La biomasse, énergie d`avenir

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La biomasse, énergie d’avenir ?
CEC, 20 septembre 2013
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- La biomasse
– La photosynthèse
- La transition énergétique
- Place de la biomasse : les biocarburants
Éditions Quae
[email protected]
La Biomasse, énergie d’avenir ?
1 : La biomasse, c’est quoi ?
bio : vivant ; masse : quantité
CEC 20 septembre 2013
La biomasse, d’où provient-elle ?
Plante
Photosynthèse
(énergie de la lumière
CO2, eau)
Forêt (bois)
[cellulose + hémicellulose
+lignine
= lignocellulose]
Matière végétale
Cultures (fruits, racines,…)
[sucres, amidon, huiles]
Déchets
Bois, élevage, IAA,
Déchets ménagers, etc.
Animaux
A quoi sert la biomasse ?
Utilisée traditionnellement par les humains
• Alimentation (priorité)
• Matériaux : bâtiment (bois d’oeuvre, isolants, ); outils ;
industrie (papier, agglomérés,…); textiles (coton, laine,…)
• Chimie (latex, colorants,…) ; puis chimie bio-sourcée
• Énergie (chauffage, biocarburants)
(maîtrise du feu ; 90% de l’énergie jusqu’en 1800)




Nombreux usages : établir des priorités
Tous besoins en augmentation
Limitation : surfaces de sols productifs
Exigence n°1 : maintenir la fertilité des sols
Ce n’est pas d’abord de l’énergie !
H. Bichat, P. Mathis « La Biomasse, énergie d’avenir ? » Quae, 2013
La biomasse-énergie, une énergie du passé ?
La biomasse est-elle une énergie renouvelable ?
Dans les transports, les biocarburants pourront-ils remplacer le pétrole ?
Comment améliorer les services rendus par la forêt française ?
La biomasse, c’est sans danger ?
Que faire des déchets ?
Les brûler ? Faire du biométhane ? S’en servir pour la chimie ?
La Terre pourra-t-elle durablement nourrir l’humanité et contribuer à ses
autres besoins (énergie, matériaux, chimie) ?
Canne à sucre, palmier à huile, miscanthus : des plantes miracles ?
A bien comprendre :
Formation de biomasse par photosynthèse :
6 CO2 + 6 H2O + énergie (lumière)
C6H12O6 + 6 O2
Utilisation de la biomasse par combustion* :
C6H12O6 + 6 O2
Bilan :
6 CO2 + 6 H2O + énergie (chaleur)
énergie (lumière)
énergie (chaleur)
Bilan de CO2 nul si l’utilisation de biomasse égale sa formation
par photosynthèse. Mais :
-- Emission nette de CO2 : Déforestations
-- Prise nette de CO2 : Croissance durable d’arbres
Alès, le 4 avril 2013
* respiration : idem
La biomasse est-elle une énergie renouvelable ?
Le cas idéal :
On cultive, on récolte, on resème ; etc.
Echelle : année (cultures), décennie ou plus (forêts)
Des situations où elle n’est pas renouvelable :
-- Du bois coupé plus vite qu’il ne pousse
(nombreuses régions africaines, pour la cuisson)
-- Des déforestations de grande ampleur
(exploitation du bois ; cultures vivrières ou énergétiques)
(en GB et France, avant 1800 : besoins de l’industrie, de la marine)
(fonds chaleur biomasse : attention aux émissions de CO2 !)
-- Épuisement ou dégradation des sols
2 : La Photosynthèse
CO2
O2
H2O
[CHOH]
[CHOH] : sucre →
toutes biomolécules
sol
eau, sels minéraux
(adapté de A. Verméglio, CEA / Cadarache)
Stratégie de l’appareil photosynthétique
1er temps : Capture de l’énergie
Nombreuses molécules de pigment très proches,
pour forte absorption de la lumière
et transfert d’énergie rapide.
2ème temps : Stockage de l’énergie
Transfert d’électron très rapide,
puis réactions successives jusqu’à un état stable.
Accepter de perdre une partie de l’énergie du photon.
