La valorisation de la biomasse

Contexte énergétique mondial et européen

Ces dernières années, le marché de l’énergie est soumis à de fortes tensions. Celles-ci sont dues pour partie à l’épuisement des ressources fossiles, mais également à l’accroissement constant de la consommation énergétique. Ceci occasionne une forte hausse des prix du pétrole, du gaz et dans une moindre mesure du charbon [1]. D’autre part, l’aspect écologique a récemment pris une place importante dans les politiques internationales. En effet, les rapports successifs du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) tendent à prouver les causes anthropiques du réchauffement climatique. La version de 2014 a notamment permis de prouver que ce réchauffement est dû à l’activité humaine avec au moins 95 % de certitude. Les conséquences de ce phénomène restent encore difficiles à quantifier mais il ne fait désormais plus de doute qu’il aura des retombées sur le climat, les écosystèmes et la santé. Les rassemblements internationaux, notamment de la Convention Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques (CCNUCC), ont permis de définir les axes que doivent suivre les politiques climatiques. L’objectif principal de ces politiques est la réduction des émissions de gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O, HFC, PFC et SF6). Le premier objectif concret a été instauré lors du protocole de Kyoto, entré en vigueur en 2005. Les 40 pays signataires les plus industrialisés s’y engageaient à réduire leurs émissions d’au moins 5 % sur la période 2008-2012 par rapport à 1990. A l’échelle européenne, de nouveaux objectifs ont été fixés en 2007. Ces objectifs, nommés les « 3×20 », sont composés de trois volets à atteindre à l’horizon 2020 [2]:  Augmenter à 20 % la part des énergies renouvelables dans la consommation totale d’énergie,  Améliorer de 20 % l’efficacité énergétique,  Réduire de 20 % les émissions de gaz à effet de serre (GES) par rapport à 1990. L’objectif final de ces mesures est principalement de limiter à 2 °C la hausse des températures à la surface du globe.

La biomasse énergie

Le terme « biomasse énergie » inclut de nombreux types de biomasses et plusieurs voies de valorisation. La compréhension du contexte de cette étude nécessite donc d’expliciter ces termes et d’en décrire les différentes composantes.

Les différents types de biomasse

La biomasse désigne classiquement tous les matériaux d’origine organique. Historiquement, le bois bûche est la première biomasse utilisée pour ses qualités énergétiques. Pour des raisons économiques, les utilisateurs de biomasse à l’échelle industrielle se sont rapidement tournés vers les coproduits des différentes opérations de transformation du bois. Ces sous-produits comprennent les menus bois obtenus lors de l’abattage des arbres en forêt mais également les bois d’éclaircie et les bois de qualité non adaptée à la valorisation en scierie. Viennent ensuite les coproduits de scierie (sous forme de plaquettes ou de sciures) et les produits bois en fin de vie, traités ou non (palettes, panneaux, bois de charpente…). Pour l’achat de ces biomasses, la filière bois énergie est en concurrence avec les industries de la trituration (industrie papetière et industrie des panneaux) [3]. Il est donc nécessaire de trouver de nouvelles sources d’approvisionnement. C’est pourquoi les énergéticiens se tournent désormais de plus en plus vers les résidus agricoles (paille, balles, coquilles…) mais également vers les cultures dédiées à l’usage énergétique (taillis à courte ou très courte rotation). Malgré cette diversification des matières premières, le bois reste la biomasse de référence. Les volumes mobilisables sont en effet très importants et, au vu de l’accroissement forestier, une exploitation durable semble encore compatible avec une augmentation de la consommation .

Les filières de valorisation thermochimique

 La Figure 3 présente les principales voies de valorisation thermochimique de la biomasse.Actuellement, les filières les plus représentées industriellement sont celles de la combustion et de la cocombustion (combustion simultanée de biomasse et de charbon) car ces procédés sont maîtrisés et exploités depuis plusieurs années déjà [5,6]. Ils permettent la production de chaleur et/ou d’électricité. Les autres filières de valorisation sont principalement la pyrolyse et la gazéification [7]. La pyrolyse est un procédé thermique mené classiquement à des températures comprises entre 500 et 1000 °C sous atmosphère inerte. Lors de la montée en température, la biomasse subit tout d’abord une phase de séchage puis une phase de réaction thermochimique qui mène au dégagement de matières volatiles. Ces matières volatiles sont composées de gaz condensables (huiles) et incondensables et le résidu solide est un charbon. Ces trois fractions sont ensuite valorisables énergétiquement ou chimiquement. Les proportions de ces différentes phases sont principalement contrôlées par la vitesse de chauffe et la température de traitement [7]:Une pyrolyse dite « rapide » à 500 °C mène principalement à la production d’huile alors qu’à 1000 °C les gaz incondensables sont favorisés.  Une pyrolyse dite « lente » favorise la production de charbon quelle que soit la température. Enfin, la gazéification est également un traitement thermique à des températures supérieures à 900 °C sous atmosphère légèrement oxydante (CO2, H2O, O2 ou air sous stoechiométrique). Dans un gazéifieur, la biomasse subit donc successivement une étape de séchage puis une étape de pyrolyse. Le charbon de bois obtenu (ainsi que les gaz de pyrolyse) réagissent ensuite par des réactions de gazéification pour produire des gaz combustibles (principalement CO, H2, CH4) mais également incombustibles (CO2). Les gaz combustibles ainsi produits peuvent alors être valorisés par combustion, en chaudière ou en moteur, pour produire de la chaleur et/ou de l’électricité. Une autre voie de valorisation pour ces gaz est la production de bio-carburants (bio-diesel, DME, méthanol) en passant par une étape de synthèse chimique [8]. 

Nécessité d’un prétraitement

Dans le cas de la filière de combustion directe, une étape de prétraitement s’avère nécessaire lorsque la biomasse doit être transportée sur de longues distances. En effet, étant donné la faible densité énergétique apparente des plaquettes de bois (2,2 à 4 GJ/m3 ) [9], la densification de cette biomasse peut permettre de limiter considérablement les coûts de transport et de manutention [10]. Le prétraitement classiquement retenu est la pelletisation qui permet d’obtenir une densité énergétique de 7,8 à 10,5 GJ/m3 [9]. Cependant, la pelletisation nécessite de broyer la biomasse a une granulométrie de quelques millimètres maximum [11,12], ce qui représente un coût énergétique important (20 à 80 kWe/MWth suivant la biomasse et la granulométrie du broyat, d’après [13]). Les autres filières (cocombustion et gazéification notamment) nécessitent généralement l’injection de la biomasse sous forme pulvérulente. Une étape de broyage fin est donc également indispensable [14]. Les coûts induits par ces étapes de broyage justifient donc la recherche d’un prétraitement capable de fragiliser le matériau. C’est le cas de la torréfaction qui est à ce jour l’une des voies les plus prometteuses pour s’intégrer efficacement dans les chaines de production d’énergie à partir de biomasse.