodiesel, comme les huiles de friture usagées ou même les graisses animales (déchets d’abattoirs).La bioénergie, exploitée de manière durable et renouvelable, ne participe pas au réchauffement climatique grâce à son cycle neutre du carbone.

2.5 Agrocombustibles :  Les agrocombustibles sont des combustibles issus du milieu agricole, on les distingue des combustibles issus de bois de forêt ou d’industrie. Ils comprennent les produits de cultures pérennes (miscanthus, taillis à courte rotation…) et certains coproduits de plantes agricoles (lin, chanvre, paille…). On les valorise le plus souvent dans des chaudières spécifiquement conçus pour la biomasse.

2.6 Biodiesel : Le biodiesel est un carburant fabriqué à partir d’huile végétale ou de graisses animales. Les matières premières  sont l’huile de colza et les huiles et graisses usagées.

2.6.1 Production : Le biodiesel est le produit d’une transformation chimique d’une matière grasse (transestérification), qui la rend moins visqueuse. Cette matière grasse peut avoir diverses origines :

• Huiles de plantes oléagineuses annuelles telles que le colza, le maïs, le tournesol, le soja…
• Huiles de plantes oléagineuses pérennes telles que la palme ou le palmiste
• Huiles et graisses usagées provenant des ménages 
• Sous-produits de l’industrie du bois
• Huile venant d’algues ou micro-algues (encore en Recherche &Développement).

2.7 Bioéthanol : Le bioéthanol est un carburant produit essentiellement à partir de plantes en sucres (betterave, canne à sucre…) ou en amidon (céréales, maïs…).  La recherche cherche aujourd’hui à produire du bioéthanol dit de « seconde génération » ou « avancés », à partir de matières premières non-alimentaires telles que des résidus de cultures, des déchets de l’agro-industrie voire même du bois.

2.7.1 Procédé de fabrication : Le bioéthanol est produit par fermentation de sucres et ensuite par distillation. L’étape de fermentation transforme les sucres simples (comme ceux présents dans la betterave, canne à sucre, etc.) en éthanol. La distillation permet de séparer l’eau de l’éthanol pour épurer celui-ci.   

2.8 Biogaz : Le biogaz est un gaz produit lors du processus de biométhanisation, c’est-à-dire lors de la décomposition de matières organiques en l’absence d’oxygène.

2.8.1 Composition du biogaz : Le biogaz est principalement constitué de méthane (50 à 80 % de CH₄) et de dioxyde de carbone (20 à 40 % de CO₂). D’autres gaz sont présents en faibles quantités : le dihydrogène (H₂), le sulfure d’hydrogène (H₂S), le diazote (N₂) et la vapeur d’eau (H₂O). Le contenu énergétique du biogaz provient du méthane et du dihydrogène

2.9 Biolubrifiant: Un lubrifiant est un produit dont la principale fonction est de réduire les frottements entre les surfaces. Il est composé majoritairement d’une huile et d’additifs qui lui confèrent ses propriétés. Un biolubrifiant est un lubrifiant produit à partir d’huile végétale ou de graisse animale.

2.10 Biométhane : Le biométhane est du biogaz épuré, ce dernier étant produit par biométhanisation. Le but de cette épuration est de pouvoir injecter le biométhane, équivalent du gaz naturel, dans les réseaux de gaz naturel ou de pouvoir l’utiliser comme carburant pour véhicules. 

2.11 Biométhanisation : La biométhanisation est un processus de fermentation similaire à celui ayant lieu dans le rumen d’une vache. Les matières entrant dans un digesteur, la cuve où a lieu la fermentation, subissent une dégradation biologique réalisée par des micro-organismes. Cette fermentation a la particularité de se dérouler en absence d’oxygène (anaérobiose). La décomposition des matières par biométhanisation dégage deux produits: le biogaz et le digestat. La biométhanisation nécessite de grandes quantités d’intrants ; les principaux utilisateurs sont les agriculteurs et/ou les coopératives, les industriels ou encore les communes.

2.12 Bioplastique : Le plastique est composé d’un polymère auquel sont ajoutés d’autres composés : des colorants, des antioxydants, des plastifiants… Le bioplastique est un plastique dont le polymère a été synthétisé à partir de biomasse, dans un procédé de bioraffinage. Les biopolymères les plus connus sont l’acide polylactique et  le polyéthylène dont les constituants ont été obtenus par une fermentation de sucre, puis assemblés par polymérisation.

2.13 Biosolvants :  Les solvants sont des liquides capables de dissoudre, de diluer ou d’extraire d’autres composants sans engendrer de modification chimique. Ils sont appelés biosolvants lorsqu’ils sont totalement ou partiellement produits à partir de biomasse. Les biosolvants sont majoritairement utilisés pour la production de peintures et de revêtements et pour l’industrie pharmaceutique.

2.14 Cogénération : La cogénération est une production simultanée d’électricité et de chaleur à partir d’une même source d’énergie. On atteint au final un rendement énergétique de plus de 80 % sous une forme utile (électricité + chaleur). La cogénération est une technologie très intéressante au niveau local, lorsqu’il y a un besoin pour de la chaleur (en plus de l’électricité). Par contre, s’il n’y a pas besoin de chaleur, la cogénération n’est pas forcément pertinente. Sa pertinence va alors dépendre du type d’installation (moteur à combustion interne ou turbine).La cogénération est largement utilisée dans le domaine des bioénergies :

• La plupart des installations de biométhanisation en sont équipées pour valoriser le biogaz. L’électricité est autoconsommée ou envoyée sur le réseau électrique alors que la chaleur sert au processus de biométhanisation et à d’autres activités de la ferme ou de l’entreprise.    
• L’industrie du bois s’en sert pour valoriser des coproduits et tendre vers l’autonomie énergétique. L’électricité et la chaleur sont toutes deux requises dans la scierie, menuiserie, industrie de l’ameublement ou encore production de pellets.

