a. Généralités
Définition:La biomasse
La biomasse est la « masse totale de l'ensemble des êtres
vivants occupant, à un moment donné, un biotope bien défini » (définition
dictionnaire Larousse). Ce biotope peut être une surface donnée du sol
ou un volume d'eau océanique ou douce.
Du point de vue du génie énergétique, la définition de la biomasse est
restreinte à l'« ensemble des matières organiques pouvant devenir des
sources d'énergie ». Ces matières organiques qui proviennent des plantes,
sont une forme de stockage de l'énergie solaire, captée et utilisée par les
plantes grâce à la chlorophylle. Ainsi la biomasse est donc constituée de
polymères complexes principalement composés de carbone, d'hydrogène et
d'oxygène, crées par l'activité métabolique des organismes vivants.
La photosynthèse
Définition:
Grâce à la photosynthèse, les végétaux élaborent leur substance à
partir de l'énergie fournie par le Soleil : l'eau et le dioxyde de carbone
sont convertis en matières organiques.
Schéma de principe de la photosynthèse
1m² de feuilles élabore en moyenne 1g de matière sèche à l'heure
(glucide), soit l'équivalent énergétique de 15 kJ, alors que le Soleil fournit
3,6 MJ.
→ Rendement : 0,4 % de l'énergie solaire fournie.
Les chloroplastes
Les chloroplastes (Organite cellulaire contenant la chlorophylle et assurant la photosynthèse) sont des organismes
présents dans les plantes et les algues. Ils sont sensibles aux expositions des
différentes ondes du spectre lumineux. Ils jouent un rôle essentiel dans le
fonctionnement d'une cellule végétale car ils permettent de capter la lumière à
l'origine de la photosynthèse.
Déroulement de la photosynthèse
La photosynthèse est un processus biochimique qui permet aux plantes, aux algues et certains micro-organismes et grâce à l'énergie apportée par les rayonnement du soleil de transformer l'eau et le CO2 en matière organique (hydrates de carbone). La réaction est une oxydation du CO2 par l'eau.
La photosynthèse aboutissant à la formation de substance organique (glucose) se déroule à l'intérieur du tissu cellulaire organique (stroma).
La photosynthèse aboutissant à la formation de substance organique (glucose) se déroule à l'intérieur du tissu cellulaire organique (stroma).
La photosynthèse : une suite complexe de réactions
Le déroulement de la photosynthèse s'effectue selon deux phases
importantes :
- Réaction
photochimique : dans la membrane des thylakoïdes (C'est, dans le chloroplaste, le sac membraneux aplati contenant la chlorophylle. Le thylakoïde d'une bactérie est aussi appelé chromatophore.) :
Phase 1
- Cycle de Calvin :
dans le stroma :
Phase 2
Remarque:
Un arbre moyen :
- absorbe chaque année
environ 12 kg de CO2
- rejette suffisamment
d'oxygène pour assurer la respiration d'une famille de quatre personnes
pendant un an.
La ressource
La biomasse peut provenir des produits d'origine végétale non
contaminés suivants :
|  Champ de colza |
|  Paille de blé |
|  Plaquettes forestières |
|  Micro-algues |
Complément:Les différents types de ressources en détails
La figure ci-dessous synthétise l'origine des différents types de
ressources. On distingue quatre grandes catégories : le bois, les cultures
énergétiques, les résidus de l'agriculture et les déchets.
Les déchets valorisables pour l'énergie sont constituées de matières
d'origine organique (hydrocarbonée).
Classification des sources de biomasse pour la production d'énergie
Contrairement aux autres types d'ENR, la biomasse est moins limitée par
des contraintes liée à l'environnement (alternance jour/nuit, ...). Elle
possède également une disponibilité importante à travers le monde. Par exemple,
de nombreuses zones possèdent une ressource forestière importante (mis à part
les pays arides...) : l'Amérique, les pays d'Europe, l'Asie du Sud-Est,
l'Afrique équatoriale.
Superficie forestière en pourcentage du total des terres émergées
par pays en 2010
Le cycle du carbone
Le cycle du carbone se décompose en deux sous-cycles dont les échelles
de temps et d'espace sont différentes : le cycle court et le cycle long.
Le cycle court est celui où intervient le carbone organique (biomasse)
et s'opère sur quelques décennies. En effet au cours de leur croissance, les
écosystèmes (forêts et plantes) synthétisent de la matière végétale qui stocke
le CO2 prélevé dans l'atmosphère lors de la photosynthèse.
