La Biomasse

Index
1. Qu’appelle-t-on biomasse?
2. Potentiel énergétique de la biomasse
3. Un peu de terminologie
4. Le bois et les résidus de bois
5. Les biocarburants
6. Le biogaz

7. La production en chiffres
8. Conclusion

9. Articles connexes

1. Mais d’abord, qu’appelle-t-on biomasse? 

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(Schéma Ademe)

La biomasse, au sens général, c’est évidemment l’ensemble de la matière vivante de la biosphère; mais quand on la considère comme une source d’énergie, la définition est plus restrictive: la biomasse regroupe l’ensemble des produits organiques d’origine biologique, mais non fossiles, qui peuvent être utilisés comme source d’énergie pour produire de la chaleur, des carburants ou de l’électricité.
Cela inclut donc le bois, les résidus des industries du bois et du papier, toute une gamme de résidus organiques solides générés par les collectivités, les individus, ou l’industrie; cela inclut aussi les déchets agricoles utilisables pour produire biogaz et biocarburants de même que les productions agricoles réalisées spécifiquement pour ces applications. Cela inclut également les micro-algues pour la production de biocarburants de troisième génération.

 

L’origine de cette source d’énergie, c’est évidemment le soleil par le biais de la photosynthèse, qu’on peut résumer par la formule simplifiée suivante :

CO2 + 2H2O + 8 photons → (CHOH) + H2O + O2
( gaz carbonique + eau + 8 photons lumineux → un composé organique + oxygène),

Le monomère (CHOH) est à l’origine de l’amidon des céréales, des sucres des plantes sucrières, des huiles des plantes oléagineuses, de la cellulose du bois, etc.

 

On sait que le rendement énergétique de la biomasse par rapport au rayonnement incident du soleil est très faible, en général inférieur à 2%; ainsi  une prairie naturelle recevant 6000 MJ (mégajoules ou millions de joules) de rayonnement solaire par m2 et par an produira 6,2 kg d’herbe sèche par m2 et par an pour un potentiel énergétique de 100 MJ. Les rendements peuvent cependant monter jusqu’à 3-4 % pour des cultures du type blés ou betteraves.

En moyenne sur Terre, l’énergie solaire produit, par hectare et par an, 1t d’herbe, 4t de feuilles, 5t de bois et 2t de racines (variable suivant latitude, ensoleillement et pluviosité); la culture permet évidemment de meilleurs rendements; ainsi un champ de blé dans une terre travaillée donnera-t-il 16,7 t de matières sèches par hectare, dont 6,5 t de grains, 7,5 t de pailles et 2,7 t d’éteules (ce qui reste sur le champ).

 

2. Potentiel énergétique de la biomasse

Comme à chaque fois qu’on compare des sources d’énergie, le problème des unités se pose; avec l’ONU et l’AIE, on utilisera ici de préférence la tep (tonne équivalent pétrole), pour faciliter les comparaisons avec les autres sources d’énergie

1 tep = 41 800 MJ = 10700 kcal = 11600 kWh

Consommation mondiale d’énergie : 13,5 Gtep (13,5 milliards de tep)

Les terres émergées, soit 148 millions de km2, produisent 140 milliards de tonnes de matière organique chaque année, soit un potentiel énergétique de 61,3 Gtep; les océans, soit 326 millions de km2, produisent de leur côté 32,6 milliards de tonnes de biomasse avec un potentiel énergétique de 17,9 Gtep. Le total fait donc environ 8 fois la consommation mondiale annuelle d’énergie primaire.

Sur ce total, on prélève chaque année 2,1 Gtep pour l’alimentation (dont ¼ de céréales), 0,4 Gtep pour bois et papier, 1,3 Gtep pour l’énergie (à 80% pour le bois de feu), soit un total prélevé de 3,8 Gtep (6% du total); selon l’AIE, l’objectif à moyen terme serait de prélever 4,9 Gtep; prélever plus impliquerait une accélération de la déforestation et de l’érosion des sols.

 

Il convient toutefois de noter qu’on consomme de l’énergie pour produire et valoriser la biomasse, notamment agricole. A titre d’exemple, un champ de maïs aux USA reçoit l’équivalent de 510 tep d’énergie solaire totale par hectare; 1,26% est converti en production (6,4 tep), soit 16 t de matières sèches dont 1/3 de grains (5,1 t) et pour obtenir cela on consommera de l’énergie en tracteurs, en engrais, en semences, en irrigation et pesticides et enfin pour le séchage pour un total de 1,5 à 2 tep; de sorte que le rendement énergétique de ce maïs sera de 2,5 ± 0,4 (on appelle rendement énergétique, le rapport entre l’énergie apportée par le maïs et celle, autre que le rayonnement solaire, nécessaire pour le produire).

