Biomasse

La biomasse désigne l’ensemble des matières organiques pouvant se transformer en énergie. On entend par matière organique aussi bien les matières d’origine végétale (résidus alimentaires, bois, feuilles) que celles d’origine animale (cadavres d’animaux, êtres vivants du sol).

Il existe trois formes de biomasse présentant des caractéristiques physiques très variées :

• les solides (ex : paille, copeaux, bûches) ;
• les liquides (ex : huiles végétales, bioalcools) ;
• les gazeux (ex : biogaz).

La biomasse est une réserve d'énergie considérable née de l’action du soleil grâce à la photosynthèse. Elle existe sous forme de carbone organique. Sa valorisation se fait par des procédés spécifiques selon le type de constituant.

La biomasse est parfois considérée comme une source d'énergie renouvelable uniquement si sa régénération est au moins égale à sa consommation (par exemple, l’utilisation du bois ne doit pas conduire à une diminution du nombre d’arbres).

La valorisation énergétique de la biomasse peut produire trois formes d'énergie utile, en fonction du type de biomasse et des techniques mises en œuvre :

• de la chaleur ;
• de l'électricité ;
• une force motrice de déplacement.

On distingue trois procédés de valorisation de la biomasse : la voie sèche, la voie humide et la production de biocarburants.

La voie sèche

La voie sèche est principalement constituée par la filière thermochimique, qui regroupe les technologies de la combustion, de la gazéification et de la pyrolyse :

• la combustion produit de la chaleur par l'oxydation complète du combustible, en général en présence d'un excès d'air. L'eau chaude ou la vapeur ainsi obtenues sont utilisées dans les procédés industriels ou dans les réseaux de chauffage urbain. La vapeur peut également être envoyée dans une turbine ou un moteur à vapeur pour la production d'énergie mécanique ou, surtout, d'électricité. La production combinée de chaleur et d'électricité est appelée cogénération ;
   
• la gazéification de la biomasse solide est réalisée dans un réacteur spécifique, le gazogène. Elle consiste en une réaction entre le carbone issu de la biomasse et des gaz réactants (la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone). Le résultat est la transformation complète de la matière solide, hormis les cendres, en un gaz combustible composé d’hydrogène et d’oxyde de carbone. Ce gaz, après épuration et filtration, est brûlé dans un moteur à combustion pour la production d'énergie mécanique ou d'électricité. La cogénération est également possible avec la technique de gazéification ;
   
• la pyrolyse est la décomposition de la matière carbonée sous l’action de la chaleur. Elle conduit à la production d'un solide, le charbon de bois ou le charbon végétal, d'un liquide, l'huile pyrolytique, et d'un gaz combustible. Une variante de la pyrolyse, la thermolyse, est développée actuellement pour le traitement des déchets organiques ménagers ou des biomasses contaminées.

La voie humide

La principale filière de la voie humide est la méthanisation. Il s’agit d’un procédé basé sur la dégradation par des micro-organismes de la matière organique. Elle s’opère dans un digesteur chauffé et sans oxygène (réaction en milieu anaérobie). Ce procédé permet de produire :

• le biogazqui est le produit de la digestion anaérobie des matériaux organiques ;
   
• le digestat qui est un résidu de la méthanisation, composé de matière organique non biodégradable.

La production de biocarburants

Les biocarburants sont des carburants liquides ou gazeux créés à partir d’une réaction :

• entre l’huile (colza, tournesol) et l’alcool dans le cas du biodiesel ;
   
• à partir d’un mélange de sucre fermenté et d’essence dans le cas du bioéthanol .

Il existe 3 générations de biocarburants :

• 1^re génération : biocarburants créés à partir des graines ;
   
• 2^e génération : biocarburants créés à partir des résidus non alimentaires des cultures (paille, tiges, bois) ;
   
• 3^e génération : biocarburants créés à partir d’hydrogène produit par des micro-organismes ou à partir d’huile produite par des microalgues.

Les biocarburants de 2^e et 3^e génération ont  entre autres pour vertu de ne pas « occuper » un territoire agricole en compétition avec la production d’aliments pour l’homme.

Ces biocarburants peuvent prendre différentes formes :

• des esters d'huiles végétales produits, par exemple, à partir du colza (biodiesel) ;
   
• de l'éthanol, produit à partir de blé et de betterave, incorporable dans le super sans plomb sous forme d'ETBE (Ethyl Tertio Butyl Ether). Cet ETBE favorise l'incorporation d'éthanol dans les essences (jusqu'à 15% du volume dans le SP95, jusqu'à 22% dans le cas du SP95-E10⁽¹⁾).

La valorisation de la biomasse ne produit toutefois pas que des biocarburants.
 

Voies de valorisation de la biomasse (©DR d'après fréquence terre)

Avantages de la biomasse

La valorisation énergétique de la biomasse peut permettre d’augmenter la part des énergies renouvelables dans un mix énergétique et de réduire la dépendance au pétrole ou au gaz. La diversité des matières organiques constituant la biomasse permet à de nombreux pays d’avoir accès à cette ressource. Elle peut donc favoriser leur indépendance énergétique.

De plus, la biomasse participe à la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre dans la mesure où le CO₂ dégagé par la combustion des bioénergies est compensé par le CO₂  absorbé par les végétaux lors de leur croissance. La récupération du biogaz dans les décharges permet par ailleurs de capter le méthane issu de la biomasse, gaz à très fort effet de serre.

Débats autour de la biomasse

L’utilisation de la biomasse peut toutefois dans certains cas engendrer des déséquilibres environnementaux. L’amalgame entre énergie renouvelable et énergie « propre » est fréquent.