Grâce à elle, la biomasse s'apparente à une véritable pompe à CO2,
constituant ainsi une réserve de carbone. Ainsi le CO2 rejeté
par l'utilisation énergétique de la biomasse est réabsorbé par les végétaux
lors de leur croissance. Le CO2 émis ne constitue donc pas un
apport net puisqu'il s'intègre dans un cycle court du carbone, le cycle de vie
de la biomasse. La balance en carbone est donc nulle, à condition bien sûr que
l'équivalent de la biomasse qui a été utilisée soit replanté.
Cycle court du carbone
L'utilisation de la biomasse comme source d'énergie s'inscrit
parfaitement dans le cadre des engagements à tenir du Protocole de Kyoto :
faire chuter de 5 % des émissions de gaz à effet de serre enregistrées en 1990.
Flux carbone au niveau des forêts
Complément:En savoir plus sur le cycle du carbone
- Les grands cycles
biogéochimiques et les changements climatiques (lien)
- Le site "cycle
du carbone" (lien)
- Sita - GDF Suez (lien)
Valorisation énergétique de la biomasse et impact environnemental
L'utilisation de la biomasse est le plus souvent bénéfique pour la
gestion des écosystèmes et de l'environnement tant local que global. Cependant,
cette utilisation peut avoir aussi des effets négatifs.
Les effets potentiellement positifs
- La réduction de l'émission
de polluants acides : la biomasse, à la différence des
combustibles fossiles, n'émet pratiquement de soufre (pluies acides).
- La réduction de
l'émission des gaz à effet de serre : car le bilan CO2 est
nul (voir précédemment).
Les effets potentiellement négatifs
- La
déforestation : lorsque les prélèvements dépassent
l'accroissement des peuplements forestiers durant une trop longue période.
A la baisse du stock d'arbre peut alors succéder la disparition totale du
manteau photosynthétique des arbres dont la fonction est de fixer
l'énergie solaire. Secondairement, ce couvert végétal protège aussi les
sols de l'érosion hydraulique.
- L'épuisement
minéral des sols : l'exploitation complète de la biomasse (fines
branches, écorces, feuilles : parties les plus riches en minéraux)
entraîne une baisse fertilité des sols.
Ces risquent peuvent être éliminés : en restituant les cendres issues
de la biomasse aus sols forestiers ou en pratiquant certains apports.
En mélangeant les peuplements des arbres fixateurs d'azote
atmosphérique tels que les aulnes, les acacias, les prosopis ou les casuarinas.
Déforestation
Les grandes voies de valorisation de la biomasse
La figure ci-dessous présente les grandes voies de valorisation de la
biomasse. On distingue habituellement :
- les
voies dites "thermochimiques" pour lesquelles
la biomasse est transformée à haute température (combustion, pyrolyse,
gazéification) ;
- les voies dites
"biochimiques" pour lesquelles la biomasse est
valorisée soit par hydrolyse puis fermentation (enzymes), soit par
digestion anaérobie (bactéries). Les filières d'extraction et de
trituration d'huiles végétales sont souvent classées dans cette catégorie.
Les différentes filières de valorisation énergétique de la biomasse
Attention:
Dans la suite de cet exposé, les différents procédés de valorisation
énergétique de la biomasse ne seront pas tous étudiés en détails. Nous avons
choisi de développer trois grandes filières : le bois-énergie, les
biocarburants, le biogaz par méthanisation. A l'intérieur de la partie
consacrée au bois-énergie, les procédés de valorisation de la biomasse
lignocellulosique par pyrolyse et gazéification seront également étudiés.
b. La filière bois-énergie
Introduction
Cette filière de valorisation énergétique du bois en tant que
combustible, pour se chauffer, s'éclairer, cuisiner ou produire de
l'électricité, est appelée "bois-énergie" (ou également
"biomasse solide"). Il peut s'agir d'une énergie renouvelable si le
bois est produit par une gestion durable des forêts.
Le bois utilisé peut se présenter sous les formes suivantes :
- les bûches ;
- les granulés de
bois ou pellets ;
- les briques de bois
reconstituées ;
- les plaquettes
forestières.
Le bois : généralités
Composition chimique
Composition du bois
Les différents constituants du bois
L'analyse organique élémentaire montre que les pourcentages de carbone,
d'hydrogène et d'oxygène sont à peu près les mêmes pour tous les bois. Ainsi,
on admet que le bois anhydre contient en masse :
- 49 à 50 % de
carbone ;
- 43 à 44 %
d'oxygène ;
- 6 %
d'hydrogène ;
- 0,2 à 0,5 %
d'azote.
