Les granulés de bois comme combustible

La conception d’un micro-cogénérateur aux granulés de bois passe par la connaissance du combustible, les granulés de bois. Le matériau qui compose le combustible est le bois et la mise en forme du combustible est le granulé. Une première partie est donc consacrée au matériau bois, sa ressource, son anatomie, sa composition chimique, et enfin ses propriétés pour la production d’énergie. La deuxième partie est consacrée aux granulés de bois en présentant ses avantages et inconvénients face aux différents combustibles bois, la production de granulés en France et enfin une rapide présentation d’un procédé de fabrication.

Le matériau bois

Le bois est utilisé comme combustible de façon ancestrale. Ce fut d’ailleurs le principal combustible utilisé en industrie avant l’avènement du charbon et des autres combustibles fossiles. Le bois est la première énergie renouvelable en France, elle représente 39.8% de la production primaire d’énergies renouvelables et plus de 75% de la production primaire de chaleur d’origine renouvelable [2]. 1.1.1. Ressource liée à la production d’énergie en France Cette partie a pour objectif de présenter la ressource disponible en bois à destination du secteur énergétique en France. Le bois comme source d’énergie fait débat et les principales questions posées portent sur le risque de déforestation pour la production d’énergie ainsi que sur les tensions qui existent entre le secteur de l’énergie et celui de l’industrie, notamment du panneau de particules et de la pâte à papier qui utilise le même type de ressource. Il est donc important de présenter l’état des lieux de la forêt française afin de montrer la ressource disponible. Le bois à destination de l’énergie provient majoritairement des résidus de la sylviculture, à moindre importance de la filière de transformation (plaquettes forestières, sciures et plaquettes de scierie, etc…) et de plus en plus de produits en fin de vie. 

Etat des lieux de la forêt française 

Selon l’organisation des nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (Food and Agriculture Organisation of the United Nations : FAO) une forêt est « un couvert arboré de plus de 10% sur au moins un demi-hectare. L’arbre étant défini comme une plante pérenne avec une seule tige (ou plusieurs si elle est recépée) atteignant au moins cinq mètres à maturité. » La forêt recouvre 31% de la surface du territoire français avec, en 2015, 17M ha. Les territoires forestiers sont en croissance et ont augmenté de manière régulière de 0,7% par an entre 1990 et 2015. La majorité de la forêt française se régénère naturellement soit 88,4% du territoire forestier, cette régénération est en constante progression et la superficie concernée a augmenté de 0,6% entre 2009 et 2015. Les surfaces de forêt plantées ont augmenté mais cela est surtout lié à la tempête de 1999 qui fût suivi d’une grande campagne de reboisement (+2,8% entre 2000 et 2005). Le potentiel de matériel sur pied s’élevait à 173 m3 /ha en 2015 soit 2935M m3 avec une croissance annuelle de 5,5 m3 /ha depuis 1990. La forêt française est majoritairement constituée de feuillus à 64,5%. La croissance des feuillus est plus importante que pour les résineux, 3,4 m3 /ha/an contre 2,1 m3 /ha/an. Le dernier bilan sur la diversité des espèces d’arbre rencontrées date de 2010, la France possède une forêt contenant une grande diversité, les deux espèces les plus présentes représentent seulement 34%.Le diagramme de Sankey présenté en Figure 1 met en relation la ressource forestière, son utilisation et sa gestion. La majorité des forêts françaises appartient à des propriétaires privés et les exploitations peuvent être de petite taille. La surface moyenne par propriétaire est de 3,4ha. Il est 23 donc difficile de maitriser la totalité de la production des forêts privées. Le volume de bois prélevé par an dans la forêt française est très faible, mais attention c’est un pourcentage par rapport au volume total sur pied et non par rapport au volume prélevable annuellement. La quantité de bois directement destinée à la production d’énergie (chauffage domestique) en sortie de forêt représente 48% de la totalité des produits extraits. C’est une donnée difficile à quantifier réellement car c’est en grande partie de l’autoconsommation ou de la vente non surveillée. Le reste du bois exploité va être utilisé en bois d’œuvre (majoritairement), d’industrie (papier, panneau, etc…) et une dernière part pour l’énergie via des circuits commerciaux (Chaudières collectives, chaudières industrielles, cogénération, etc…). 

Ressource provenant de la transformation du bois et de produits bois en fin de vie

 La ressource provenant de la filière de première transformation du matériau bois est aussi appelée « connexes et sous-produits de l’industrie de première transformation ». Ces sous-produits sont constitués de : sciures, écorces, copeaux, dosses, délignures, chutes de tronçonnage, etc. Ces produits ne contiennent aucun adjuvant ni traitement. L’usage de ces résidus pour la production d’énergie est en concurrence avec les industriels du papier et les fabricants de panneaux. Le graphique Figure 2 présente l’exemple de la répartition des connexes et sous-produits de l’industrie de première transformation en Lorraine en 2006. Les industries du panneau et du papier utilisent plus de 80% des produits connexes. La section « Autre » englobe la part autoconsommée par les scieries pour les besoins internes. Les résidus issus de la seconde transformation du bois sont considérés comme des déchets car ils peuvent contenir des adjuvants ou des traitements. Ils sont alors soumis aux mêmes règles que les produits bois en fin de vie. Panneaux; 53,5% Papier; 29% chaufferie; 7% charbon ; 1,5% compost ; 3% particulier; 1% Autre; 5% Panneaux Papier chaufferie charbon compost particulier Autre 24 Les produits bois en fin de vie représentent les produits fabriqués en bois qui ne peuvent pas être recyclés. Ces combustibles sont considérés selon les différentes rubriques des installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE) : combustible bois énergie, déchets non dangereux ou déchets dangereux. Ces produits sont destinés à des installations (chaudières collectives, chaudières industrielles, installations d’incinération, etc.) qui respectent les prescriptions imposées dans le cadre des ICPE.

