Février 2011

La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41, d'une part que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective", et d'autre part que les analyses et courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration " toute reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite ".

La biomasse, comme le solaire, sont les énergies renouvelables essentielles dans nos applications : le livret qui suit concerne uniquement la biomasse-énergie.
Attention : il ne s'agit que d'une présentation générale, regroupant les données communes que l'on retrouvera dans plusieurs applications (avec leurs livrets).

L'utilisation de la biomasse-énergie : une ambition récurente
Ce qu'on appelle aujourd'hui la biomasse couvre en fait de multiples produits organiques, allant du plus simple (le plus évident : le bois) au plus indirect et au plus complexe chimiquement, les produits issus de la méthanisation par exemple. Le présent livret tente de faire la synthèse de cette multiplicité afin de faciliter la présentation des multiples solutions que les démarches MémoCad auront à prévoir dans ce domaine.

S'agit t'il d'une énergie totalement renouvelable ?
La biomasse énergie est quasi-systématiquement considérée comme «énergie renouvelable», alors que ce n'est pas toujours très évident. L'utilisation du bois-énergie suppose qu'on assure, par ailleurs, une reforestation correcte, assez loin d'être neutre énergétiquement. D'une manière générale les présentations françaises courantes négligent les «énergies grises», celles correspondant aux activités annexes : préparation et transport des combustibles, remises en état diverses (reforestation comprise), etc. L'exemple le plus net est celui des déchets ménagers, dont la collecte et le transport représentent la moitié (en ordre de grandeur) des valeurs sur le plan des bilans économiques et énergétiques.

La biomasse énergie et l'effet de serre
L'utilisation de la biomasse met en évidence l'insuffisance courante - hélas trop fréquente - qui consiste à considérer que le seul gaz à effet de serre est le dioxyde de carbone (CO2). En oubliant le méthane (CH4), qui est justement dégagé par de nombreux processus organiques. Un oubli d'autant plus regrettable que le méthane a, schématiquement, quatre fois plus d'action que le CO2. Les réglementations courantes ne tiennent pourtant compte que du CO2. alors que la récupération (et la combustion) du méthane, dégagé par exemple par les décharges, conduirait à des bilans économiques et énergétiques très positifs en matière d'effet de serre.

L'avantage de la biomasse : le stockage
Les autres énergies renouvelables significatives soufrent d'un même défaut, elles ne sont pas stockables :

• l'énergie solaire, nulle à certaines heures ou insuffisante pour des raisons météorologiques,
• l'énergie éolienne pour des raisons météorologiques (vent trop faible ou trop fort).

Alors que l'énergie issue de la biomasse est, au contraire, avec les biocombustibles, ajustable aux besoins instantanés de chaque instant.

La biomasse énergie face au poids des traditions
La tradition, et les «souvenirs d'antan» avec ses foyers ouverts (les fameuses «cheminées»), peut avoir des effets psychologiques et commerciaux nocifs. Il serait souhaitable qu'on abandonne un peu les nostalgies au bénéfice de considérations plus ingrates, mais essentielles si l'on veut vraiment faire du développement durable optimisé. La biomasse peut y jouer un rôle fondamental, mais pas forcément celui qu'en général on imagine.


La biomasse énergie individuelle face à ses difficultés
La tradition, et bien des publications laissent croire que les systèmes individuels, qu'il s'agisse de foyers ouverts ou de poêles, constituent des réponses simples et économiques aux exigences actuelles.
En fait le développement mal contrôlé des systèmes individuels tels que poêles ou analogues, utilisant le bois sous différentes formes, et ce sans connaissance sérieuse (plus ou moins traditionnelle mais oubliée) des problèmes que posent deux exigences fondamentales :

• d'abord une alimentation correcte et suffisante en air neuf, laquelle est très souvent plus ou moins incompatible avec la réduction drastique actuellement prévue pour la perméabilité à l'air des locaux habités ;
• ensuite l'oubli fréquent (il n'y a plus guère de «fumistes») que ces systèmes exigent des conduits particuliers et spécifiques d'évacuation des gaz brûlés, des conduits de fumée qui ne peuvent pas être confondus avec ceux désormais habituels pour le chauffage central individuel, au gaz en particulier.