On peut donner au bois une formule chimique moyenne : CH1,5O0,65
Ceci est très remarquable si l'on considère les différences énormes qui
peuvent exister d'une essence d'arbre à une autre, tant sur le plan
morphologique que sur le plan des espèces chimiques en présence. La plupart des
auteurs classent les constituants du bois en deux groupes de substances :
- Substances
macromoléculaires représentant 95% de la masse du bois ; la
proportion des différents composés à haut poids moléculaire est la
suivante : cellulose 40-50%, hémicellulose 10-30%, lignine 15-30%,
- Substances de
faible poids moléculaire (extraits, tanins, substances minérales).
Les différents constituants du bois possèdent donc de très nombreuses
fonctions oxygénées (groupes carboxyliques et hydroxyles, fonctions alcools et
phénols) se révélant très importantes pour sa réactivité.
La cellulose
Les fibres polymériques de cellulose sont les constituants de base des
cellules végétales (squelette de la paroi cellulaire). La présence de
nombreuses liaisons hydrogène intramoléculaires assurent la rigidité de la
structure. Les fibrilles cellulosiques possèdent un ordre cristallin.
Un fragment de molécule de cellulose
Les hémicelluloses
Les hémicelluloses sont le « ciment » entre les fibres cellulosiques et
protègent le réseau cristallin de la cellulose.
La lignine
Les lignines assurent le colmatage des espaces inter fibrillaires et
donnent au bois sa rigidité et sa résistance à la compression. Ce sont des
polymères de structure amorphe. Leur extraction est pratiquement impossible
sans dégradation.
Complément :
Selon le type de variété de biomasse, la composition chimique peut
présenter des différences notables.
Compositions de quelques biomasses végétales
Structure
Définition : Aubier/Bois parfait
L'aubier correspond au bois physiologiquement actif, mais après
quelques années les vaisseaux cessent peu à peu d'alimenter l'arbre et
s'imprègnent de de différentes substances : tanins, résines...
Le bois est une matière ligneuse élaborée par un organisme vivant au
milieu d'un écosystème. L'ensoleillement, la nature du terrain, l'altitude, la
température ambiante, la pollution atmosphérique interviennent directement sur
la croissance des arbres. L'origine végétale du bois explique ses
particularités, mais aussi sa richesse et sa variété, en tant que support de
finition ou matériau de structure.
L'origine végétale du bois explique ses particularités, mais aussi sa
richesse et sa variété, en tant que support de finition. Matériau aux
caractéristiques variables, présentant des singularités plus ou moins marquées,
il se distingue sur ce plan des autres matériaux utilisés dans la construction
: brique, ardoise, béton, acier, PVC, etc...
Le bois est un matériau hétérogène, anisotrope et hygroscopique :
Les caractéristiques du bois restent celles d'un matériau naturel,
variables d'une essence à l'autre, ainsi qu'à l'intérieur d'une même essence,
voire d'un même arbre.
Structure microscopique et macroscopique du bois
Propriétés
Comme cela a été vu précédemment, les variétés de bois peuvent
présenter des différences dans leur composition chimique. Afin de spécificier
un type de bois, on va utiliser des grandeurs macroscopiques caractéristiques,
comme :
Taux d'humidité
Le bois est un matériau hygroscopique. A une température donnée, il
existe un équilibre entre l'eau en phase gazeuse et l'eau adsorbée. On
caractérise le rapport entre la quantité d'eau et la quantité de matière
sèche de bois par : 
L'humidité du bois dépend des conditions du lieu de stockage :
|
|
Masse volumique du bois
Pouvoir calorifique
On définit :
Pour le bois sec, le PCS est de l'ordre de 20 000 kJ/kg.
On peut calculer ce PCS en connaissant la composition du bois (C,H,O,S
étant les fractions massiques en carbone, hydrogène, oxygène, soufre) grâce aux
formules suivantes :
Complément :
L'énergie contenue dans une bûche de bois humide ou des granulés n'est
pas la même. A masse égale, les granulés vont délivrer plus d'énergie (près de
4,5 MWh/tonne).
Capacité calorifique massique
La capacité calorifique massique (kJ.kg-1.K-1)
peut se calculer selon :
Conductivité thermique
Les bois n'est pas un matériau isotrope dans les trois directions de
l'espace. La conductivité axiale (A) est différente de la conductivité
tangentielle (T) et radiale (R). Ainsi on calcule la conductivité axiale
selon :
Complément :
Densité / Dureté
La densité des bois est très variable selon les espèces et à
l'intérieur d'une même espèce . Une corrélation étroite existe entre la masse
volumique et la dureté, les bois les plus denses sont les plus durs et les bois
les plus légers sont les plus tendres...
