Ressources Energétique Biomasse [PDF]

Zitiervorschau

Biomasse & Biocarburants

Qu’est ce que La Biomasse? ► Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des bioénergies, le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale naturelle ou cultivée, terrestre ou marine (ex: algues), provenant de la conversion chlorophyllienne de l'énergie solaire, pouvant devenir source d'énergie par:

► combustion (ex : bois énergie), ► après méthanisation (biogaz), ► ou après de nouvelles transformations chimiques (agrocarburant)

► La biomasse produit trois types de ressources : forestière, agricole et aquatique. ► Elle est principalement composée de lignine (C40H44O6) (25 %), et de carbohydrates Cn(H2O)m (cellulose C6H10O5 et hemicellulose) (75 %).

► 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,

► compétition excessive d'usages des ressources, ► d'impacts excessifs sur la biodiversité, etc.

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

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).

Différents modes de conversion L'utilisation énergétique de la biomasse peut se faire selon trois grandes catégories de procédés :

1. la conversion biochimique : digestion, hydrolyse et fermentation ; 2. la conversion chimique (estérification) ;

3. la conversion thermochimique : combustion, co-combustion, pyrolyse et gazéification.

La conversion biochimique comprend deux principaux modes : la digestion anaérobie et la digestion aérobie.

Les filières biochimiques utilisent les produits humides. Elles mettent en jeu des processus micro-biologiques qui ont pour effet de dégrader la matière végétale : la fermentation méthanique produit du biogaz, mélange de gaz carbonique (30-35 %)

et de méthane (50-65 %), combustible de bonne qualité. Les réactions prennent place à des températures comprises entre 20 et 70 °C ; la fermentation alcoolique permet de transformer les glucides des végétaux en éthanol ; la fermentation acétono-butylique permet, sous l'action de certaines bactéries, de produire un mélange de butanol, d'acétone et d'éthanol.

Méthanisation

Ne doit pas être confondue avec la méthanation

Méthanisation de la biomasse déchets végétaux, OM, boues, lisiers) dans un digesteur : Fermentation anaérobie des matières organiques pendant 1 à 3 semaines

épuration

55 à 80 % de méthane 20 à 45 % de CO2

électricité

méthane

réseau

GNV Vaporeformage

CH4 + H2O = CO + 3 H2

2n  1 H

2

 n CO  Cn H 2 n2  n H 2O

La conversion thermochimique se subdivise en combustion et co-combustion (en excès d'air), gazéification (en défaut d'air) et pyrolyse (en l'absence d'air). Les filières thermochimiques sont adaptées aux matériaux secs comme le bois et la paille.

 La combustion (T ~ 1 900°C) est le mode de conversion le plus ancien et sans doute le plus employé, tant pour les utilisations domestiques qu'industrielles. Son rendement est bon dans la mesure où le combustible est riche en glucides structurés (cellulose et lignine), et surtout suffisamment sec (humidité inférieure à 35 %). Le rapport C/N se définit comme le rapport des quantités de carbone et d'azote contenus dans la biomasse. Il varie de 10 à 100 environ.

 La co-combustion consiste à brûler simultanément un combustible fossile, généralement du charbon, et une biomasse (jusqu'à 15 %), afin de réduire, dans une chaudière existante, la quantité de combustible initial.

 La pyrolyse permet de convertir une biomasse relativement sèche (humidité inférieure à 10 %) et de rapport C/N supérieur à 30, en divers combustibles à haut PCI, stockables, sous forme gazeuse, liquide et solide (le charbon de bois). Elle se déroule à des températures comprises entre 400 et 800 °C.

 La gazéification de la biomasse (T ~ 800°C - 1 000°C) est obtenue en réalisant une combustion en défaut d'air comportant schématiquement deux grandes étapes :

• Une pyrolyse produisant des phases gazeuse, liquide et solide, suivie de la gazéification proprement dite de ces deux dernières phases.

• Elle produit un gaz dit "pauvre", du fait de son faible pouvoir calorifique (1 kWh/m3 contre 10 kWh/m3 pour du méthane).

• En remplaçant l'air par de l'oxygène, on obtient un gaz de synthèse (CO + H2) utilisable pour la fabrication du méthanol.

Dans un gazéifieur, le combustible commence par être séché, puis il est pyrolysé, ces deux étapes étant endothermiques. Les produits gazeux sont ensuite brûlés à haute température, dégageant de la chaleur dont une partie est utilisée par les deux étapes précédentes.

Les gaz brûlés sont alors remis en contact avec la phase solide issue de la pyrolyse et avec l'eau

La gazéification

provenant du séchage, ce qui suscite une réaction de réduction qui conduit à la formation d'un gaz de synthèse riche en CO et H2, dont le PCI est voisin de 70 à 75 % de celui de la biomasse d'origine.