A titre de comparaison, on obtient un rendement énergétique de 16 pour une culture traditionnelle (riz en manuel), mais 3 pour le blé, 2,5 pour la canne à sucre et moins de 2 pour la betterave et le riz irrigué.

Rappelons que l’agriculture mondiale consomme 0,40 Gtep d’énergie fossile (machinisme 40%, irrigation 11%, engrais 31%, pesticides 18%), soit 4% de la consommation mondiale.

 

Enfin, il ne faut pas sous-estimer le problème de l’eau: la plupart de ces cultures requièrent beaucoup d’irrigation et l’eau disponible se fait de plus en plus rare. Par exemple, en France,  1 600 000 hectares de terres sont irriguées (dont maïs 44%, vergers 9%, légumes 9%, fourrage 9%), soit 6% de la surface agricole totale française (26 millions d’hectares). Pour cela on utilise 4,5 milliards de m3 d’eau, soit une moyenne de 3000 m3/ha, ce qui représente 70% de la consommation française en eau douce (et il ne s’agit là que d’une moyenne, la betterave requiert de 7 à 10 000 m3/ha/an et le maïs 20 000 m3/ha/an!).

Enfin, les nitrates des engrais qu’on retrouve dans les nappes phréatiques, ainsi que les pesticides trop abondamment utilisés sont aussi une source de préoccupations.

3. Une terminologie volontiers absconse

Quand on parle de biomasse, les termes suivants peuvent être rencontrés: incinération, combustion, gazéification, pyrolyse, fermentation; quelles différences entre ces termes?

 

Dans tous les cas, il s’agit de la transformation de la matière organique contenue dans la biomasse, mais tout dépend de la quantité d’oxygène qui va être utilisée:

  • L’incinération et la combustion se font avec suffisamment d’oxygène pour que les produits finaux soient CO2 et H2O; dans le cas de l’incinération, on fera intervenir un gros excès d’oxygène, avec les inconvénients (réels ou supposés) en matière de production de dioxines: aussi n’a-t-elle pas très bonne presse, à tort selon nous, car elle permet à la fois une réduction de volume importante et une valorisation par récupération de chaleur,
  • La gazéification se fait avec un défaut d’oxygène, on obtiendra un mélange de CO, CO2, H2 et H2O en proportions variables; c’est ce qu’on appelle aujourd’hui les biogaz, mais il n’y a pas de différence de composition avec ce qu’on appelait dans le passé gaz de houille et gaz à l’eau,
  • La pyrolyse se fait avec un fort défaut d’oxygène; on obtiendra surtout du CO et de l’hydrogène, en même temps que du charbon de bois, la quantité de gaz augmentant quand la température de pyrolyse s’accroît (on peut monter jusqu’à 800°C),
  • La fermentation peut être aérobie ou anaérobie; dans le premier cas, avec des levures ou bactéries, on obtiendra des alcools et aldéhydes qui seront à la base des biocarburants (par exemple 4 à 12 m3 d’éthanol/ha/an avec la canne à sucre); dans le deuxième cas on pourra obtenir un biogaz à base de méthane (200 à 500 m3 de gaz contenant 60 ± 10% de CH4/t de matière sèche). Typiquement, c’est ce qu’on obtiendra par fermentation de déchets organiques tels que pailles, déchets de bois, déchets alimentaires ou de cultures,
  • Enfin, on pourrait citer le compostage, les matières organiques étant transformées en engrais agricoles, mais ce n’est plus tout à fait une valorisation énergétique de la biomasse.

4. Le bois et les résidus du bois

Répartition des sources d’énergies primaires dans le monde en 2013

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Environ 1,1 Gtep de l’énergie primaire consommée dans le monde provient du bois, surtout du bois de feu, seule ressource disponible dans beaucoup de zones peu développées. Les rendements sont médiocres, 5% pour un feu ouvert, 10% pour une cheminée, 30% pour un poêle à bois mais 50 à 80% pour une chaudière moderne.

 

Peut-on produire de l’électricité avec du bois ?