Bois et eau
Au moment de l'abattage, le bois peut contenir plus d'eau que de matière-bois
; parfois deux fois plus dans certains peupliers. L'humidité est alors
supérieure à 100 %.
Séchage
Afin d'éviter que le bois ne subisse des retraits après mise en oeuvre,
ce qui pourrait entraîner des désordres notamment dans les assemblages, il est
indispensable de le sécher avant tout usinage et utilisation en construction.
La ressource en bois
L'entreprise BTG ("Biomass Technology Group"), basée aux
Pays-Bas, a réalisé une étude sur le potentiel mondial en résidus agricoles et
déchets de bois. Près de 455 Mtep de résidus agricoles et 225 Mtep de déchets
de bois peuvent être d'ores et déjà utilisables à des fins énergétiques (total
de 680 Mtep). Cette valeur est à mettre en perspective avec les 12 717 Mtep
représentant la production d'énergie primaire
dans le monde en 2010 (soit plus de 5 %).
L'inventaire Forestier National (2004) établi en 2004 fait le bilan du
gisement brut issu de l'exploitation forestière actuelle. La ressource
forestière est importante en région Rhône-Alpes, Aquitaine, Lorraine.
En France la consommation de bois et déchets de bois s'élève à 9,2 Mtep
par an. Le potentiel énergétique des résidus générés par la récolte des bois
d'œuvre et d'industrie est estimé à 7,3 Mtep supplémentaires (soit 17 milliers
de tonnes de bois sec valorisables sous la forme de plaquettes forestières), ce
qui offre quasiment la possibilité de doubler la consommation annuelle de la
filière bois-énergie en France. Le gisement pourrait être largement étendu si
l'on considère que sur les 88 milliards de m3 de bois produits
chaque année par croissance biologique, seuls 61 sont aujourd'hui prélevés. Le
potentiel énergétique annuel de ces 27 milliards de m3 non prélevés
représente encore 7 Mtep. Le potentiel en plaquettes forestières es estimé à
4,9 Mtep.
Complément : Biomasse et gestion de la forêt
En France, l'utilisation de bois à des fins énergétiques n'entraîne pas
la déforestation. Depuis 1945 la forêt française a augmenté de 2,5 millions
d'hectares. En 1 siècle, la surface de la forêt a doublé. Ainsi, la superficie
de la forêt française s'est accrue de 2,2 millions d'hectares depuis 1970 et
couvre aujourd'hui près de 1/4 du territoire national.
Évolution de la superficie de la forêt française
Le bois comme source de chaleur
Principe
La combustion est une suite complexe de réactions chimiques
exothermiques entre un carburant et un oxydant accompagnée par la production de
chaleur. Pour que la combustion puisse avoir lieu, trois éléments doivent être
réunis (triangle du feu) :
- présence d'un carburant (bois, ...) ;
- présence d'un comburant (oxygène de l'air) ;
- apport d'énergie (étincelle).
Globalement la combustion est telle que :
Elle s'effectue en trois étapes :
La combustion du charbon s'effectue selon les réactions
suivantes :
A basse température, on favorise la formation de CO2, alors
qu'à haute température (1500-2000°C) la production de CO plus importante.
La combustion théorique d'un combustible consiste à brûler tous les
éléments du combustible (réaction dans les conditions stœchiométriques). Cette
combustion théorique nécessite par kilogramme de bois anhydre, 4,5 m3
d'air, et produit 5,2 m3 de fumée.
Un excès d'air se traduit par une émission inutile de calories vers
l'extérieur, par le biais des fumées (augmentation des pertes par chaleur
sensible). A l'inverse, un défaut d'air génère une combustion incomplète et la
chaleur recueillie est moindre (augmentation des pertes par imbrûlés gazeux).
On retrouve ainsi dans les fumées de combustion :
En dehors des fumées, la combustion conduit à la formation de cendres
(recueillies dans le cendrier). Il convient également d'éliminer les poussières
(mise en place de cyclones, d'électrofiltres).
La distribution de l'air a une grande importance et doit se faire en
deux points au minimum :
Applications
Introduction
La combustion de la biomasse permet la production de chaleur. Celle-ci
peut être :
Le chauffage individuel
Le chauffage au bois pour l'habitait individuel connaît toujours un
certain succès. La bûche de bois traditionnelle reste un combustible
incontournable mais depuis quelques années, sont apparus de nouveaux produits
comme les pellets ou granulés de bois.