Formules chimiques de pigments
Carotène
Chlorophylle a
Chloroplaste : fonctionnement
Lumière
Enveloppe
eau
O2
Membrane photosynthétique
Amidon
ADP + Pi
NADP+
ATP
NADPH
Triose phosphate
Enzymes
Translocateur de
triose phosphate
Triose phosphate
Phosphate (Pi)
(saccharose)
[amidon]
CO2
Quelques chiffres planétaires
La photosynthèse
(conversion de l’énergie solaire en biomasse)
• rendement optimum de 4%
• rendement moyen de 0,2%
Annuellement, elle produit :
- 200 milliards de tonnes de matière organique
- soit une énergie de 80 Gtep
Par comparaison :
- la consommation annuelle d’énergie est de 12 Gtep
Passer de 99,8% à 99,6% de pertes ? Doublerait le produit !
La photosynthèse
Plantes en C4 : maïs, canne à sucre, sorgho, Miscanthus, …
Adaptées à climats chauds et à fortes lumières.
Forte productivité (besoin d’eau, mais cette eau est bien utilisée).
Plantes en C3 : riz, blé, soja, arbres, …
Rendement effectif 2x plus faible.
Proposition : les transformer en C4. Pas simple…
Dohleman et Long, Plant Physiol. (2009) 150
Foyer et al (2010) Ann. Rev. Plant Biol. 60, 455-484 Sage (2004) New Phytol. 161, 341-370
La photosynthèse
Herbe pérenne Miscanthus × giganteus →
essais au champ à Urbana (Ill.)
Production de 30 t MS/ha/an,
rendement de conversion de l’énergie solaire en biomasse 1%
Maïs : 0,7%
La photosynthèse
Comparaison Maïs / Miscanthus (plantes C4)
Iowa, très forts rendements de maïs
(11 t/ha de grain + 10 t/ha de paille)→ rendement de 0,7%
Miscanthus : rendement de 1%
Vitesse instantanée maximum de photosynthèse :
Maïs 100
Miscanthus 62
Maïs : plus efficace en conditions optimum ;
mais moins efficace sur l’année car saison de croissance
plus courte (sensibilité au froid)
→ voies différentes pour améliorer le maïs (résistance au froid)
ou le Miscanthus (vitesse max de photosynthèse)
La photosynthèse
Les facteurs de succès du Miscanthus :
• Plante en C4 (comme canne à sucre, maïs, etc.)
• Résistance au froid
• Résistance à la sécheresse
• Longue saison de photosynthèse
• Forte absorption de la lumière solaire par feuillage étagé
• Plante semi-permanente
• Faibles besoins d’engrais
Pas de miracle : il lui faut beaucoup d’eau [stomates]
Intérêt : conjuguer résistance au froid et C4 ; à comprendre
[Herbe, culture énergétique, famille de la canne à sucre]
3 : Une indispensable transition énergétique
Pour toute l’humanité
« La transition énergétique,
c’est sortir des combustibles fossiles »
81% de la consommation mondiale d’énergie !
Pourquoi une transition énergétique :
parce qu’on va dans le mur !
Problème essentiel (action urgente) :
Réchauffement climatique
Laisser-faire (BAU, business as usual) → +4 à +6°C en 2100
« Trop de pétrole » (Henri Prévot)
Problème important, mais secondaire :
Epuisement des combustibles fossiles
Réserves limitées (environ 100 ans)
« On va manquer de pétrole » (vox populi)
Raison française :
Une facture de 65 Md€
4 : Comment faire la transition énergétique ?
Place de la biomasse ?
Total : 22,7 Mtep [dont 14,7 biomasse]
Total énergie primaire : 254 Mtep
Total énergie finale : 158 Mtep
Comment utiliser la biomasse ?