Oui par au moins deux techniques :

  • soit on produit de la vapeur en brûlant le bois et cette vapeur fait tourner une turbine; le rendement est de l’ordre de 25% (Autriche, Danemark)
  • soit on gazéifie le bois et le gaz produit est utilisé comme du gaz naturel ou en mélange avec lui (Suède, USA); dans ce deuxième cas, le rendement est de l’ordre de 40% en partant d’un bois sec

 

Évidemment la question est de savoir quel est le bilan CO2 quand on brûle du bois: le CO2 décomposé par la plante lors de la photosynthèse se reforme lors de la combustion et le bilan sur l’ensemble du

Attention dans les chiffres que l’on trouve ou dans les publications, on ne fait pas toujours la distinction entre le bois brut, donc humide, et le bois sec ; or, en termes d’énergie potentielle par unité de masse, la différence peut atteindre 50%.

 

Quand on parle du bois comme source d’énergie, on donne souvent son PCI ou PCS; que veulent dire ces sigles? Il s’agit du Pouvoir Calorifique Inférieur ou Supérieur , la différence entre les deux étant la prise en compte ou non de la chaleur latente de vaporisation de l’eau (comme dans une chaudière à condensation); ainsi le PCI d’un bois humide sera-t-il de 0,2 à 0,3 tep/t alors que pour un bois sec le pouvoir calorifique avoisinera les 0,4 tep/t

cycle du bois est donc pratiquement nul, voire légèrement négatif; mais si, en brûlant du bois, on a économisé des énergies fossiles, on a alors évitéla production du CO2 correspondant; comme 2 à 3 t de bois contient autant d’énergie qu’une tonne de pétrole, en les brûlant on aura donc évité la production de 3,7 t de CO2; c’est en ce sens qu’on peut dire que l’utilisation de la biomasse participe à la réduction de l’effet de serre; mais si la biomasse remplace du nucléaire ou de l’hydroélectricité, elle ne contribuera en rien à la diminution des émissions de CO2.En France, le bois de feu correspond à 9 Mtep dont 8 en chauffage domestique et 1,2 en chauffage industriel et collectif; ajouter à cela 400.000 t de déchets de bois utilisés dans des chaufferies collectives. 300.000 appareils de chauffage au bois sont commercialisés chaque année en France.

Ainsi, l’utilisation du bois a un impact non négligeable sur les rejets en CO2 ; un exemple: 28000 ha de taillis avec un rendement de 10 t de matières sèches à l’hectare permettront d’économiser 100.000 tep. D’où le plan «Bois» de l’ADEME: économiser 0,3 Mtep en 2006 et réduire de 700.000 t  les émissions de CO2.


A noter, en contrepartie, que la combustion du bois est une source d’émissions polluantes, en particulier, si elle est réalisée en défaut d’oxygène (émissions de substances benzéniques, de microparticules cancérigènes etc.) ce qui risque d'être le cas sur les équipements simples ou anciens.

 

5. Les Biocarburants

Les bios carburants présentent un intérêt particulier lorsque l'on sait que l’activité transport représente en France, en 2015, 1/3 des émissions de CO2.

 

On produit 80 millions de tonnes d’huile végétale chaque année dans le monde; 30% est consommé comme huile alimentaire.

Un «biocarburant» est un carburant d’origine végétale; on parlera de «bioesters» et de «bioéthanols».

Deux types de culture peuvent en être à l’origine:

  • les oléagineux (en France colza et tournesol) dont on extrait l’huile et par ajout d’alcool méthylique, on synthétise un ester (l’EMHV ester méthylique d’huile végétale) qu’on utilise dans les moteurs diesel (mais aussi pour le fuel de chauffage) à raison de 5%, sauf cas particuliers (30% dans certains bus); on génère cependant des sous-produits, les tourteaux (résidus après extraction de l’huile) et de la glycérine lors de la fabrication de l’ester,

  • les cultures sucrières (betterave, canne à sucre, etc.) qui permettent de produire un bioéthanol utilisé soit à 85% dans l’essence (comme au Brésil qui a adapté une partie de son parc automobile – 4,5 millions de véhicules, soit une voiture sur cinq -, car il faut un moteur spécifique), soit en conservant les moteurs actuels mais en limitant son addition à 5% en volume; ou encore on peut le mélanger à l’isobutylène pour produire un éther (ETBE ou MTBE) utilisé comme additif à l’essence sans plomb et alors on peut monter à 15% sa proportion dans l’essence, toujours en conservant les moteurs actuels.