Le problème fondamental de sécurité
L'insuffisance d'air neuf, sinon même l'absence de conduits de fumée adéquats, font qu'il y a émission de CO2, et surtout de monoxyde carbone (CO) très toxique. Sans compter les impuretés solides diverses.
Ce qui a - surtout dans les habitats modestes très peu ventilés - deux conséquences très néfastes ou désagréables : pollution dangereuse de l'air, salissure des parois.
Le risque le plus important est, bien sûr, le risque de dégagement de CO dans les ambiances habitées.
Ce risque est tel que, dans certains pays ou avec certains matériels, il y a présence obligatoire d'un détecteur d'oxyde de carbone (CO) suspendant la combustion en cas de dépassement des teneurs limites (assez vite atteintes).


La biomasse énergie centralisée
L'un des obstacles les plus fréquents au développement de la biomasse énergie tient à la négligence de solutions qui sont aujourd'hui plus que défendables - surtout en production d'électricité : le recours à
des installations centralisées utilisant la biomasse, en particulier les déchets. C'est là, sans aucun doute, sous réserve de bien organiser le bilan CO2, et de maîtriser les effets du méthane (CH4), que devrait se situer l'avenir sans doute le plus important de la biomasse énergie.

De nombreux efforts ont été consentis afin de développer le marché de la biomasse énergie, et afin de promouvoir la qualité des produits amont. Nous noterons surtout ici :

• les actions «bois énergie» de l'ADEME,
• les spécifications européennes concernant les granulés.

La biomasse
La biomasse, constituée des matières «vivantes», peut être classée en deux catégories (classement propre à ce livret) : la biomasse primaire et la biomasse secondaire.
1. Nous appelons ici biomasse primaire celle qui comprend le bois et les différents végétaux utilisés comme combustibles, quel que soit leur état physique (solide, etc.). Cette biomasse est traitée dans la présente fiche, le bois (sous forme de bûches ou de dérivés tels que les plaquettes) étant présenté plus
en détail à la fiche nB31.4.
2. Nous appelons ici biomasse secondaire celle qui est constituée de déchets issus de matières organiques, végétales ou non.
Quelle que soit la catégorie la biomasse est classée «énergie renouvelable». La raison en est la suivante.


Le cycle du carbone
Avant toute combustion la biomasse absorbe le CO2 de l'air au travers diverses réactions chimiques, dites de photosynthèse. C'est ainsi que la réaction type en photosynthèse des végétaux peut se traduire par la formule suivante, donnée ici à titre d'illustration :
CO2 + 4 H (CH2O) + H2O

Lors de la combustion il y a, à l'inverse, dégagement de dioxyde de carbone (CO2) : c'est ce cycle (quasi-neutre) du CO2 qui fait que la biomasse est classée «énergie renouvelable». En voici un exemple.
La quantité de carbone contenue dans une forêt étant directement proportionnelle au volume de bois présent, bien que variant certes selon les essences et les peuplements, on a pu calculer que la photosynthèse se produisant au sein de la forêt française piégeait (chiffes 1006) 66 millions de tonnes de CO2 par an, soit entre 15 et 20 % des émissions annuelles françaises de CO2. Le phénomène, sur le plan du développement durable, est donc assez fondamental.


Biocombustibles et biocarburants
La biomasse peut être utilisée énergétiquement sous deux formes :

• soit sous forme de combustible, dans les chaudières ou équipements de même type,
• soit sous forme de carburant, dans les moteurs.

Dans le premier cas on parle de biocombustible, dans le second cas de biocarburant.
Les biocombustibles se présentent sous des formes très diverses, et peuvent être :

• soit du bois (sous différentes formes),
• soit des végétaux spécifiques, ou des résidus solides de la biomasse,
• soit des déchets solides ou liquides,
• soit des gaz résultant de traitements divers.