Anatomie du bois

 Les caractéristiques anisotropes et hétérogènes du bois proviennent de sa structure anatomique particulière. Le bois est un ensemble complexe de cellules végétales permettant à l’arbre le transport de la sève, lui confortant sa tenue mécanique et le stockage des réserves nécessaires à sa croissance. Deux grands groupes représentent l’ensemble des essences de bois. Le plus ancien, les résineux ou conifères, est apparu il y a environ 270 millions d’années et fait partie des gymnospermes. C’est un bois avec une structure simple composé à 90% en volume de trachéides longitudinales, ces cellules assurent les rôles de transport de la sève et de maintien mécanique. Le deuxième groupe apparu il y a environ 100 millions d’années sont les feuillus, des végétaux ligneux de la classe des dicotylédones parmi les angiospermes. Leur structure est plus complexe avec des cellules spécialisées, la circulation de la sève est réalisée par des vaisseaux et le maintien mécanique par les fibres. Dans les deux cas ces cellules sont mortes, seules les cellules de parenchyme sont vivantes et présentes dans les deux groupes. Ces dernières assurent le rôle de stockage, souvent de l’amidon, réserve d’énergie pour la croissance du bois. Les propriétés du bois viennent en majorité de la structure de la paroi cellulaire. Cette paroi a une composition similaire entre les différentes essences et même les différents groupes. Elle est composée de trois sous-ensembles, cf. Figure 4. Figure 4 : Schéma de la paroi cellulaire et ses différentes couches. – La couche intercellulaire, formée lors de la division cellulaire dans le cambium ; – La paroi primaire, constituée de micro-fibrilles de cellulose enchevêtrée ; – La paroi secondaire, composée de trois sous couches ayant un réseau de micro-fibrilles de cellulose organisée selon un angle d’enroulement donné. 

Composition chimique du bois

 Le bois est un matériau composite contenant trois grandes familles de composés : – La cellulose ; – Les hémicelluloses ; – La lignine. A ces trois familles s’ajoutent tous les extractibles organiques et inorganiques. La composition de ces différents composés varie en fonction de l’essence, de la zone géographique et du milieu de culture. Le Tableau 1 présente les données moyennes de composition chimique des résineux et feuillus de zone tempérée

La cellulose 

La cellulose est la substance la plus abondante dans la nature.Elle a été découverte par un scientifique français du nom d’Anselme Payen 1 en 1839 . La cellulose du bois est principalement utilisée dans la fabrication du papier. C’est un homopolysaccharide linéaire d’anhydroglucose en β-(1,4), comme montré sur la Figure 5, son degré de polymérisation moyen est de l’ordre de 5000 dans le bois. La cellulose se trouve sous forme de microfibrilles avec des zones organisées dites zones cristallisées, les chaînes de polysaccharides sont liées sur un même plan par des liaisons hydrogènes et les différents plans par des liaisons faibles de Van der Waals. 

Les hémicelluloses 

Les hémicelluloses sont des polyosides structuraux, elles sont le liant entre les lignines et la cellulose. Ce sont des polysaccharides ramifiés qui peuvent être soit des homopolymères, soit des hétéropolymères (plus fréquent) de degré de polymérisation de l’ordre de 150. Les principales familles d’hémicelluloses que l’on retrouve dans la nature sont les xylanes, les mannanes et les galactanes. Les résineux contiennent majoritairement des mannanes et les feuillus des xylanes. La Figure 6 présente quelques hémicelluloses du bois.

Les lignines

 Les lignines sont des macromolécules complexes, ce sont des polymères polyphénoliques ramifiés formant un réseau tridimensionnel. Les trois phénylpropanes de base ou monolignols à l’origine des lignines sont l’alcool coniférylique, l’alcool sinapylique et l’alcool coumarylique (Figure 7). Il y a beaucoup de variation structurelle des lignines entre les différentes espèces végétales et en fonction du lieu et de la méthode de prélèvement. Il est donc difficile de préciser une structure particulière.Les lignines sont un constituant caractéristique des plantes vasculaires. Elles ont une grande importance dans la constitution des parois des vaisseaux conducteurs de la sève, leurs hydrophobies et leurs grandes résistances en assurent l’imperméabilité. Les lignines apportent la rigidité des parois cellulaires et permettent aux plantes lignocellulosiques de croître en hauteur. 

Les extractibles

 Les extractibles sont des composés ne prenant pas part à la structure du bois, ils sont généralement extractibles par des solvants organiques ou de l’eau. Les composés inorganiques (minéraux) sont parfois intégrés dans cette partie ou bien classés dans les cendres car ils peuvent être extraits dans l’eau et étudiés dans les cendres. Les principaux extractibles organiques sont les polyphénols, les terpènoïdes, les cires, les graisses, des sels d’acides organiques, des glucides et des composés azotés. Les extractibles représentent moins de 5% de la masse anhydre du bois, pourtant ils ont une grande importance. Ils confèrent une résistance naturelle aux insectes et champignons, ils sont responsables de la couleur et de l’odeur du bois, et de plus les propriétés acoustique, d’imprégnabilité, et d’inflammabilité sont liées aux extractibles. Ces propriétés en font des composés très intéressants du point de vue de l’industrie pharmaceutique.