Si on part de céréales au lieu de sucres, il faut d’abord hydrolyser l’amidon pour obtenir un sucre; dans tous les cas, on génère des sous-produits.

Selon la DGEMP, 1t de sucre donne 0,51t d’éthanol (+ 0,49t de CO2) et 1t d’huile + 0,1t de méthanol donne 1t d’EMHV + 0,1t de glycérine.

 

La production de biocarburants : trois générations de technologie.

 

La première génération utilise des matières premières agricoles : plantes riches en sucre (betterave, canne à sucre) ou en amidon (blé, maïs …) pour produire de l’éthanol qui transformé en ETBE (ethyl tertio butyl ether) peut être mélangé avec l’essence (SP95, SP98, SP98-E10, E85) ou des plantes riches en huiles (colza, tournesol, palme, arachide, soja …) qui peuvent être transformées en un biodiesel qui sera mélangé avec le diesel classique jusqu’à un taux de 5 % maximum.
C’est actuellement la principale source de biocarburants dans le monde mais elle est justement critiquée car elle entre en concurrence avec d’autres usages comme l’alimentation et l’industrie.

 

La deuxième génération n’a pas cet inconvénient puisque elle utilise des résidus forestiers et agricoles  cellulosiques : bois,  branches, feuilles, tiges, tiges de maïs, boues de stations d’épuration etc. qui sont aussi convertis en éthanol ou en biodiesel par voies biochimique ou thermochimique. Ces procédés sont encore en phase études (INRA, IFP Energies nouvelles …).

 

La troisième génération, en cours de R&D, en particulier au CEA, n’a besoin que d’eau, de CO2 et de lumière. Elle utilise des microorganismes sélectionnées : microalgues, cyanobactéries, cultivés dans des réacteurs, et produisant par photosynthèse des molécules à potentiel énergétique comme l’éthanol des lipides etc.

Pour plus d'informations sur la production des biocarburants voir ici

 

Quels sont les bilans de ces opérations?

 

a) Bilan énergétique: le rendement énergétique des biocarburants (énergie restituée par rapport à l’énergie non renouvelable mobilisée) est, selon la DGEMP, de 2 pour l’éthanol de blé ou de betterave, 1 pour l’ETBE et 3 pour l’EMHV. Mais ces bilans restent controversés.

Tout cela est un peu compliqué, en particulier parce que les PCI des différents carburants ne sont pas identiques (c’est à dire que les consommations en litres aux 100 km ne sont pas les mêmes): 42,9 MJ/kg pour le super sans plomb, 42,8 pour le gazole mais seulement 26,8 MJ/kg pour l’éthanol, 35,89 pour l’ETBE et 37,4 pour l’EMHV.

 

b) Bilan CO2: toujours selon la DGEMP, on évite 2,7 t de CO2/t de bioéthanol et 2,5 t de CO2/t de bioester; mais cela dépend évidemment du type d’énergie utilisée pour la production et le traitement du produit de départ.

 

c) Bilan financier: aujourd’hui, les biocarburants reviennent plus chers à produire que l’essence ou le gazole (environ 0,5€ ± 0,10€ de plus par litre), mais la différence pourrait devenir minime si le prix du fuel continue d’augmenter; selon l’ADEME, on espère gagner 0,15 €/l en optimisant le processus (notamment choix des plantes) et on chiffre à 0,15 €/l les externalités positives, telle que la diminution des rejets en CO2. Rappelons que les biocarburants sont défiscalisés en France à raison de 33 €/hl pour le bioéthanol et 25 €/hl pour le bioester.

 

d) Autre aspect: il reste la question suivante, c’est de savoir jusqu’où on peut aller avec les biocarburants au delà d’une part, somme toute modeste, de la consommation totale en carburants d’un pays comme la France; on trouvera d’intéressants développements sur ce sujet sur le site www. Manicore. com, avec de nombreux calculs sur les surfaces et énergies nécessaires si l’on voulait faire des biocarburants le carburant de base des transports mondiaux.
La conclusion est sans équivoque : si on utilisait toutes les terres arables du monde pour produire des biocarburants, on arriverait à peine à satisfaire 40% des transports mondiaux.

C’est ce que résume la formule lapidaire mais frappante: «rouler ou manger».