Les biocarburants, assez nombreux; sont victimes de discussions multiples sur leur rôle dans le cycle du carbone. Ils ne nous concernent qu'assez marginalement, et ne seront pas examinés ici.


Les combustibles dérivés
Il existe un certain nombre de gaz issus de la transformation de matières organiques qui peuvent, plus ou moins, revendiquer le titre d'énergies renouvelables, et qui appartiennent aussi bizn à la biomasse primaire qu'à la secondaire (déchets). Ce sont en particulier, parmi ceux qui peuvent nous concerner, les combustibles suivants :

• le méthane (le biogaz),
• l'hydrogène (le bio-hydrogène),
• le gaz naturel (le bio-SNG).

Le biogaz (pour l'essentiel du méthane) est traité à la fiche nB31.5. Les autres gaz (bio-hydrogène et bio- SNG) sont des produits annexes qui ne sont pas présentés dans cette édition.


L'importance du bois
Sur le plan pratique, c'est le bois - sous des différentes formes - qui constitue l'apport actuel le plus important de la biomasse énergie : les familles essentielles de ce combustible sont traitées à la fiche suivante (nB31.4).

Les différentes formes du bois combustible
Les différentes formes du bois combustible, ici prises en compte, sont les suivantes :
1a. le bois de feu (bûches),
1b. les plaquettes forestières,
1c. les granulés, ou pellets,
1d. les copeaux et les sciures,
1e. les pailles, citées ici pour mémoire.



Le bois de feu d'origine forestière

On distingue traditionnellement :

• les bois durs (chêne, châtaignier, charme, hêtre, ormeau), donnant des flammes courtes et un charbon
  incandescent durable,
• et les bois tendres (peuplier, pin, sapin, saule, tilleul, tremble), donnant des flammes longues et un charbon brûlant rapidement.

Le bois de feu d'origine forestière le plus fréquent se présente sous forme de bûches, résidus des coupes mettant à part les produits marchand de la menuiserie. Ces bûches, de différentes longueurs (en principe 25, 33, 50 ou 100 [cm]), sont utilisées dans les foyers ouverts, les poêles et les chaudières.
Pour que la combustion soit correcte les bûches doivent être suffisamment sèches, et ne pas contenir plus de 25 % d'eau environ. Ce qui peut être atteint après un stockage extérieur de l'ordre de 2 ans, 6 mois suffisant si ce stockage est à l'abri des intempéries.
Le pouvoir calorifique inférieur du bois varie entre 5 et 7,5 [MJ/kg] = 1,4 à 2,1 [kWh/kg]. La facturation courante étant au stère, un stère [m3] pesant environ 500 [kg/m3], le même pouvoir calorifique inférieur varie de 2,5 à 5,8 [MJ/m3], ou de 0,7 à 1,1 [kWh/m3].


Les plaquettes forestières
Issues de l'exploitation des forêts les plaquettes sont fabriquées sur place par déchiquettage. Ces plaquettes, faciles à manipuler, de petite taille ( 4/5/0,5 cm en taille type, 10 cm maximum) sont surtout utilisées sur place (lorsqu'il s'agit d'applications énergétiques). Mais elles sont également de plus en plus souvent offertes à des usages extérieurs à l'industrie forestière (il est prévu une livraison de 400 000 [t/an] de plaquette dite «forestière» vers 1010-2012). Dans ce dernier cas les caractéristiques types sont les suivantes (vente à la tonne ou au mètre cube apparent) :

• humidité un peu forte (raisons diverses) de 20 à 30 % ;
• masse volumique apparente, variable selon l'humidité, de 250 à 350 [kg/m3] ;
• pouvoir calorifique inférieur, fort variable selon l'humidité, de l'ordre de de 2,5 à 3 [kWh/kg], soit de l'ordre de 10 [MJ/kg].