Les rendements des poêles et autres inserts varient entre 10 % (pour
les modèles les plus anciens) jusqu'à 70 % pour ceux répondant aux critères du
label "Flamme Verte".
Exemples d'inserts
Exemples de poêles
Les tarifs
Complément : La charte “Flamme verte”
Signée en 2000, sous l'impulsion de l'Ademe et de constructeurs
d'appareils de chauffage domestique, la charte qualité “Flamme verte” a pour
objectif principal de promouvoir des appareils de chauffage modernes et plus
performants sur le plan énergétique et environnemental. Le label s'applique aux
inserts, foyers fermés, poêles et chaudières de puissance inférieure ou égale à
70 kW, alimentés par un combustible sous forme de bûches, plaquettes ou
granulés. Pour obtenir le label “Flamme verte”, les appareils doivent afficher
un rendement de 70 % et respecter les normes européennes en vigueur en matière
d'émissions polluantes (émissions de CO < 1%).
Les aides financières
Afin d'inciter les particuliers à s'équiper avec du chauffage au bois,
l'État a mis en place divers dispositifs d'aides :
Le site du label
"Flamme Verte" présente une liste des aides financières
existantes pour l'achat d'un dispositif de chauffage au bois.
Le chauffage collectif
Deux exemples de chaufferies à bois dans la région
Languedoc-Roussillon
La chaufferie automatique au bois du quartier de Planoise à Besançon
(25)
Cette réalisation alimente en chauffage et en eau chaude sanitaire 2500
logements du quartier de Planoise à Besançon.
Données :
Dossier de presse : "A
Besançon, mise en service d'une des plus grosses chaufferies bois de France".
Chaufferie alimentée avec de la paille à Villeparisis (94)
Cette chaufferie alimente 250 logements (Cité HLM Normandie Niemen)
Les chiffres clés :
Le crottin de cheval peut être valorisé par ce biais, à l'initiative de
France Galop, de la FIVAL et du Cheval Français (SECF) (lien).
Chaufferie alimentée avec de la paille à Villeparisis (94)
La cogénération
Définition :
La cogénération est un principe de production simultanée de chaleur et
d'électricité, à partir d'une source d'énergie primaire.
La centrale cogénération du Moule (Guadeloupe)
La centrale thermique est construite à proximité immédiate de la
sucrerie de Gardel et utilise deux combustibles :
Son transport jusqu'à la centrale se fait par camions équipés de bennes
spéciales hermétiques et anti-pollution. Aujourd'hui il est possible de brûler
la bagasse sans aucune pollution, d'alimenter la sucrerie Gardel en vapeur et
de produire à destination du réseau d'électricité local ou national environ 110
kWH par tonne de canne.
Les chiffres clés :
La micro-cogénération pour l'habitat individuel
Par rapport à une chaudière à gaz classique, on peut économiser 45%
d'électricité et 25% de gaz, soit financièrement, un gain annuel d'environ 500
euros pour une maison individuelle ancienne de 160 m².
La micro-cogénération : moteur de Stirling
La micro-cogénération Stirling permet de produire de l'électricité et du
chauffage : un moteur Stirling est intégré dans une installation de chauffage.
Il produit l'électricité et ses pertes sont récupérées pour participer au
chauffage.
La source chaude peut être une parabole (solaire) ou une chaudière à
gaz ou à bois (alimentée en granulés de bois).
Le système n'est pas très grand, et pourtant il possède de bonnes
performances énergétiques. On peut produire de l'électricité avec un rendement
pouvant aller théoriquement jusqu'à 70%.
La micro-cogénération (Stirling)
Pyrolyse/gazéification
La pyrolyse
Généralités
La pyrolyse (du grec pyro "feu" et lyse "coupure")
est un processus primaire de décomposition thermique de la biomasse. Cette
réaction produit des gaz permanents, des vapeurs condensables et un solide
carboné en proportion variable selon les conditions opératoires et qui peuvent
être valorisés à différents niveaux. Par extension, elle recouvre les procédés
de valorisation thermique de la biomasse en l'absence d'oxygène.
Dans un réacteur de pyrolyse, la biomasse est chauffée à environ 500 °C
en l'absence d'oxygène. La technologie de pyrolyse génère :
Ces produits sont valorisables pour produire notamment de la chaleur ou
de l'électricité.