6. Le Biogaz

Issu de la gazéification, de la pyrolyse ou de certaines formes de fermentation, le biogaz a l’avantage de pouvoir être produit à partir de déchets divers, participant ainsi à leur valorisation; ainsi du biogaz peut-il être produit à partir de déchets ménagers, comme aux usines de Bouqueval, du Plessis-Gassot ou de Fresnes-sur-Marne en région parisienne; il peut aussi être produit à partir de pailles et déchets agricoles divers; enfin c’est un sous-produit de la fabrication du charbon de bois.

 

Le biogaz est en général un mélange gazeux dans lequel on trouve du CO, du CO2, de l’hydrogène, de la vapeur d’eau et du méthane, en proportions très variables, selon le produit de départ et la technique utilisée; bien souvent des composés azotés seront également présents en faible quantité, dont le redoutable N2O (300 fois plus nocif que le CO2 vis à vis de l’effet de serre); le PCI faible, à peine la moitié de celui du gaz naturel, fait qu’il ne peut qu’être mélangé en faibles proportions à ce dernier. Il n’y a pas d’autres applications, si on excepte des chaufferies collectives, associées à un réseau de collecte séparée de déchets organiques.

La production française, très morcelée mais c’est inhérent aux produits de départ, représente moins de 1% de la consommation en gaz naturel; le potentiel reste faible et les prix de revient ne sont pas compétitifs, même avec un gaz naturel encore plus cher qu’il ne l’est actuellement.

Dans l’état actuel des techniques de production de biogaz, on ne voit pas comment le biogaz pourrait contribuer de manière significative au mix énergétique d’un pays comme la France.

La production en Chiffres

Bilan de la production d’énergie de la biomasse et de la production de biocarburants en 2012:

 

  Biomasse (1) en Mtep  Biodiesel (2)  en milliards de litres Bioéthanol (3) en milliards de litres
Monde 1900 25 100
UE 28 200 10,4 6,6
France 13 1,8 0,9

 

(1)    Soit 10 % de la consommation mondiale d’énergie et la plus importante énergie renouvelable loin devant l’hydraulique à 300 Mtep
(2)    1 tonne de biodiesel est équivalente à 0,876 tonne d’équivalent pétrole (tep)
(3)    1 tonne de bioéthanol est équivalente à 0,638 tonne de tep.

 

8. Conclusion

La biomasse n’est certainement pas, à elle seule, l’énergie du futur; cela ne veut pas dire qu’il faut mépriser ce qu’elle peut apporter en termes d’économie d’énergies fossiles importées et de lutte contre l’augmentation de l’effet de serre. On peut sans doute estimer à un bon 10% son potentiel de participation au mix énergétique français, en particulier grâce aux biocarburants.

Rappel: sur une consommation totale d’énergie primaire de 260 Mtep, la France consomme 50 Mtep de produits pétroliers pour ses transports

Aller au-delà nécessiterait de mettre au point des cultures beaucoup plus énergétiques que celles utilisées actuellement. En 1951 un romancier anglais de science-fiction, John Wyndham, publiait «The Day of the Triffids», le triffid étant une plante oléagineuse 10 fois plus énergétique que le maïs, bien qu’elle présentât des inconvénients qui se révèleront désastreux pour l’humanité. Mais ceci est une autre histoire...

 

On peut dresser le tableau des avantages et inconvénients suivant:

 

Avantages Inconvénients
Diminuer la consommation des combustibles fossiles Concurrences avec les produits alimentaires : augmentation des couts et risque de famines
Diminuer ou stabiliser, sous certaines conditions, les émissions de CO2 Risque de consommer des ressources plus vite qu'elles ne poussent
 Production en partie locale : favorable à la balance commerciale, à l’indépendance énergétique Risque de pollution de l’air si les opérations de combustion sont mal maîtrisées
  Risque d’utilisation massive de pesticides d’OGM, et d’engrais (diminution de l'humus de décomposition des végétaux)
  Couts de production élevés (subventions encore  nécessaires).

 

9. Articles connexes

Sur ce site:

  • article " Production des biocarburants" ici
  • Nucléaire et Energie N° 64  p 18 une réflexion sur la biomasse et son réel impact sur le bilan CO2 en tant que source d'énergie, ainsi que sur une manière de la concevoir plus efficacement comme puits de carbone plutôt que comme source d'énergie."

 

Sites consultés :

ONU, AIE, FAO, pour les sites internationaux;
Ministère de l’Agriculture, DGEMP, ADEME, CNRS, IFP, Manicore, pour la France.