Biomasse (énergie)

 Pour l’article homonyme, voir Biomasse (écologie). 

Unité de valorisation énergétique de la biomasse (Allemagne)

Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des bioénergies, le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale (algues incluses), animale ou fongique (champignons) pouvant devenir source d'énergie par combustion (ex : bois énergie), après méthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformations chimiques (agrocarburant).

La biomasse est aujourd'hui la première source d'énergie renouvelable en France : 54,2 % en 2014, devant l'énergie hydraulique (24,3 %)^[1], et la première en Europe : 60 % en 2013 devant l'énergie hydraulique (17 %)^[2]. Cette filière, correspondant à des objectifs de développement durable, est en développement rapide.

L'énergie tirée de la biomasse est considérée comme une énergie renouvelable et soutenable tant qu'il n'y a pas surexploitation de la ressource, mise en péril de la fertilité du sol et tant qu'il n'y a pas de compétition excessive pour l'usage des ressources (terres arables, eau, etc), ni d'impacts excessifs sur la biodiversité, etc. De plus, bien que présentant de nombreux avantages sur le plan écologique et du développement local, elle peut être polluante (CO, CO2, fumées, goudrons) si mal utilisée ou si la biomasse utilisée est polluée par des métaux lourds, radionucléides, etc. (sachant que les ressources fossiles sont également naturellement contaminées par des métaux, souvent plus que le bois).

Comme dans le cas des ressources fossiles, il s'agit d'une forme de stockage de l'énergie solaire par l'intermédiaire du carbone, provenant originellement du CO₂ capté par les plantes ou le phytoplancton. En brûlant, elle libère ce CO₂, comme le charbon, le gaz ou le pétrole, mais ce carbone a récemment été extrait de l'atmosphère via la photosynthèse et peut être à nouveau capté par les plantes, alors que ce processus a eu lieu il y a des millions d'années pour les ressources fossiles et que les plantes et algues marines ne suffisent plus à absorber le carbone issu des hydrocarbures fossiles. La biomasse peut être tirée de la nature ou cultivée (agrocarburants, agrocombustibles^[3])

La biomasse est utilisée par l'Homme depuis qu'il maîtrise le feu. Elle reste la première énergie renouvelable utilisée dans le monde, pour le chauffage et la cuisson des plats de cuisine, mais essentiellement dans les pays peu industrialisés^[4]. L'énergie tirée de la biomasse intéresse à nouveau les pays riches confrontés au dérèglement climatique et à la perspective d'une crise des ressources en hydrocarbures fossiles. C'est une filière en développement rapide, y compris sous des formes industrielles avec les agrocarburants et le bois énergie à usage industriel.

Avec 30,7 % du total mondial, les États-Unis sont le premier producteur d'électricité à partir de la biomasse, devant l'Allemagne et le Brésil (7,3 %)^[5].

Dans l'absolu, le bilan quantitatif CO₂ d'une installation est nul quand toute l'énergie qu'il a fallu dépenser pour extraire du combustible de la biomasse provient elle aussi de la biomasse. En régime industriel établi, il est possible d'utiliser de la biomasse pour le fonctionnement de l'installation, en veillant à ne pas libérer d'autres gaz à effet de serre, comme le méthane (CH₄) notamment qui a un pouvoir réchauffant environ 21 fois plus important que le CO₂ à court terme, mais qui disparait plus vite que celui-ci. Une fuite sérieuse dans une installation de méthanisation rendrait son bilan GES très négatif.

Son introduction dans les systèmes énergétiques contribue à réduire (pour ce qui est du bilan global) les émissions de gaz à effet de serre, voire à restaurer certains puits de carbone (semi-naturels dans le cas des boisements et haies exploités).

Turbine à vapeur à biomasse de 5 MW de puissance électrique. Entreprise Blohm & Voss, Allemagne

Histoire

C'est par le feu que l'Homme a d'abord utilisé de l'énergie de la biomasse, pour cuire et se chauffer ou s'éclairer (torche, lampe à huile) depuis plusieurs dizaines de milliers d'années.
Des machines à vapeur et des aérostats sont alimentés par du bois.
À la toute fin du XIX^e siècle, Rudolf Diesel, ingénieur thermicien conçoit, pour remplacer la machine à vapeur, un moteur fonctionnant à l'huile végétale (et non au fioul).
De récentes crises ont relancé l'intérêt pour la biomasse ; des gazogènes gazéifiant du bois ont équipé de nombreux véhicules quand le pétrole a manqué durant les deux guerres mondiales.
Les deux dernières grandes crises pétrolières ont relancé l'usage du bois de chauffage, voire de la tourbe (en Irlande par exemple) ;
Depuis le sommet de la terre de Rio, c'est l'objectif de développement durable, puis avec Kyoto celui de lutter contre le dérèglement climatique qui entretient ou renouvelle cet intérêt. En 2007, selon la FAO, 53 % du bois coupé dans le monde l'était pour le chauffage. De manière plus détaillée, ce taux était de 8 % en Amérique du Nord, 21 % en Europe, 53 % en Amérique du Sud, 77 % en Asie et 90 % en Afrique.