Les différents types de produits obtenus par la pyrolyse
Les différentes étapes de la pyrolyse lors de la montée en
température
En général, si la montée en température est lente (quelques °C/min) 1
kg de bois sec permet l'obtention de 0,3 kg de charbon
La carbonisation
La carbonisation ou pyrolyse lente en l'absence d'oxygène génère du
charbon de bois et différents produits chimiques et combustibles gazeux. Connue
et pratiquée depuis des temps immémoriaux, elle a couvert de larges
perspectives à l'humanité : réduction des métaux dès les premiers âges,
principale source de production de produits chimiques....
Charbon de bois
Les huiles de pyrolyse ou biohuiles
| Pendant la pyrolyse dite "flash", la vitesse de chauffe est
très élevée (+ 100°C/s). Elle permet d'obtenir un gaz riche en hydrocarbures.
Il est ensuite refroidi rapidement pour produire un liquide brun foncé
(biohuile) dont le pouvoir calorifique est environ la moitié de celui du
mazout classique.
Cette biohuile n'est pas une huile à proprement parler mais plutôt
une soupe de composés chimiques (alcools, acides, aldéhydes, phénols,
etc...). Certains de ces composants sont des produits chimiques de grande
valeur et si ces produits peuvent être séparés ou extraits, ils peuvent
générer d'importants revenus.
L'huile produite contient un pourcentage d'humidité de 20 à 25 %.
Elle est très riche en acide et ne peut être utilisée directement que dans
les systèmes qui peuvent fonctionner avec des carburants à faible densité
énergétique (16-17 MJ/kg) et un pH de 2,5. Certains procédés ont été
développés pour éliminer les difficultés reliées à l'utilisation de la
biohuile comme carburant qui est plus visqueuse que le diesel courant, plus
difficile à brûler, fortement acide et d'une valeur calorifique moindre.
|
Photographie d'une bouteille remplie d'huile de pyrolyse
|
Caractéristiques principales des biohuiles
Les applications des biohuiles sont nombreuses :
Les différentes applications des biohuiles de pyrolyse
La gazéification
Principe
La gazéification de biomasse est la transformation d'un combustible
solide végétal en un combustible gazeux en présence d'un réactif oxydant (O2,
air, CO2, H20v), selon les réactions chimiques suivantes :
La gazéification permet d'obtenir un gaz porteur d'énergie thermique
(gaz chaud) et d'énergie chimique (gaz combustible) toutes les deux
exploitables pour :
Les niveaux de maturité de ces applications ne sont pas les mêmes.
Ainsi ils existe déjà des unités de cogénération utilisant le procédé de
gazéification de biomasse. Par contre, il faudra attendre encore 5 à 10 ans
pour que les applications biocarburants soient pleinement opérationnelles. Les
verrous technologiques (pureté du gaz H2 obtenu) pour les
applications piles à combustibles ne seront pas levés avant une vingtaine
d'années.
Vue globale simplifiée des différents mécanismes mis en jeu dans le
procédé de gazéification
Les grands types de procédés
Il existe deux grands types de procédés de gazéification : les procédés
à lit fixe et les procédé à lit fluidisé. Le choix d'un type de procédé est
guidé par différents paramètres tels que la taille de l'installation, le
combustible utilisé, l'usage du gaz produit ou parfois la maturité des
technologies.
Les procédés à lit fixe
Ils sont en général de construction simple et robuste. Dans ces
procédés, le combustible (biomasse) forme un lit dense au sein du réacteur et
se déplace verticalement. Différentes conceptions de réacteurs en lit fixe
existent.
Dans les procédés à contre-courant, l'alimentation en biomasse se fait
en partie haute tandis que l'air est introduit par le bas. Les procédés à
contre-courant ont l'avantage d'accepter des biomasses avec un taux d'humidité
important. Par contre, le gaz produit est fortement chargé en goudrons formés
lors de la phase de pyrolyse. En effet, ceux-ci ne traversant pas de zone
chaude avant d'être évacués, il n'y a pas de possibilité de craquage thermique
de ces goudrons. Leur concentration importante dans le gaz produit rend les
procédés à contre-courant inadaptés à la production d'électricité.
Dans les procédés à co-courant, la biomasse et l'air sont tous deux
introduits en partie haute du réacteur. La zone d'injection de l'air présente
en général une restriction de diamètre pour permettre de créer un espace vide
favorable à l'oxydation des matières volatiles. Dans un tel procédé, le gaz
produit traverse la zone d'oxydation à haute température avant d'être évacué ;
cette dernière favorise le craquage thermique des goudrons. La teneur en
goudrons du gaz produit est donc beaucoup plus faible que dans le cas d'un
procédé à contre-courant.