La concession de parcelles à l’industrie des biocarburants réduit par endroits la taille des terres agricoles destinées à l’alimentation. Certains experts craignent que l’essor des biocarburants de première génération déclenche une crise alimentaire mondiale, en particulier dans le contexte d’une forte croissance démographique terrestre. 

Les gestionnaires de déchets

Ils sont les leaders de la valorisation énergétiques des ordures ménagères mais aussi de la méthanisation car ils contrôlent les centres d’approvisionnement (centres de tri). Parmi ces gestionnaires de déchets on peut citer : Veolia, Suez ou encore TIRU (filiale de Paprec).

Les acteurs de l’énergie

Les producteurs comme EDF et Engie mais aussi les exploitants de réseaux de chaleur comme Dalkia ou Cofely utilisent la biomasse solide (bois et ses sous-produits) afin de diversifier leurs bouquets énergétiques.

Les industriels du bois

Ils fournissent les acteurs de l’énergie en bois. Dans certains cas, ils peuvent valoriser eux-mêmes leurs chutes de production afin de réduire leur dépendance aux énergies fossiles, à l’image de la compagnie québécoise Tembec ou du groupe finlandais UPM.

Les collectivités locales

Elles décident des politiques locales de gestion des déchets mais aussi de l’installation d’infrastructures locales de production d’énergie (chauffage urbain, cogénération, etc.). Elles ont donc un rôle clé dans l’évolution de la biomasse, plus particulièrement en matière de valorisation des déchets.

Pouvoir calorifique

• Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) désigne le dégagement maximal théorique de chaleur qu'on peut tirer d'un combustible lors de sa combustion.
   
• Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) ne prend pas en compte la chaleur de condensation de la vapeur d'eau qui se dégage lors de la combustion. Ce PCI est souvent employé pour comparer l'intérêt calorifique de différents combustibles. Il peut être exprimé en mégajoules par kg (MJ/kg) ou en kWh/kg, sachant que 1 kWh = 3,6 MJ.

Pour produire de l’énergie, il faut de grandes quantités de biomasse car son PCI n’est globalement pas très élevé⁽²⁾ :

• Paille : 14,3 MJ/kg ;
• Bois (dans la nature) : 10,8 MJ/kg
• Déchets urbains, bagasse (résidu fibreux de la canne à sucre) : 7,77 MJ/kg.

Notons que le pouvoir calorifique du bois est directement lié à son taux d'humidité. Des granulés de bois dont le taux d'humidité est très faible (5 à 10%) a un PCI bien meilleur, de l'ordre de 18 MJ/kg. A titre de comparaison, le PCI du fioul domestique avoisine 42 MJ/kg (26 MJ/kg pour la houille).

La biomasse couvre près de 10% des besoins mondiaux en énergie. Deux tiers de la consommation mondiale d'énergie issue de la biomasse sont consacrés à la cuisine et au chauffage dans les pays en voie de développement⁽³⁾.

Hors consommation domestique, les principaux pays dans le monde ayant recours à la biomasse sont le Brésil, les États-Unis et l'Inde⁽⁴⁾.

La biomasse et les déchets constituent 67,6 % de la production primaire d’énergie renouvelable dans l'Union européenne en 2010⁽⁵⁾.

Années 1860 : le bois est encore le principal combustible utilisé dans les maisons et les entreprises pour le chauffage et la cuisson. Le bois est également utilisé pour produire de la vapeur destinée à des applications industrielles ainsi que pour propulser les trains et les bateaux.

1880 : Henry Ford utilise l’éthanol pour alimenter une de ses premières automobiles, le quadricycle.

Années 1920 - 1930 : aux États-Unis, l’éthanol est largement utilisé pour alimenter les voitures. Plus de 2 000 stations-service du Midwest américain offrent du « gasohol » (de l’éthanol produit à partir de maïs).

Années 1970 : les deux chocs pétroliers (1973 et 1979) incitent les majors du pétrole à développer des biocarburants.

1975 : le Brésil lance le programme Proalcool qui a pour but de promouvoir l’éclosion des carburants « verts ». Aujourd’hui plus de la moitié du parc automobile brésilien roule au biocarburant.

1980 : les prix élevés de l’énergie stimulent l’intérêt envers l’énergie biomasse.

1990 : le réchauffement climatique et l’épuisement des ressources fossiles incitent les autorités à favoriser le développement des énergies renouvelables. La consommation d’énergie biomasse représente environ 6,7% de la consommation totale d’énergie à l’échelle mondiale.

2004 : d’après le bilan énergétique mondiale de l’AIE en 2004, la biomasse représentait 10,6% de la consommation énergétique mondiale (à noter que certaines utilisations directes du bois peuvent influer sur la précision des estimations du marché du bois).

Les biocarburants de 3^e génération

Les biocarburants de troisième génération sont produits à partir de microalgues riches en lipides. Elles peuvent accumuler entre 60% et 80% de leur poids en acides gras, ce qui pourrait laisser présager une production annuelle d'une trentaine de tonnes d'huile par hectare. A titre de comparaison, le rendement du colza est 30 fois inférieur.

Mais les procédés de fabrication sont encore mal maîtrisés pour en extraire l'huile. La méthode actuelle (centrifugation, séchage et solvant organique) est très gourmande en énergie.

La valorisation du miscanthus

Cette plante originaire d’Asie produit beaucoup de biomasse et est économe en intrants. La productivité exceptionnelle du miscanthus s’explique par son métabolisme photosynthétique particulier comme le maïs, la canne à sucre ou le sorgho. Il lui permet d’être plus efficace dans la captation du gaz carbonique et dans la transformation de ce gaz carbonique en matière organique. En outre, le miscanthus est une plante pérenne qui nécessite une seule phase d’implantation pour plus d’une quinzaine d’années de culture.