Prospective : l'INRA a annoncé en octobre 2014 avoir mis au point et breveté une « voie sèche » de préparation par fractionnement de la Biomasse ligno-cellulosique de type paille de blé et de riz^[6]. La matière est finement broyée puis un tri électrostatique la prépare pour la rendre plus accessible aux enzymes ou pour la valoriser en sous forme de lignine-hémicelluloses et/ou de minéraux. La méthode est applicable au bois et aux sous-produits agricoles, aux cultures ligno-cellulosiques dédiée, qui pourrait servir à produire des agrocarburants, des molécules et matériaux biosourcés. Cette invention a été présentée dans deux revues scientifiques et techniques (Biotechnology for Biofuels et Green Chemistry)^[6]. Cette méthode pourrait réduire les prétraitements chimiques polluants, consommateurs d'eau et générateurs d'effluents^[6].

Constituants de la biomasse

On en distingue trois principaux, auxquels correspondent des procédés de valorisation spécifiques :

• La biomasse lignocellulosique, cellulose et lignine, constituée par :
  • le bois et les résidus verts,
  • la paille,
    

    briquettes de paille
  • la bagasse de canne à sucre,
  • le fourrage.

La valorisation se fait plutôt par des procédés par voie sèche, dits conversions thermochimiques.

• La biomasse à glucide, riche en substance glucidique facilement hydrolysable :
  • les céréales,
  • les betteraves sucrières,
  • les cannes à sucre,

La valorisation se fait plutôt par fermentation ou par distillation dits conversions biologiques.

• La biomasse oléagineuse, riche en lipides :
  • Colza,
  • Palmier à huile, etc.

Elle peut être utilisée comme carburant. Il y a deux familles de biocarburants : les esters d'huiles végétales (colza) et l'éthanol, produit à partir de blé et de betterave, incorporable dans le super sans plomb sous forme d'Ethyl Tertio Butyl Ether (ETBE, voir bioéthanol).

Valorisation de la biomasse

Sous forme de chaleur : les bioénergies

Cas du bois

Bois sous forme de bûches pour chauffage. Le bois énergie est un type de bioénergie utilisant la biomasse.

L'énergie chimique du bois est libérée par combustion sous forme de chaleur et utilisée directement pour le chauffage ou pour produire de l'électricité. Le bois comme source de chauffage est utilisé à toute échelle. Plus rarement on utilise la pyrolyse ou la gazéification.

Il existe également d'autres bioénergies qui découlent directement des déchets que nous produisons. C'est le cas pour le traitement de déchets destinés aux cimenteries sous forme de Combustibles Solides de Substitution (CSS) pour consommer beaucoup moins de pétrole.

Menaces - Les inconvénients sont :

• Les coûts et impacts du transport pour amener le bois là où la ressource manque,
• Le risque de contribution à la déforestation ou à une surexploitation des forêts ou à un accaparement des terres pour y délocaliser une production de biocarburant pour les pays riches^[7]. Ainsi, rien qu'en Afrique, ce sont 4,5 millions d’hectares de terres (surface équivalente à celle du Danemark) qui seraient en cours d'acquisition par des investisseurs étrangers pour y cultiver des agrocarburants, au détriment des cultures vivrières locales ou de la forêt^[8].
• Les problèmes de pollution atmosphérique induits par la combustion mal maîtrisée du bois, combustible solide (concerne notamment les anciens systèmes de chauffage non automatiques, particulièrement en zone d'habitat rapproché). L'utilisation de bois ou de charbon de bois dans des foyers mal conçus ou mal ventilés peut entraîner des problèmes de santé pour les habitants et riverains.

« Dans le contexte international de forte dépendance aux énergies quelles que soient leurs origines, comme le charbon, le pétrole et le nucléaire, l’énergie biomasse prend une place de plus en plus importante […] Bien que les énergies dites vertes soient une excellente solution parce qu’elles sont neutres dans le cycle du carbone, la biomasse engendre des problèmes d’émissions de particules. Les bioénergies sont donc vertes en CO₂ mais peuvent être polluantes en dégradant la qualité de l’air. »^[9].

• Le bois étant plus émetteur d'oxydes d'azote (NO_x) que les combustibles fossiles de type gaz naturel et fioul, le développement de la biomasse énergie, dans le cadre du développement des énergies renouvelables, « joue un rôle prépondérant par rapport aux autres énergies dans l’évolution des émissions de NO_x »^[10].