Schéma de principe de réacteurs de gazéification à lit fixe
Les procédés à lit fluidisé
Dans un procédé à lit fluidisé, les particules sont "en
suspension" dans le réacteur. Cela favorise les échanges thermiques et
massiques entre le gaz et le solide. Les conditions opératoires sont bien
maîtrisées et les vitesses de réaction beaucoup plus importantes que dans les
procédés à lit fixe. Cependant, la fluidisation n'est possible qu'avec des
particules de petite taille (2 à 5 mm), ce qui nécessite généralement un
broyage préalable de la biomasse. D'autre part, le gaz produit est fortement
chargé en particules, exigeant la mise en œuvre de traitements avant sa
valorisation. Dans ce type de réacteur, les différents mécanismes de séchage,
pyrolyse, oxydation homogène et hétérogène ont lieu dans une seule et même zone
du réacteur.
Schéma de principe de réacteurs de gazéification à lit fluidisé
Éléments de comparaison entre les deux types de procédés
Les procédés à lit fluidisé permettent d'obtenir des puissances plus
importantes que pour les procédés à lit fixe.
Puissance des installations envisageables en fonction du procédé de
gazéification
Complément : Unité de cogénération de Güssing (Autriche)
Cette unité produit à la fois de la chaleur (4,5 MWth) et de
l'électricité (2 MWélec) pour 4 000 habitants, grâce à la
technologie du double lit fluidisé atmosphérique.
Photographie de l'unité de gazéification de Güssing (Autriche)
Implantation d'une unité de cogénération
Le schéma ci-dessous présente ce que devraient être dans le futur, les
unités de cogénération par gazéification de biomasse, avec un approvisionnement
en bois s'effectuant à proximité du site.
L'unité de cogénération par gazéification de biomasse du
futur !
Aspects économiques
Le prix du bois
Le bois-énergie est le combustible le moins cher du marché et celui
dont le prix est le plus stable. En effet il se situe autour de 4 € pour 100
kWh PCI depuis 2005.
Le prix du combustible bois est très peu dépendant du prix des produits
pétroliers. Ces derniers ont augmenté de manière significative depuis l'an
2000. Par exemple le gaz naturel est passé 3,5 € à 6 € en 2010. On a même
assisté à une augmentation de 20% du prix du gaz (augmentation moyenne observée
entre 2005 et 2010).
Évolution du prix des énergies pour 100 kWh PCI entrée chaudière
Pour l'ensemble des combustibles considérés (tableau ci-dessous), dès
lors que l'on prend en compte les tendances sur le moyen terme, la croissance
des prix apparaît modérée, certes plus importante que le niveau général des
prix pour certains combustibles, mais en retrait par rapport aux évolutions du
prix des autres énergies. Par ailleurs, il existe une relative régularité dans
l'évolution des prix qui tranche avec les évolutions erratiques connues par les
énergies fossiles.
Le seul combustible pour lequel l'évolution des prix présente un profil
particulier est le granulé vrac, avec une croissance moyenne des prix de 5% et
de fortes variations annuelles. Sur ce marché, l'instabilité des prix peut être
associée au caractère émergent de cette activité dans les années passées, qui a
conduit à des déséquilibres successifs entre l'offre et la demande, avec une
succession de situations de surcapacités et de sous capacités.
Enquête sur le prix des combustibles bois en 2011-2012 :
évolution des prix des combustibles bois livrés sur le marché des particuliers
Les potentialités de la filière
Les points forts de la filière bois-énergie
La gestion et l'entretien des forêts permettent de :
Elle est créatrice d'emplois : il faut du personnel pour la
récolte, le débardage, le transport, le conditionnement, la gestion, la
conception, la distribution.
Pourtant il y a une potentialité de 12 millions de m3
supplémentaires, soit 6 000 emplois.
Cependant la filière ne peut être pérenne que si la production annuelle
est supérieure à la consommation, en évitant les problèmes de déforestation
liés à un emploi sauvage du bois-énergie.
Complément : La filière bois-énergie en France en quelques
chiffres
Le marché
La production d'énergie primaire biomasse solide (bois, déchets de
bois, autre biomasse végétale ou animale) a diminué de 2,4 Mtep en 2011 pour
atteindre 78,8 Mtep. La consommation brute d'énergie primaire biomasse solide,
qui prend en compte les importations et les exportations, est, elle, estimée à
80,8 Mtep en 2011, en baisse de 3,9 %. Ce différentiel s'explique notamment par
les importations de plus en plus massives de granulés de bois en provenance du
Canada et des États-Unis.
