Introduction

La biomasse est définie comme « la fraction biodégradable des produits, des déchets et résidus d’origine biologique provenant de l'agriculture (y compris les substances végétales et animales), de la sylviculture et des industries connexes, y compris la pêche et l’aquaculture, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux »

 

(Directive 2009/28/CE du Parlement européen et du Conseil européen du 23 avril 2009).

 

Cette matière peut être valorisée de différentes manières : industrielle (bois de construction, menuiserie, emballage, papier, panneau, chimie végétale…), énergétique (bois de chauffage, carburants, …), alimentaire et esthétique ou " simplement " participer à l'équilibre écologique.

La valorisation énergétique de la biomasse se fait essentiellement par combustion. Une partie de la chaleur produite peut être transformée en une énergie mécanique (travail) par un moteur. Si le moteur est couplé à une génératrice électrique, il y a production d’électricité.

Pour les fins énergétiques, la biomasse est conditionnée sous la forme d’un combustible solide (bûches, plaquettes, granulés, charbon de bois, biomasse torréfiée), d'un carburant gazeux soit par biométhanisation (biogaz ou biométhane), soit par gazéification (gaz de synthèse) ou d'un carburant liquide (biocarburant ou agrocarburant).

La biomasse peut être préparée comme un aliment. Elle constitue la ressource énergétique indispensable à la vie des êtres vivants hétérotrophes. D’une certaine manière, l’agriculture est une activité de production énergétique à des fins métaboliques. Aujourd’hui avec le débat sur les biocarburants, alimentaire et industrie énergétique sont directement en compétition. Plus fondamentalement, toutes les activités sont en compétition dès qu’elles nécessitent de l’espace (Voir la section "Source d'énergie renouvelable").

Les systèmes de conversion de la biomasse sont des équipements de combustion (poêles, chaudières), des moteurs à combustion interne et des moteurs à combustion externe avec ou sans récupération de la chaleur. Si la chaleur est récupérée le système rentre dans la famille de la cogénération.

 


La source

Comme toute source renouvelable, la biomasse est une énergie de flux dont le soleil est à la base. L’énergie solaire est transformée et stockée en énergie chimique par la photosynthèse des plantes sous la forme d’hydrates de carbone (sucres) et de lipides (graisses végétales).
La photosynthèse est un processus biologique qui permet aux végétaux d’absorber l’énergie solaire et de la transformer en énergie chimique stockée dans les liaisons des molécules organiques.

 

En voici la formule:

 

L’efficacité globale annuelle de la photosynthèse ne dépasse pas 5%, c-à-d que les plantes transforment tout au plus 5% de l’énergie solaire annuelle. Dans nos régions, l’efficacité moyenne est limitée à 0,6%.

 

La biomasse n'est considérée comme une source d'énergie renouvelable que si elle se régénère dans les mêmes proportions qu'elle est utilisée. Il faut veiller à ce que la forêt, les surfaces agricoles ou les déchets organiques soient gérés de façon durable et responsable.

 

Par exemple, il ne faut pas prélever plus de bois que la forêt ne pourrait produire, ni utiliser de manière inconsidérée des intrants agricoles énergivores et polluants, ni brûler des matières organiques humides.

 

 

Ressource annuelle en Belgique

Productivité brute (Q) de matière sèche (MS) par surface exploitée (ha- hectare) – Données de ValBiom asbl, membre de l'APERe.

 

  • Bois (MS) : de 6,8 à 12 t/ha (Taillis à très courte rotation)
  • Bois (MS) : de 2 à 4 t/ha (Gestion forestière dont la moitié est généralement utilisée comme produit et le reste comme bois de chauffage)
  • Grains (MS) : de 5 à 9 t/ha
  • Paille (MS) : de 3 à 5 t/ha
  • Ethanol à partir de froment : 2 500 l/ha
  • Ethanol à partir de maïs : 2 800 l/ha
  • Ethanol à partir de betterave : 6 000 l/ha
  • Huile de colza : 1500 l/ha
  • Biodiesel : 1590 l/ha  (1500 l +140 kg de méthanol – 140 kg de glycerine)

La productivité nette d’énergie tient compte de l’énergie consommée par la filière de préparation du combustible. Elle est calculée avec le ratio énergétique, le rapport entre la production d’énergie et la consommation d’énergie de la filière de production et de préparation (Energie mécanique, Energie grise des intrants). A titre indicatif, voici les ratios énergétiques renseigné par la ValBiom :

  • Ethanol de betterave : 1,4 à 2
  • Ethanol de froment : 1,8 à 2
  • Huile de colza : 3 à 4,7
  • Biodiesel de colza : 2 à 3

 

 

Systèmes de conversion

 

Préparation de biomasse

Pour garantir une combustion optimale, la biomasse doit être la plus sèche possible et avoir des caractéristiques physiques adaptées à l’équipement de combustion à laquelle elle est destinée. D’autre part, le transport et l’entreposage peuvent aussi demander une préparation spécifique.

La préparation de la biomasse a pour finalité de produire un combustible solide, liquide ou gazeux. Dans tous les cas, il faut veiller à limiter l’humidité dans le combustible. En effet, le pouvoir calorifique est fortement réduit avec le taux d’humidité.

Lorsque la biomasse est trop humide pour être brûlée, une alternative consiste à faire appel à un processus de fermentation anaérobie. A l’abri de l’air, des bactéries décomposent la biomasse et donne lieu à un mélange gazeux riche en méthane (gaz naturel) : c’est la biométhanisation. La méthanisation appliquée à la biomasse non ou faiblement ligno-cellulosique (bois) présente l’avantage de fournir un gaz combustible sans séchage préalable et évite ainsi la consommation énergétique du séchage.