Adaptées aux chaudières automatiques les plaquettes sont aujourd'hui souvent remplacées (hors industrie forestière) par les granulés, mieux contrôlés en qualité - ce qui est très important pour la maintenance des générateurs. Les granulés (à fourniture identique de chaleur) coûtent néanmoins 2,5 à 3 fois ce que coûtent les plaquettes.


Les granulés (ou pellets)
Les granulés, technique relativement récente venant d'Autriche, constituent l'un des modes d'utilisation des produits forestiers ayant le plus de succès actuellement. A base de sciure de bois compressée àchaud (à 90 °C, avec fonte de la lignine qui agrège l'ensemble), normalement très peu humides. Ils sont très facilement manipulables et utilisables en chaudières automatiques. Ils se présentent sous la forme de petits cylindres aux dimensions suivantes, fonction du fournisseur :

• diamètres de 5 à 10 [mm],
• longueurs de 10 à 30 [mm].

Les caractéristiques types sont :

• une humidité de 7 à 12 %, parfois un peu moins,
• une teneur en cendres inférieure à 0,7 %, parfois même inférieure à 0,5 % (sur matières sèches),
• une masse volumique apparente de 650 à 700 [kg/m3],
• un pouvoir calorifique inférieur de 4,7 à 5,0 [kWh/kg] (5,1 pour les granulés bien secs = 19 [MJ/kg]).

Les copeaux et le sciures
Ces sous-produits du travail du bois ne sont plus normalement utilisés qu'aux travers de dérivés tels que les granulés. Ils sont donc, essentiellement, cités ici pour mémoire.

^ sommaire

Panorama des déchets
Il existe actuellement, en France, une analyse statistique annuelle des différents déchets.
Les déchets en chiffres, ADEME, données et références, édition 2007, publication de l'ADEME à laquelle vous pouvez vous référer pour plus de détails.
De façon très générale (sans référence énergétique) on peut classer (exemple) les déchets de la manière suivante :

• les ordures ménagères courantes,
• les déchets verts,
• les boues des stations d'épuration (STEP),
• ainsi que des déchets de multiples origines, un peu moins importants : déchets des emballages, déchets de la voirie et des marchés, déchets des activités professionnelles telles que la construction ou les industries du bois).

Le biogaz
La dégradation par fermentation (en l'absence d'oxygène) de la biomasse et de ses déchets conduit à la production de biogaz, surtout constitué de méthane (CH4). De sorte qu'ici l'essentiel des procédés peut être clasé dans le cadre de la méthanisation, procédé schématisé ci-contre, purement chimique.
L'ensemble des processus équivaut, pour l'essentiel, à une fabrication de méthane, aboutissant au mélange suivant dit «biogaz» :

• 55 à 65 % de méthane (CH4),
• 35 à 45 % d'acide carbonique (H2CO3), les impuretés (H2S pour l'essentiel) représentant moins de 1 %.

Le méthane, s'il est rejeté à l'atmosphère, étant un gaz à très fort effet de serre, son utilisation comme combustible est un support très important du développement durable (voir le livret L01, Le développement durable).
L'utilisation des déchets par méthanisation est donc un aspect essentiel, même si l'on ne classe pas les déchets dans les énergies renouvelables.
La technique s'applique aussi bien aux déchets agricoles qu'aux déchets ménagers.


Les réacteurs de méthanisation
Ces réacteurs - dits souvent «digesteurs» - sont des cuves (en béton ou en acier) où séjourne la matière en fermentation pendant une vingtaine de jours. Cette matière y est régulièrement
brassée de façon à limiter les effets de décantation et la formation éventuelle d'une croûte en surface. Elle est, de plus et en cas de nécessité, régulièrement chauffée.

La production de biogas dépend très fortement de l'origine des déchets, qui peuvent correspondre aux trois grandes catégories suivantes :

• les déchets ménagers,
• les déchets agricoles,
• les déchets industriels (agro-alimentaire).

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