Production d'énergie primaire* à partir de biomasse solide de
l'Union européenne en 2010 et en 2011* (en Mtep)
La Finlande est le premier pays pour la production d'énergie primaire
biomasse solide par habitant avec 1,4 tep/habitant. Par rapport à 2010
l'utilisation de la biomasse ligneuse a diminué de l'ordre de 3 %. Cette
diminution s'explique à la fois par une diminution de l'utilisation des
liqueurs noires dans l'industrie papetière, induite par une diminution de
l'activité, et par une réduction des besoins en chaleur dans les réseaux.
La France est à la 16e place avec 0,142 tep/habitant.
Production d'énergie primaire à partir de biomasse solide en tep par
habitant dans les pays de l'Union européenne en 2011*
Production d'énergie primaire, production brute d'électricité et
consommation de chaleur à partir de biomasse solide de l'Union européenne en
2011*
La production d'électricité issue de la biomasse est estimée à 72,8 TWh
en 2011, en hausse de 2,6 % par rapport à 2010. Cette production est également
majoritairement issue de centrales de cogénération avec une part estimée à 57,9
% en 2011.
Production brute d'électricité à partir de biomasse solide de
l'Union européenne en 2010 et en 2011* (en TWh)
La production de chaleur dans le secteur de la transformation,
correspondant globalement à la vente des réseaux de chaleur, est en diminution
de 7,5 % en 2011 pour une production de 7 Mtep. La production de chaleur issue
d'unités de cogénération est majoritaire avec une part de 60,8 % en 2011.
Production de chaleur à partir de biomasse solide de l'Union
européenne en 2010 et en 2011* (en Mtep) dans le secteur de la transformation**
Complément : Liste des centrales biomasse de plus de 100 MW
électriques de l'Union européenne
Le tableau ci-dessous présente une liste des centrales biomasse les
plus puissantes installées sur le sol européen, en opération et en projet. La
centrale de Tilbury au Royaume-Uni, exploitée par RWE Npower, était, lors de
son lancement début 2012, la plus grande centrale biomasse électrique du monde
avec une puissance de 750 MW. La conversion de cette ancienne centrale charbon
ne s'est pas faite sans heurts. Un mois après sa mise en service, la centrale a
été victime d'un incendie entraînant un arrêt de la production. Une
inflammation des poussières lors d'un déplacement du combustible granulé vers
une trémie serait à l'origine de ce sinistre. La centrale a pu redémarrer en
partie en juin 2012 et devrait être pleinement opérationnelle d'ici la fin de
l'année. La centrale a été conçue pour consommer chaque année 2,3 millions de
tonnes de granulés de bois. Elle domine en puissance la célèbre centrale
d'Alholmens Kraft (240 MWe), mise en service en 1996, et qui utilisait déjà la
technologie du lit fluidisé circulant. On compte aujourd'hui un nombre de plus
en plus important de centrales biomasse ou fonctionnant en co-combustion,
dotées d'une puissance de plus de 100 MW. Parmi les plus récentes, on peut
citer la centrale de Rodenhuize en Belgique (180 MW), exploitée par Electrabel
et GDF Suez, qui mettra également en service en fin d'année sa nouvelle
centrale biomasse de Polaniec en Pologne. La centrale qui avait été
initialement conçue pour une puissance de 190 MW a finalement été rehaussée à
205 MW durant la phase de construction. La chaudière 100 % biomasse, construite
par Foster Wheeler, utilisera la technologie du lit fluidisé circulant et sera
alimentée chaque année par 890 000 tonnes de plaquettes et 220 000 tonnes de
déchets agricoles (Source Eurobserv'ER, Baromètre de la biomasse solide 2012).
Liste des centrales biomasse de plus de 100 MW électriques de
l'Union européenne
Conclusion
La filière bois-énergie permet d'alimenter de nombreux procédés de
valorisation énergétique de la biomasse. Cependant le choix du procédé adéquat
sur un site va dépendre de la ressource disponible.
Des ressources importantes comme les déchets de l'industrie du bois ne
sont pas encore pleinement exploitées.
Complément : Quel est le meilleur procédé pour la production
d'électricité
Avec un rendement global de 18,9 %, la gazéification s'avère être le
meilleur procédé pour produire de l'électricité.
Quantité d'énergie thermique puis électrique (disponible à
l'alternateur) suivant le procédé de conversion thermochimique mis en œuvre
Les énergies renouvelables : 1- La place des ENR dans la production d'énergie