Chaleur, électricité

Biomasse

Prétraitement

Gazéification

Posttraitement

Moteur turbine à gaz cycle combiné

Synthèse Carburant liquide (Diesel Fischer-Tropsch, méthanol) Carburant gazeux (SNG) Carburant gazeux (H2PAC)

Plusieurs procédés de gazéification existent :

 les systèmes à lit fixe, qui se décomposent en deux principales technologies, les gazéifieurs à co-courant (downdraft), et ceux à contre-courant (updraft) ;

 les systèmes à lit fluidisé, qui comportent trois catégories fonction de la vitesse de fluidisation, les lits fluidisés denses circulants et entraînés.

Les premiers correspondent à des installations de taille petite ou moyenne, et les seconds aux grandes.

Valorisation de la biomasse Sous forme de chaleur : les bioénergies Cas du bois

 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.  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.

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 « 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 ».

 Les problèmes de pollution atmosphérique induits par la combustion mal maîtrisée

du bois,  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.

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 ( GES) et sa captation est de toute

façon hautement souhaitable.  Il peut être considéré comme une ressource énergétique, 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 %.

Valorisation de la biomasse 

Les ressources biomasse peuvent être classées en plusieurs catégories selon leurs origines.



Nous retrouvons des gisements issus

de la filière bois (bois bûche, plaquettes forestières, granulés de bois) 

des gisements issus de la filière

agricole 

de l’industrie (Co produits de récoltes, cultures énergétiques,…).

Sous forme de carburant : les biocarburants 

Les biocarburants sont issus de la biomasse, énergie emmagasinée dans la matière

organique sous forme de sucres, d’huile ou d’amidon. Fabriqués à partir de végétaux, 

Ils sont mélangés à des carburants standard, puis distribués dans les stations-service.



On surveille soigneusement les émissions de gaz à effet de serre et la consommation

énergétique liées à leur production. 

En effet, les quantités d’énergie mobilisées ne doivent pas dépasser celles qui seront finalement fournies par ces carburants sous peine de rendre leur fabrication inutile.

Quels sont les différents types de carburants "verts" ? 

Les biocarburants actuels sont produits à partir de plantes agricoles sélectionnées pour

leur haute valeur énergétique (colza, tournesol, betterave, canne à sucre, etc.). 

Par rapport à d’autres végétaux, la combustion de ces plantes sous forme de carburant dégage des quantités d’énergie importantes.

Vue en gros plan d'une fleur de colza. Le gazole peut contenir jusqu'à 5 % d'ester d'huile végétale, un dérivé de colza ou de tournesol (novembre 1999). © Total / Dufour Marco

Il existe actuellement deux filières principales : 

filière huile et dérivés, comme l'huile végétale carburant, le biodiesel (ou biogazole) ;



filière alcool comme le bioéthanol, à partir de sucres, d'amidon, de cellulose ou de lignine hydrolysées.

Les biodiesels remplacent en partie le gazole qui fait fonctionner les moteurs diesel. 

Ils sont issus de plantes oléagineuses (riches en huile) comme le colza, le tournesol ou l’huile de palme.



À partir de ces plantes, on produit une huile végétale pure qui ne peut être utilisée directement dans les moteurs diesel : trop visqueuse, elle pourrait les endommager.



Cette huile s’auto-enflamme difficilement. Elle n’est donc pas compatible avec les véhicules diesel



On mélange cette huile végétale avec du méthanol (alcool) : il en résulte une réaction chimique qui produit de l’EMHV (ester méthylique d’huile végétale), également appelé Diester.



Le Diester, qui s’auto-enflamme aisément, est ensuite mélangé au gazole dans des proportions variables représentant jusqu’à 30 % du carburant final. Ainsi, on peut l’utiliser dans plusieurs types de moteur diesel.

En Allemagne, en Autriche et en Suède, on a mis au point des moteurs spécifiques fonctionnant grâce à ce type de carburant.

Les bioéthanols se substituent à l’essence. ► Ils sont issus de plantes riches en sucre (betterave, canne à sucre) ou en amidon (blé, maïs, pomme de terre). ► Par fermentation de ces plantes, on obtient de l’alcool éthanol qu’on ne peut pas utiliser pur

dans les moteurs standard. ► Actuellement, on le mélange à de l’isobutène (produit pétrolier fabriqué en raffinerie) pour obtenir de l’ETBE (Ethyltertiobutyléther). ► l’ETBE est très bien toléré par les moteurs standard lorsqu’il est incorporé à l’essence jusqu’à un taux de 15 %.

Les Générations des Biocarburants 

On distingue aussi les biocarburants de première, seconde et troisième génération.