(en remplacement de combustibles fossiles)
On la brûle (bois, pailles) → chaleur
[chauffage ; cuisson ; chaleur industrielle et agricole]
On produit des biocarburants liquides
[éthanol : essence ; biodiesel : gazole]
On produit du biogaz (biométhane) à partir de déchets humides
[utilisation comme le gaz naturel]
On produit de l’électricité et de la chaleur (cogénération)
[incinération de déchets ménagers ; papeteries]
+ Matériau de base pour la chimie (pétrochimie)
Les risques au niveau de l’utilisation de l’énergie
• CO2 (on en parle)
• Particules fines et Hydrocarbures (COV, HAP)
(on commence à en parler) : 3 millions de morts/an. Trois tiers :
-- Le charbon et le lignite
-- Le fioul et le gazole
-- La biomasse
cuisson (surtout pays du Sud) et chauffage au bois
solutions : poêles et chaudières plus efficaces
filtration des fumées (grosses installations,
avec réseau de chaleur)
biodiesel (comme diesel); incinérateurs (filtres)
[email protected]
Dans les transports,
les biocarburants pourront-ils remplacer le pétrole ?
Non ! Mais il faut « sortir du pétrole » → addition de solutions partielles
Moins de déplacements, moins de transports
Télétravail, arrêter l’étalement urbain, …
Report partiel vers des modes moins énergivores
Avion → TGV ; camion → train, voie d’eau ; automobile → vélo, tram, train,…
Diminuer la consommation d’énergie
Vitesse réduite, moteurs plus efficaces, véhicules moins lourds, etc.
Autres sources d’énergie
Électricité, et la biomasse : les biocarburants
G1 : éthanol, biodiesel
G2 : filières lignocellulosiques (liquides et biométhane)
5% puis 10% des besoins ? 50% à long terme ?
Les biocarburants
1ère génération :
[« agrocarburants »]
• Remplacement de l’essence (éthanol)
Sources : plantes sucrières (canne, betterave), céréales (blé, maïs), etc.
• Remplacement du gazole (biodiesel)
Sources : oléagineux (colza, tournesol, palmier, soja)
Avantages : fonctionnent ; presque compétitifs.
Problèmes :
• Faible production nette (PN = PB – intrants énergie) 1 tep/ha/an (France)
• Besoin de beaucoup de sols de qualité
• Bilan GES médiocre
Les biocarburants
Carburant : combustible utilisé dans les moteurs
Biocarburant : carburant provenant de la biomasse
Les biocarburants
2ème génération :
[à l’étude ; filière lignocellulosique]
Sources : bois, herbes cultivées (miscanthus) et pailles.
INTERET : biomasse plus abondante, facile à produire.
• Remplacement de l’essence : filières enzymatiques (éthanol).
• Remplacement du gazole : gazéification et synthèse de carburant liquide.
• Remplacement du GNV : biométhane obtenu par
-- méthanisation de déchets
-- méthanation après gazéification.
3ème génération :
les algues (au stade de la recherche)
Déchets fermentescibles (agricoles, industriels, ménagers)
La méthanisation
Principe : bactéries méthanogènes ; absence d’air.
Production de biogaz (méthane = gaz naturel ; CO2, etc)
et de digestat (solide ≈ compost ; liquide).
Potentiel méthanogène de la biomasse de départ :
Bon pour graisses ; mauvais pour la lignocellulose.
Question importante : la valorisation du digestat (cas du lisier).
Utilisation du biogaz
Purification, puis tous usages du méthane (gaz naturel, CH4).
Bonne solution pour les déchets humides / Déchets secs : préférer l’incinération /
Biomasse dédiée : mêmes problèmes que biocarburants liquides.
Limite essentielle : production par hectare
-- Production nette
Pnette = Pbrute – Energie des procédés
-- Production moyenne
Maximum 2 tep/ha/an [pour 20 Mtep, il faut 10 Mha]
« La biomasse, énergie d’avenir ? »
Des énergies locales ?
Le biogaz, solution miracle !
« Faire de l’électricité avec du lisier de porc ? Carburer à l’huile de colza ?
Partout en France des initiatives locales bousculent l’inertie de nos
hommes politiques. … » [Télérama, Alternatives économiques ]
Méthanisation des déchets : OK, mais potentiel limité.
Lisier : très faible production de méthane, et on n’élimine pas N & P.
Addition de biomasse de culture dédiée (maïs, sorgho,…) :
voir le bilan dans [ACV Ademe (2011) biogaz cultures énergétiques]
Maïs ensilage : production brute de biogaz : 3,1 tep/ha
Bilan GES : bon car beaucoup d’électricité (nucléaire) (diesel-60%); mais gain presque
nul avec le mix électrique UE.