Une solution de substitution à la combustion directe de la biomasse est la torréfaction de la biomasse. En effet, la biomasse torréfiée, également appelée « Biocoal » ou « Biochar », est un combustible solide de haute qualité, idéal pour réduire les émissions de CO2 de nombreuses industries (production d’électricité, production de chaleur, cogénération, chauffage central ...). C’est un nouveau combustible offrant de nouvelles perspectives aux énergies renouvelables. Plus précisément, en torréfiant la biomasse (bois par exemple) le PCI passe de 10-11 GJ/m³ à 18-20 GJ/m³ ce qui conduit à une économie de près de 50 % sur les coûts de transport.

Une autre solution de substitution à la combustion directe est la conversion du bois en gaz naturel de synthèse.

Réduction des risques :

En revanche, si les surfaces dévolues aux forêts restent constantes, à proximité des lieux d'utilisation, et que la quantité prélevée est plus ou moins remplacée, alors l'utilisation n'aggrave pas la déforestation et a peu d'impact sur l'effet de serre (cf. le bilan carbone du bois énergie).

Les autres combustibles sont en principe des lignines. La valorisation énergétique est très variable.

Le Miscanthus (ou herbe à éléphant) fait l'objet d'études au Royaume-Uni, en Belgique^[11] et aux États-Unis. Il présente l'avantage d'avoir un très bon rendement énergétique (supérieur à celui du charbon à volume égal). Il permet d'approcher un rendement de 10 kWh par mètre carré et par an.

Par conversion biologique

Biogaz

On appelle biogaz les effluents gazeux, méthane essentiellement, issus de la fermentation de matières organiques contenues dans les décharges, les stations d'épuration, etc. Le méthane est un puissant gaz à effet de serre et sa captation est de toute façon hautement souhaitable. Il peut être considéré comme une ressource énergétique^[12], souvent via sa combustion pour produire de la vapeur et de l'électricité ; son utilisation directe dans des moteurs à gaz pauvres peut aussi être envisagée. Le biogaz est un gaz combustible, composé en moyenne de méthane (CH₄) à 65 % et de CO₂ à 35 %.

Sous forme de carburant : les biocarburants

Il y a deux familles de biocarburants :

• l'huile végétale brute, et les esters d'huiles végétales (colza, ...) ;
• l'éthanol, produit à partir de blé et de betterave, incorporable dans le super sans plomb sous forme d'Ethyl Tertio Butyl Ether (ETBE, voir bioéthanol).

Comparaison des usages

Risques

Évaluer les différentes formes de valorisation nécessite de comparer les usages, ce qui suppose de mettre en place des méthodes d'évaluation et de traçabilité des filière intégrée.

La mise en place de la traçabilité en agroalimentaire fait l'objet de réglementations (notamment dans l'Union européenne). Elle est encouragée par des normes (ISO 22000).

La traçabilité permet également de réduire les risques, donc les coûts indirects pour la collectivité.

Gains en valeur carbone

La valeur de la tonne de carbone en 2006 est de l'ordre de grandeur de 100 euros. La valeur marchande de la tonne d'équivalent CO₂ est très volatile: elle dépend (entre autres) du prix du pétrole, des décisions politiques de Bruxelles (nombre de quotas, politique énergétique à long terme de l'UE) et de la spéculation. Au 13 mars 2008, la Tonne d'Equivalent CO₂ valait 22 euros. En 2014 elle vaut environ 5 euros.

Voir : Bilan carbone

Comparaison de filières

Pour fiabiliser ces évaluations, il est souhaitable de :

• mieux identifier les agents économiques des filières concernées ;
• mettre en œuvre les projets industriels correspondants, sous la responsabilité d'un ensemblier, qui connaît les parties prenantes, les étapes de la filière (production, transport, ...), le mode projet (cahiers des charges…), les contraintes (sécurité, législation, normalisation…) ;
• tendre vers des filières intégrées ;
• effectuer des calculs de rentabilité économique, en évaluant les actifs engagés (création de valeur).

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

• Quelles ressources en biomasse pour un système énergétique durable ? ; Note de synthèse, rédigées par des experts d'IFP Énergies nouvelles (Télécharger la version PDF - 1,4 Mo)

Liens externes

• Simple transformation de la biomasse (paille) sur le carburant
• Vidéo de l'énergie dans la biomasse, Fondation Québécoise des Énergies Renouvelables
• Biomasse Suisse
• Biomasse, Switchgrass, Miscanthus
• Biomasse Différents moyens de mise en valeur de la biomasse et explications
• Définition de la biomasse solide
• (en) Site officiel de l'Association européenne pour la biomasse

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