Biomasse (énergie)

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Unité de valorisation énergétique de la biomasse (Allemagne)

Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des bioénergies la « biomasse énergie » est la partie de la biomasse utilisée ou utilisable comme source d'énergie ; soit directement par combustion (ex : bois énergie), soit indirectement après méthanisation (biogaz) ou de nouvelles transformations chimiques (agrocarburant). La biomasse peut être toute matière organique d'origine végétale (microalgues incluses), animale, bactérienne ou fongique (champignons). La source de biomasse peut être la nature sauvage et/ou cultivée (agrocarburants, agrocombustibles[1]). Sa production et combustion ont des coûts environnementaux, mais son utilisation pour produire chaleur et électricité a l'avantage de créer ou entretenir des emplois locaux et pérennes, de l’amont (approvisionnement) à l'aval de la filière (exploitation énergétique), de ne pas être intermittente et de sécuriser le réseau électrique (selon la PPE[2]. Elle repose sur plusieurs scénarios de besoins énergétiques, et pour la 2nde période « fixera des objectifs comprenant des options haute et basse, pour tenir compte des incertitudes »[2]), et à condition de disposer de stocks suffisants, car sa production est souvent très saisonnière et dépendantes de contraintes météorologique).

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

Une définition juridique française plus restrictive est : « fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l'agriculture, y compris les substances végétales et animales issues de la terre et de la mer, de la sylviculture et des industries connexes, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers »[3].

Le domaine est subdivisé en filières (forêt-bois, agricoles, déchets, pêche, algues et aquaculture) pour certaines encouragées par diverses collectivités. Il se présente comme répondant à des enjeux et objectifs de développement durable et potentiellement l'économie circulaire ; Substituer aux énergies fossiles la biomasse-énergie contribue en effet 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). Cette énergie intéresse à nouveau les pays riches confrontés au dérèglement climatique et à la perspective d'une crise des ressources en hydrocarbures fossiles ou uranium. La filière se développe rapidement, via des formes industrielles nouvelles (ex : avec les agrocarburants et le bois énergie à usage industriel). Des risques de surexploitation de la ressource existent néanmoins.

Trois modes de valorisations coexistent : thermique, chimique et biochimique.

Avantages et inconvénients de la biomasse (bois)[modifier | modifier le code]

Avantages Inconvénients
Economique Investissement financier
Ecologique Maintenance
Développement local (filière bois-énergie) Surface importante d'implantation

Ce mode de chauffage est écologique car l'émission de CO2 lors de la combustion du bois est équivalente à celle qui serait rejetée naturellement par les arbres.

État des lieux[modifier | modifier le code]

Dans le monde[modifier | modifier le code]

La « biomasse énergie » est utilisée depuis la préhistoire (maîtrise du 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].
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].

En Europe[modifier | modifier le code]

Avec 60 % en 2013, c'est la première source d'énergie renouvelable, devant l'énergie hydraulique (17 %)[6].

En France[modifier | modifier le code]

La biomasse est aujourd'hui[Quand ?] la première source d'énergie renouvelable (54,2 % en 2014), devant l'énergie hydraulique (24,3 %)[7]. En 2009 (hors biocarburants et combustion de déchets urbains) elle a fourni environ 9.6 Mtep, essentiellement via le bois (9,1 Mtep en bois-énergie dont 6,6 Mtep en bois « domestique »), le biogaz ne comptant que pour 0,5 Mtep environ. Pour mieux organiser cette filière biomasse-énergie, en application de la Loi sur la transition énergétique du 17 août 2015 devraient être lancés en 2016 une Stratégie nationale de mobilisation de la biomasse et des Schémas régionaux Biomasse[8].

Limites et conditions de durabilité[modifier | modifier le code]

L'énergie issue de la biomasse n'est renouvelable et soutenable qu'à certaines conditions :

À ces conditions elle présente divers avantages sur le plan écologique et du développement local (ex : emplois non délocalisables pour les usages en filières locales, valorisation locale de déchets, etc.). Mais elle peut aussi être polluante (CO, CO2, fumées, goudrons) si mal utilisée ou si la biomasse utilisée est polluée par des métaux lourds, métalloïdes toxiques, radionucléides, etc. (sachant que les ressources fossiles, en particulier profondes, sont également naturellement contaminées par des métaux (mercure notamment[9]) et radionucléides, 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.

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.

Histoire[modifier | modifier le code]

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.

Depuis le XVIIIe siècle, des machines à vapeur et des aérostats sont alimentés par du bois. À la toute fin du XIXe 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, l'objectif de développement durable, puis avec Kyoto celui de lutter contre le dérèglement climatique entretiennent ou renouvellent cet intérêt. En 2015, selon la FAO, 53 % du bois coupé dans le monde l'était pour le chauffage et la cuisson. 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 paille de riz[10]. 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/ligneux 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)[10]. Cette méthode pourrait réduire les prétraitements chimiques polluants, consommateurs d'eau et générateurs d'effluents[10]. L'exportation de ces pailles prive cependant le sol agricole d'une protection naturelle et d'une source de carbone.