2.15 Syngaz (gaz de bois) : Le syngaz est un gaz de synthèse obtenu à la suite d’une gazéification ; une réaction thermochimique consistant à décomposer par l’action de la chaleur un combustible carboné solide (bois, autre biomasse) en un mélange gazeux.

2.16 Transport : La principale énergie renouvelable utilisée dans le secteur des transports se trouve sous la forme de biocarburants. Tout un chacun en utilise en faisant le plein de son réservoir, en effet des biocarburants sont mélangés aux carburants fossiles. On incorpore un certain pourcentage de biodiesel au diesel classique, et de bioéthanol dans l’essence (ou du bio-ETBE, qui est un mélange entre du bioéthanol et de l’isobutène).

2.17 Production de chaleur : La combustion est une réaction chimique entre un combustible et de l’oxygène. Cette réaction libère de l’énergie, appelée chaleur. L’Homme a développé des chaudières pour contrôler la combustion et mieux exploiter la chaleur.

2.17.1 Quelles techniques :  Les chaudières sont des appareils dans lesquels on brûle un combustible avec pour but la production de chaleur. On distingue les chaudières classiques, qui fonctionnent au mazout ou au gaz naturel, des chaudières à biomasse. Il existe une grande variété de modèles en fonction du combustible utilisé mais aussi des caractéristiques des volumes à chauffer. Elles n’ont pas non plus toutes le même prix : les chaudières biomasse sont en général plus onéreuses à l’achat. Toutefois, l’investissement s’amortit sur le long terme par le faible coût des combustibles d’origine naturelle. En effet, 1 kWh d’énergie produit à partir de pellets est deux fois moins cher qu’un kWh produit à partir de fioul. Elles sont, à ce titre, très intéressantes pour créer un réseau de chaleur dans des habitats groupés où l’on peut réaliser des économies d’échelle en plus des économies de CO₂.

2.18  Le carbone fossile : Charbon, pétrole et gaz naturel sont issus de la biomasse vivante décomposée au fil des millénaires et accumulée dans le sous-sol. Ainsi stockés, ils ne génèrent pas de CO₂ supplémentaire dans l’atmosphère. Leur combustion produit du CO₂ qui se dilue dans l’atmosphère en accroissant sa concentration : l’extraction et l’utilisation ne s’opèrent qu’une fois et ne présentent pas un caractère renouvelable. Ces matières bien qu’issues de la biomasse ne sont donc pas considérées comme de la biomasse.

2.19 Gazéification : La réaction de gazéification correspond à la transformation thermochimique de la biomasse (bois le plus souvent) en un mélange de plusieurs gaz combustibles. C’est en fait une réaction intermédiaire entre la pyrolyse et la combustion.

2.19.1 Procédé de gazéification : La gazéification consiste en la décomposition d’un solide carboné (biomasse) par la chaleur et en présence de gaz réactifs (oxygène, CO₂, vapeur d’eau) dans un mélange de gaz inflammables. La biomasse est soumise à quatre phénomènes thermochimiques complexes : le séchage, la pyrolyse, l’oxydation partielle et la réduction. La réaction de gazéification se déroule dans des conditions de température très élevée (plus de 1000°C). Le mélange de gaz de synthèse obtenu, appelé « gaz de synthèse » (pour gaz de synthèse), contient de l’hydrogène (H₂), du mono- et du dioxyde de carbone (CO et CO₂), du goudron et de l’eau. Les deux premiers gaz (H₂ et CO) sont des carburants et leur teneur détermine le pouvoir calorifique du gaz, de sorte que le gaz de synthèse est utilisé pour générer de la chaleur, de l’électricité ou les deux.

2.20 Avantages et inconvénients 

2.20.1 Avantages :  La biomasse est biodégradable, les risques de pollution sont très réduits.

• La production de la biomasse peut être  locale contrairement aux combustibles fossiles provenant principalement de l’extérieur pour certains pays et évite les transports sur de longues distances, le gaspillage d’énergie et l’augmentation des coûts.
• L’utilisation de la biomasse produite localement réduit la dépendance vis-à-vis de pays extérieurs pour l’approvisionnement en énergie et améliore la sécurité d’approvisionnement.
• Les activités de production, de collecte, de conditionnement, de transport et de vente de la biomasse maintiennent et créent de nombreuses activités et emplois directs et indirects dans certains pays, principalement en zones rurales.

2.20.2 Inconvénients

• Tout comme le mazout ou le gaz, le bois de chauffe doit être transporté de sa zone de production à son lieu d’utilisation. Si cette distance est trop importante, les coûts de transport et de mobilisation seront trop élevés.
• Attention, il est important de n’utiliser que du bois sec et propre (c’est-à-dire pas de bois traité de récupération) dans les installations de chauffage au bois. L’utilisation de bois humide et/ou de bois traité, à l’encontre des recommandations du constructeur, peut mener à des émissions de substances nocives.
• Toute installation de combustion peut émettre du CO et des particules fines (PM10) nocives pour la santé. Si plusieurs précautions sont prises (filtre à particule, qualité du combustible, bons réglages) les équipements à la biomasse peuvent dégager une quantité égale ou moindre aux équipements de combustion classique (gaz, mazout).