La distinction entre un biocarburant de première génération et un biocarburant de seconde génération devrait cependant s'affiner avec le temps: 

Parmi ces définitions, on compte celles qui distinguent les carburants issus de produits alimentaires des carburants issus de source ligno-cellulosique (bois, feuilles, paille, etc.).



Une autre définition repose sur les moyens utilisés pour produire le carburant avec des processus techniques relativement simples ou à partir de techniques avancées.



Une troisième définition distingue les cultures agricoles à vocation générique ou strictement énergétique.

Les biocarburants

1ere génération

…Les agrocarburants

Aujourd’hui : réalité industrielle Incroporation dans : Essence (éthanol jusqu’à 7%, ETBE jusqu’à 15%), SP95-E10 Biodiesel : incorporation de diester jusqu’à 7% dans le gazole, Huiles végétales pures

Filières de première génération Pour utiliser ces carburants dans les moteurs, deux approches sont possibles : 

Soit on cherche à adapter l'agrocarburant (par transformation chimique pour obtenir du biodiesel par exemple) aux moteurs actuels, conçus pour fonctionner avec des dérivés du pétrole ; c’est la stratégie actuellement dominante mais elle n’a pas le meilleur bilan

énergétique ni environnemental. 

Soit on cherche à adapter le moteur au biocarburant naturel, non transformé chimiquement. Plusieurs sociétés se sont spécialisées dans ces adaptations. La substitution peut être totale

ou partielle. Le moteur Elsbett fonctionne par exemple entièrement à l’huile végétale pure. Cette stratégie permet une production locale et plus décentralisée des carburants, mais nécessite la construction d'une filière entièrement nouvelle.

Les biocarburants

1ere génération Usine de production de diester du Meriot, Aube (Prolea)

Usine d’éthanol de ble Roquette a Beinheim, Alsace

Filières de seconde génération La recherche est orientée vers les biocarburants de 2e génération : 

il s’agit de parvenir à la valorisation de l’intégralité de la plante et à

l’utilisation d’autres plantes que celles utilisées pour l’instant. 

La mobilisation de la lignocellulose, tissu de structure des arbres, doit en particulier permettre de produire des biocarburants à partir de co-produits de l’industrie du bois ou de cultures dédiées, comme les taillis à courte rotation.



Ces biocarburants sont attendus sur le marché à l’horizon 2020.

Les biocarburants

2eme génération

Aujourd’hui : stade de développement de pilotes Il reste quelques points techniques à résoudre Intégration énergétique : réduire les coûts de production 3 T paille ou bois =1 Tonne de pétrole

biomasse non alimentaire+ biomasse agricole nonspécifique : paille, son, déchets industrie viticole +sous-produits et résidus de l’industrie papetière+huiles végétales usées

Application dans l'aviation 

Des biocarburants de deuxième génération sont développés pour se substituer, au moins

partiellement, au kérosène. 

Un premier vol d'essais a eu lieu le 30 décembre 2008 sur un Boeing 747-400 d'Air New Zealand dont un des réacteurs RB 211 a été alimenté avec 50 % de Jet-A1 et 50 % de carburant à base de

Jatropha curcas. 

Il a été suivi d'un autre le 7 janvier 2009 sur un Boeing 737-800 de Continental Airlines dont un des moteurs CFM56-7B a été alimenté par un mélange de moitié de kérosène traditionnel et pour

moitié d'huiles de jatropha et d'algues. 

À chaque fois, les mélanges se sont comportés sans altérer le fonctionnement des moteurs, sinon une légère baisse de consommation de 1 à 2 %.

Filières de troisième génération 

Des travaux de recherche concernent également le développement de carburants à partir d’algues ou de microorganisme, probablement, à partir des cultures de microalgues,



Recherche des biocarburants pourront être produits avec les meilleurs rendements, rendant ainsi envisageable une production de masse (par exemple pour l'aviation), sans déforestation massive ni concurrence avec les cultures alimentaires.



D'un point de vue théorique, ils sont 30 à 100 fois plus efficaces que les oléagineux terrestres d'après certains auteurs (10 à 20 fois plus qu'avec le colza ou le tournesol selon le CEA de Cadarache-France),

Les biocarburants

3eme génération

Aujourd’hui : Semble très prometteur Etudes de laboratoire (biologie, génie chimique) Evaluations technico-économiques

La troisième génération de biocarburant n’est encore qu’au stade de la définition. Une des principale piste de recherche est la production d’hydrogène par des micro-organismes. Sous l’effet de la lumière et d’autres contraintes chimiques, certains micro-organismes peuvent produire de l’hydrogène.