Bilan énergétique (- énergie pour la culture du maïs et pour la production du biogaz)
→ Bilan net : 1,8 tep/ha. Pas merveilleux !
Voir concrètement les besoins et les ressources
« La biomasse, énergie d’avenir ? »
Vision concrète des besoins et des ressources
Exemples pour la biomasse
La Suède :
Bois → Chaufferies collectives → Réseaux de chaleur
Le Brésil :
Canne à sucre → Ethanol (biocarburant)
Le Niger : un peu de bois de feu
Le problème de l’énergie :
Des quantités énormes, à très faible coût !
« Les usages non alimentaires de la biomasse » Sylvie Alexandre et al, 2012, p 52
Dès à présent, notre pays ne peut plus se contenter de poursuivre la tendance
actuelle, qui abandonne à terme la partie de nos forêts où réside la ressource
supplémentaire à la déshérence ou la condamne à l’exportation, ou aux chaufferies, en
méconnaissant à quel point les produits forestiers peuvent fournir des matériaux et des
molécules renouvelables, susceptibles de valorisations élevées et stratégiques pour l'aven
La politique énergétique ne peut donc suffire à définir l'avenir de notre filière
forêt-bois. Or c'est jusqu'à présent la valorisation énergétique du bois qui a bénéficié des
leviers étatiques les plus forts : face aux incitations du Fonds Chaleur et de la CRE, qui se
chiffrent en centaines de millions d'euros annuels, que pèsent les 20 Meuros de capital
investissement du Fonds Bois de la CDC, les 6 Meuros annuels du DEFI forêts (dispositif
d'encouragement fiscal à l'investissement forestier), ou les 5 Meuros annuels des aides
ADIBOIS à la modernisation des scieries (PLF 2012 ), ou les crédits mobilisés pour l'étude
PIPAME ?
Dans l'immédiat, la politique énergétique doit être complétée pour corriger les
déséquilibres, amorcer une vraie hiérachie des usages du bois et rapatrier la valeur
ajoutée. La transition vers une économie verte, mais aussi les nouvelles règles de
comptabilisation du carbone contenu dans les produits en bois produits sur place prévue
par la conférence de DURBAN offrent un contexte favorable.
Exporter du blé ou produire de la biomasse énergie ?
En France, 5 Mha pour les cultures d’exportation (céréales)
Un choix à faire :
-- Continuer dans cette voie
Est-ce bon pour les pays du Sud, dans une perspective
d’autosuffisance alimentaire ?
-- Produire de la biomasse pour des transformations locales
(matériaux, chimie, carburants)
Faire le bilan : emplois, balance commerciale ?
La biomasse, énergie d’avenir ?
Nantes, projet Cofély : utilisation de 65 000 t de biomasse/an.
Production 2 tep/ha/an ; zone avec 25% de forêt productive ;
→ besoin de la production de 1 200 km2 (30x40 km).
Mais le bois sera-t-il local ou importé ?
Site Cofély : « Le bois-énergie, votre énergie locale et renouvelable » !!
Gardanne (La Provence, 6/2/2012), projet EON : Objectif de réduction
de 500 kt/an de CO2 ; soit 200 ktep de charbon remplacé par 200 ktep
de bois. Si la forêt productive couvre 33% de la zone de production, produit
2 tep/ha/an, dont on récolte 50%.
→ besoin de 6 000 km2 (60x100 km), soit un département français moyen.
Problèmes de collecte et de transport du bois.
Bois local ou bois importé ?
Quelles énergies pour demain ?
Biomasse et production de chaleur
Deux ressources : le bois-énergie, les déchets
Deux besoins : chauffage des bâtiments, chaleur industrielle
Potentiel des forêts en bois-énergie : doubler pour obtenir
Bois de chauffe 12 Mtep
Déchets du bois 6 Mtep (papeteries, scieries, granulés)
Les difficultés
Forêt sous-exploitée (possibilité d’augmentation → 20 Mtep ?)