La biométhanisation peut s’appliquer à toutes les biomasses, mais elle est fortement limitée sur les matières dures et fibreuses qui contiennent de la lignine (bois, paille). Elle particulièrement indiquées aux résidus agricoles, aux effluents d’élevage (lisiers, fumiers, purins, fientes), aux effluents liquides des industries agroalimentaires et à certains effluents humides ou liquides résultant de l’activité humaine (boues de stations d’épuration, fraction organique des déchets ménagers).

 

Biomasse-énergie

La préparation de la biomasse est une première étape de conversion qui vise à transformer une biomasse brute en un combustible utilisable à des fins énergétiques :
•    Combustibles solides : bûches, plaquettes, granulés, charbon de bois, bois torréfié.
•    Combustibles liquides ou biocarburants liquides : huiles végétales et produits dérivés tels que le diester, bioéthanol et les produits dérivés tels que l’ETBE, le biométhanol, le biobutanol et les huiles de pyrolyse résultant de la thermochimie.
•    Combustibles gazeux ou biocarburants gazeux : biogaz obtenu par biométhanisation, gaz de synthèse (CO + H2) obtenu par gazéification.

Nous présentons ci-après les caractéristiques énergétiques des principaux combustibles issus de la biomasse : Pouvoir calorifique inférieur (PCI), le taux de cendre.

 

Densité et PCI de combustibles solides

Le bois est le combustible solide le plus utilisé pour le chauffage sous la forme de bûches, de plaquettes, de granulés ou de briquettes reconstituées.

  • Bûche séchée (15 à 25 % d’humidité) : 300 à 500 kg par stère (selon l’espèce végétale et le coefficient d’empilage)
  • Plaquettes : 250 à 350 kg/m³ (selon l’humidité : 20-30%) - 1 map = 0,4 m³ de bois
  • Granulés : 650 à 700 kg/m³ (humidité de 7 à 12%)
  • Bois sec (0% d’humidité) = 18 MJ = 5 kWh
  • Bois séché (20% d’humidité) = 12,6 MJ = 3,5 kWh
  • Grain sec (0% d’humidité) = 18 MJ = 5 kWh
  • Grain séché (15% d’humidité) = 4,2 kWh
  • Paille sèche (0% d’humidité) = 4,7 kWh
  • Paille séchée (15% d’humidité) = 4,0 kWh

 

Comparaison:

  • Charbon (sec et sans mat. minérales) = 35 MJ  (= +/- 10 kWh)
  • Charbon (3-6 % humidité, 4-15% minéraux) = 27-31 MJ (= +/- 8 kWh)

 

Taux de cendres

  • Bois :     0,5 à 1%     Grains : 1,5 à 2,8 %        Paille : 7 à 8 %

 

PCI de carburants liquides

  • Ethanol = 5,9 kWh/l             - ETBE = 7,5 kWh/l
  • Méthanol = 4,4 kWh/l (15,9 MJ/l)    - MTBE = 7,2 kWh/l
  • Huile de colza = 9,5 kWh/l        - Biodiesel = 9,2 kWh/l
  • Comparaison : Diesel = 9,8 kWh/l  -  Essence = 8,7 kWh/l

 

PCI de carburants gazeux

  • PCI gazéification du bois = 5,5 MJ/m³ = 1,5 kWh/Nm³
  • PCI biogaz (50% de méthane) = 4,3 kWh/Nm³
  • PCI biogaz (60% de méthane) = 5,1 kWh/Nm³
  • Comparaison : gaz naturel = 10 kWh/Nm³

 

Equipements de combustion

L’équipement de combustion transforme l’énergie de la biomasse en chaleur utile. Un équipement performant met en œuvre les conditions d’une combustion optimale : contrôle précis de l’alimentation en air (préchauffage et débits primaire et secondaire) et température de foyer de 800°C et homogène.

Dans le cas d’un combustible solide comme le bois, la combustion est plus complexe qu’avec un carburant. En fait, le bois ne brûle pas, mais ce sont les gaz qu’il génère qui brûlent. Sous l’effet de la chaleur, le bois solide se décompose et libère des composés organiques volatiles (COV). Si les conditions de température sont atteintes, au contact de l’oxygène de l’air, les COV brûlent et dégagent de la chaleur.

La combustion se déroule en trois phases : séchage, dégazage ou pyrolyse et combustion des braises. Avec le bois, la grande quantité d’énergie résulte du dégazage. Il est primordial que ces gaz combustibles brûlent sinon ceux-ci seront émis dans l'atmosphère et des composés tels que les goudrons se déposeront dans le conduit de cheminée. L'émission de gaz imbrûlés est responsable d'une perte de rendement énergétique, mais est aussi une cause de pollutions.

Les équipements ont en général 2 arrivées d’air. Une arrivée d’air primaire qui brûle le charbon de bois (braises) et une arrivée d’air secondaire destinée à la combustion des gaz générés. Les arrivées d’air seront avantageusement préchauffées.

 

Pour des usages domestiques, les différents équipements sont :

  • Cheminées à feu ouvert (Rendement de 10 à 15%)

  • Inserts et foyers fermés (Rendement  de 40 à 60%)

  • Poêles à bois (1 à 2 zones de combustion, 1 à 2 (parfois 3) arrivées d’air préchauffées, contrôle des alimentations en air, catalyseur, accumulation de chaleur) (Rendement de 40 à 90 %)

  • Chaudière au bois (Rendement de 40 à 90%)

 

Pour des usages industriels, on tend à favoriser les unités de cogénération càd la production simultanée d’électricité et de chaleur utile. Les rendements énergétiques peuvent atteindre 80 à 95% à comparer aux  20 à 40% pour une production électrique seule.

 

 

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