Les biocarburants

3ème génération

20 millions de barils de Blue Petroleum BFS par jour réduiraient de 20% les émissions de CO2

Bilan et analyses Quelques Chiffres clefs en 2005:

►Production mondiale d'EMHV (biodiesel, « Diester ») en 2005 ~ 4 millions de tonnes (Allemagne : 45 % de la production mondiale - France : 15 % - Italie : 11 % USA : 7 %)

►Production mondiale de bioéthanol en 2005 : 36 millions de tonnes dont 75 % utilisés pour la carburation (37 % de la production mondiale : Amérique du Sud 36 % : Amérique du Nord et Amérique centrale - Asie : 15 % - Europe : 10 %)

►Consommation mondiale de pétrole dans les transports en 2005 : 2 milliards de tonnes (60 % de la consommation totale).

Chiffres clés pour l'année 2008 :

►En 2008, les biocarburants mélangés aux produits pétroliers classiques ont représenté 5,71 % de l'ensemble des carburants vendus en France.

►Ceci correspond pratiquement à l'objectif français visé pour 2008, soit 5,75 % d'incorporation. Source : Les Echos.

►En Europe, les agrocarburants consommés ont représenté l'équivalent de 10 millions de tonnes équivalent pétrole (Mtep).

►Biodiesel et bioéthanol ont ainsi représenté 3,3 % du contenu énergétique des carburants consommés en Europe pour les transports routiers. Source : actuenvironnement.com et rapport EurObserv'ER 2008.

Bilan environnemental

►En Europe, depuis juillet 2011 à travers la Directive sur les Energies Renouvelables transposée en droit français, les biocarburants pour être certifiés durables devront répondre à des « normes de durabilité » contrôlées, soit par les États membres, soit dans le cadre de mécanismes volontaires soumis à l’approbation de la Commission européenne,

Le bilan environnemental des biocarburants comporte généralement trois aspects principaux :

► le bilan d'économie réelles d'énergie fossile et de réduction des gaz à effet de serre (GES), ces En Europe, pour être dit durable, « les émissions de gaz à effet de serre sur l'ensemble de la chaîne de production doivent être inférieures d'au moins 35 % à celles de la chaîne de production des combustibles fossiles. Ce seuil sera relevé progressivement

► les impacts environnementaux des cultures (eau, sol, déforestation, destruction d'habitats dont tourbières et zones humides, végétaux non indigènes, biodiversité...) ;

► la pollution due aux moteurs lors du remplacement de carburant pétrolier par un biocarburant.

Évaluer la performance de ces filières

► Pour évaluer leurs performances environnementales qui conditionnent leur viabilité, les différentes filières de production de biocarburants doivent être étudiées de façon globale : c'est-à-dire en intégrant l'ensemble des étapes qui les constituent .

► C'est l'objet des analyses de cycle de vie (ACV), ► Ces méthodes sont devenues une référence et sont notamment utilisées dans la définition des politiques européennes et américaines sur la durabilité des filières énergies renouvelables.

► Jusqu'alors souvent limitées à l'évaluation des bilans de gaz à effet de serre, ces évaluations font aujourd'hui l'objet de développements pour élargir l'analyse à d'autres impacts environnementaux (liés à la ressource en eau, aux émissions d'autres polluants, etc.).

Le développement des ACV conséquentielles ► Une ACV “classique” est un bilan environnemental, à l'instant “t”, d'un procédé ou d'une technologie. À elle seule, elle ne permet pas de prédire l'incidence que pourrait avoir, sur un

secteur entier, l'implantation d'une nouvelle filière.

► Des recherches sont menées, pour essayer de coupler les ACV classiques avec des scénarios économiques et énergétiques réalistes.

► Cette approche repose sur des modèles de prospective des systèmes énergétiques, ► L'objectif ultime est de fournir aux décideurs l'information la plus exhaustive possible.

Les bio-technologies Les biotechnologies blanches regroupent les applications industrielles, par l’emploi de systèmes biologiques comme alternative aux procédés chimiques classiques. Les premières utilisations sont dans les secteurs des polymères, des carburants, des dissolvants, de la construction, du textile, et de tous les produits à dominante chimique. Les biotechnologies jaunes rassemblent toutes les biotechnologies se rapportant à la protection de l’environnement et au traitement ou à l’élimination des pollutions.

Les biotechnologies rouges touchent le domaine de la santé, en particulier l’industrie pharmaceutique dont une grande partie de la recherche actuelle repose sur les biotechnologies

Les biotechnologies bleues développent des produits en liaison avec la biodiversité marine : santé, cosmétique, aquaculture, agro-alimentaire.

Les biotechnologies vertes concernent l’agroalimentaire et regroupent une série de technologies utilisant l’organisme des plantes et leurs cellules pour produire et transformer des produits alimentaires, des biomatériaux et de l’énergie.

La biomasse s’inscrit dans une démarche de développement durable, elle concilie les trois piliers qui sont l’économique, le social et l’environnemental.