Circuits d’approvisionnement et prix
Pollution atmosphérique
Note : Besoins de chaleur en France : 84 Mtep (gaz 35 Mtep)
PM, Ecuelles, le 1 février 2013
Trois choses importantes :
Stockage de l’énergie
Éolien, photovoltaïque : énergies intermittentes
Biomasse : énergie stockée
Ordres de grandeur
Energie que la Terre reçoit du soleil : 7 000
Energie stockée (biomasse) :
Energie utilisée par l’humanité :
7
1
Energie finale (France) : 156 Mtep/an
Energie nette de biomasse : 1 tep/ha/an*
→ Besoin de 156 Mha (surface terres agricoles + forêts : 40 Mha)
(modestie ! Usages bien ciblés)
* Production d’huile d’un ha de colza : 1 tep/ha/an
Où l’on va (à très long terme, au-delà de cent ans)
La consommation d’énergie aura augmenté (population ; développement)
Les combustibles fossiles seront rares (réservés pour transports à longue
distance ?).
Le nucléaire actuel → réserves d’uranium largement entamées.
Des possibilités : surgénérateurs, thorium, fusion contrôlée (mais ?)
Les énergies renouvelables : les seules dont on soit assuré.
Potentiel du soleil ( 7000 x consommation actuelle )
Espoir !
La biomasse-énergie, une énergie du passé ?
400 000 ans : invention du feu (bois, herbes)
Jusqu’en 1800 : énergie dominante
Production presque constante : 1 000 Mtep
La modernité :
-- Meilleur rendement de combustion (chaudières, poêles, pellets)
-- Nouveaux vecteurs énergétiques (biocarburants liquides, biométhane)
-- Production améliorée (sélection de variétés, taillis à courte rotation)
Le futur : parvenir à 2 000 Mtep ?
 Suivre l’augmentation des besoins d’énergie
 Remplacer partiellement les combustibles fossiles
Comment améliorer les services rendus par la forêt française ?
-- Des parcelles plus grandes
-- Inciter à l’exploitation en bois d’œuvre
Plus rentable
Utiliser les bois d’éclaircie et les rémanents → industrie et chauffage
-- Aide à l’investissement à long terme
-- Expérimenter les taillis à courte rotation
-- Sécuriser l’approvisionnement des chaufferies
-- Utiliser les productions locales (agroforesterie)
Potentiel des forêts en bois-énergie : doubler pour obtenir
Bois de chauffe 12 Mtep
Déchets du bois 6 Mtep (papeteries, scieries, granulés)
Améliorer les chaudières + réseau de chaleur
Les déchets, nouveau pétrole vert ?
Tri → - Recyclage
- Déchets fermentescibles (méthanisation) → méthane (ex : transports)
- Déchets secs (incinération)
↓ (usine : plus de 50 000 t/an ; bon traitement des fumées)
Production de chaleur
↓
Chauffage
Electricité
Habitat et tertiaire
Besoins industriels (permanents ?)
Le réseau de chaleur permet une bonne valorisation de la chaleur. Essentiel.
La Terre pourra-t-elle durablement nourrir l’humanité
et contribuer à ses autres besoins (énergie, matériaux, chimie) ?
Augmentation des besoins alimentaires (démographie, niveau de vie)
Des facteurs positifs : amélioration des variétés et des méthodes culturales, énergie
pour les cultures
Des facteurs de risque : dégradation des sols, réchauffement climatique, inégalités
régionales, fort développement des cultures énergétiques
Canne à sucre, palmier à huile, miscanthus : des plantes miracles ?
Canne à sucre
[ par hectare : 11 t de sucre et 3,6 tep de bagasse ]
8 tep
Palmier à huile
[ par hectare : 6 t d’huile ]
6 tep
Miscanthus
[ par hectare : 5 tep ]
5 tep
La biomasse-énergie est-elle rentable ?
Pour le chauffage domestique :
Bois : prix TTC, livré, 2009 (pour particuliers)
Bûches 3,3 €/kWh
Granulés (sac) 6,3 €/kWh
Plaquettes forestières 2,8 €/kWh
Gaz naturel 5,8 €/kWh
Fioul domestique 6,0 €/kWh
Biocarburant, éthanol
France : besoin de subvention
Brésil : rentable

La biomasse, énergie d`avenir

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