Constituants et mode de valorisation de la biomasse[modifier | modifier le code]

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

Biomasse lignocellulosique[modifier | modifier le code]

La biomasse lignocellulosique, cellulose et lignine, est constituée par :

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

Biomasse à glucide[modifier | modifier le code]

La biomasse à glucide, riche en substance glucidique facilement hydrolysable :

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

Biomasse oléagineuse[modifier | modifier le code]

La biomasse oléagineuse, riche en lipides :

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[modifier | modifier le code]

Sous forme de chaleur : les bioénergies[modifier | modifier le code]

Cas du bois

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

L'énergie chimique du bois est libérée par combustion sous forme de chaleur utilisée pour le chauffage ou pour produire de l'électricité. Le bois de chauffage est utilisé à large échelle. La pyrolyse et la gazéification sont plus rares. Les usines de pâte à papier fournissent une matière première pouvant produire en cogénération simultanément chaleur et électricité.

D'autres bioénergies découlent directement des déchets organiques, avec par exemple des déchets utilisés en cimenteries comme Combustibles solides de substitution (CSS) pour économiser le pétrole.

Menaces et inconvénients. Ce sont :

  • Les coûts et impacts du transport pour amener le bois là où la ressource manque,
  • Les risques de surexploitation et déforestation induites ou d'accaparement des terres pour y délocaliser une production de biocarburant pour les pays riches[11] (en Afrique, en 2010, 4,5 millions d’hectares de terres, l'équivalente du Danemark étaient en cours d'acquisition par des investisseurs étrangers pour y cultiver des agrocarburants, au détriment des cultures vivrières locales ou de la forêt[12].
  • 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. »[13].
  • Le bois étant plus émetteur d'oxydes d'azote (NOx) 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 NOx »[14].

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[15] 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[modifier | modifier le code]

Biogaz[modifier | modifier le code]

Article détaillé : 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[16], 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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Biocarburant.

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[modifier | modifier le code]

Risques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Traçabilité agroalimentaire.

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[modifier | modifier le code]

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'équivalent CO2 valait 22 euros. En 2014, elle vaut environ 5 euros.

Voir : Bilan carbone

Comparaison de filières[modifier | modifier le code]

Pour fiabiliser ces évaluations, il est souhaitable de :

Soutien à cette filière énergétique[modifier | modifier le code]

Dans le monde, de nombreux programmes soutiennent ou ont soutenu les filières biomasse énergie.

En France, un plan biocarburant soutient depuis les années 2000-2010 les agrocarburants (biodiésel + bioéthanol surtout basés sur colza, tournesol, betterave, céréales) et la filière bois (depuis Colbert). Les agrocarburant de seconde génération et biocarburant de 3e génération peinent cependant encore à décoller. voie sèche (thermochimique BTL) ou humide (éthanol)

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Premiers résultats des expérimentations sur les agrocombustibles
  2. a et b Ministère de l'environnement (2016) , Volet 1 : Synthèse de la PPE, PDF, 25 pages ; volet 2 : volet relatif à l'offre d'énergie, PDF, 83 pages et volet 3 : Stratégie de développement de la mobilité propre (PDF, 125 pages)
  3. article L211-2 du code de l'énergie, France
  4. Economie d'énergie, « La biomasse », sur www.economiedenergie.com (consulté le 30 octobre 2014).
  5. Pierre Le Hir, « La France veut développer les centrales à biomasse », dans Le Monde du 10-01-2009, [lire en ligne], mis en ligne le 09-01-2009
  6. Production primaire d'énergie renouvelable par type, Eurostat.
  7. [PDF] Bilan énergétique de la France pour 2014, page 43, sur developpement-durable.gouv.fr, juillet 2015.
  8. Projet de Décret (n° 2016-xxx relatif à la stratégie nationale de mobilisation de la biomasse et aux schémas régionaux biomasse)
  9. David Kirchgessner ; Mercury in Petroleum and Natural Gas: Estimation of Emissions From Production, Processing, and Combustion (PDF), septembre 2001 (ou résumé US EPA, Office of Research & Development | National Risk Management Research Laboratory. Voir notamment le chap. 5 (Mercury in Petroleum and Natural Gas)
  10. a, b et c Philippe Collet (2014) Biomasse ligno-cellulosique : l'Inra a développé un procédé par voie sèche ; Actu-Environnement 20 octobre 2014
  11. Cartographie et liste de compagnies impliquées dans la culture délocalisée des agrocarburants en Afrique
  12. Rapport « Afrique : Terre(s) de toutes les convoitises » ; Amis de la Terre /Friends of the Earth Europe (juillet 2010).
  13. Vidéo sous-titrée – Salon Bois énergie 2011, Besançon, sur le site www.boisenergie.tv.
  14. [PDF] « Évaluation prospective 2020-2050 de la contribution du secteur biomasse énergie aux émissions nationales de polluants atmosphériques », sur ademe.fr (consulté le 21 septembre 2015), p. 44 et 54/54.
  15. Bilan environnemental et énergétique de la culture du miscanthus en Wallonie
  16. voir l'article Ressource naturelle et l'article Ressources et consommation énergétiques mondiales

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]