Unité de valorisation énergétique de la biomasse (Allemagne).EnSuède, pays froid, peu peuplé et très boisé, la biomasse est devenue la première source de chaleur urbaine (Source : Agence suédoise de l'énergie).
Sous certaines conditions, elle répond à desenjeux dedéveloppement durable et d'économie circulaire ; en se substituant aux énergies fossiles pour réduire les émissions globales degaz à effet de serre, en restaurant aussi parfois certainspuits de carbone (semi-naturels dans le cas des boisements et haies exploités). En quelques décennies des filières nouvelles sont apparues :biocarburants,granulés de bois, méthanisation industrielle, créant des tensions sur certaines ressources, avec de nouveaux risques desurexploitation de la ressource et de remplacement decultures vivrières par des cultures énergétiques. En France, unestratégie nationale de mobilisation de la biomasse (2018) vise à augmenter la quantité de biomasse collectée, en créant le moins possible d'effets collatéraux négatifs sur la biodiversité, les paysages et d'autres filières dépendantes de la même ressource.
En 2023, selon l'Agence internationale de l'énergie, la biomasse fournissait 8,8 % de l'énergie primaire consommée dans le monde, 2,2 % de la production mondiale d'électricité et 3,9 % de l'énergie consommée par les transports. Selon un rapport de laCommission européenne, la bioénergie pourrait couvrir jusqu'à 13 % de la demande énergétique de l'UE.
La part de la biomasse dans la consommation d'énergie primaire est maximale dans les pays les moins développés : 94,7 % enRépublique démocratique du Congo, 87,5 % enÉthiopie, 44,9 % auNigeria. Elle est aussi importante dans les pays qui ont fortement développé lesagrocarburants : 32,8 % auBrésil. Dans la production d'électricité à partir de biomasse, la Chine arrive largement en tête : 30,3 % du total mondial, suivie par le Brésil (8,7 %). Les pays nordiques dotées de vastes forêts ont les plus fortes parts de la biomasse dans la production d'électricité : 13,4 % en Finlande, 6,2 % en Suède ; c'est également le cas des pays disposant de grandes quantités de déchets agricoles : Thaïlande (11 %), Brésil (8,1 %), Indonésie (6,1 %).
D'un point de vueénergétique, la biomasse représente toutemasse vivante à partir de laquelle de l'énergie peut être obtenue parcombustion oufermentation[1]. Le terme « biomasse » est apparu en 1966. Il est composé demasse avec lepréfixebio-, dugrec ancienβίος /bíos, « vie »[2]. L'énergie tirée directement de la biomasse est parfois aussi appelée « bioénergie »[3] ; ce terme exclut ainsi lescombustibles fossiles, également issus de la biomasse et transformés sur plusieurs milliers d'années[4].
La biomasse est considérée comme uneénergie renouvelable tant que la quantité de matière utilisée est égale ou inférieure à la quantité qui peut être régénérée[4]. La biomasse peut être séparée en deux catégories : traditionnelle et moderne. La biomasse traditionnelle englobe la combustion debois énergie, d'excréments d'animaux et decharbon de bois, tandis que la biomasse moderne concerne des procédés technologiques tels que la production degranulés de bois ou debiocarburants[5].
C'est par le feu que l'Homme a d'abord utilisé de l'énergie de la biomasse, pour cuire et se chauffer ou s'éclairer (torche, lampe à huile) depuis plusieurs dizaines de milliers d'années.
De récentes crises ont relancé l'intérêt pour la biomasse ; desgazogènes gazéifiant du bois ont équipé de nombreux véhicules quand le pétrole a manqué durant les deuxguerres mondiales. Les deux dernières grandes crises pétrolières ont relancé l'usage dubois de chauffage, voire de la tourbe (enIrlande par exemple). Depuis lesommet de la terre de Rio, l'objectif de développement durable, puis avecKyoto celui de lutter contre lechangement climatique entretiennent ou renouvellent cet intérêt. En 2015, selon laFAO, 53 % du bois coupé dans le monde l'était pour le chauffage et la cuisson. De manière plus détaillée, ce taux était de 8 % en Amérique du Nord, 21 % en Europe, 53 % en Amérique du Sud, 77 % en Asie et 90 % en Afrique.
La biomasse est parfois utilisée en « co-combustion » (ex. : déchets d'huileries mélangés à du charbon bitumineux)[6].
Prospective : l'INRA a annoncé en octobre 2014 avoir mis au point et breveté une « voie sèche » de préparation par fractionnement de la biomasse lignocellulosique de type paille deblé et paille deriz[7]. La matière est finement broyée puis un tri électrostatique la prépare pour la rendre plus accessible auxenzymes ou pour la valoriser en sous forme de lignine-hémicelluloses et/ou de minéraux. La méthode est applicable au bois/ligneux et aux sous-produits agricoles, aux cultures ligno-cellulosiques dédiée, qui pourrait servir à produire des agrocarburants, des molécules et matériaux biosourcés. Cette invention a été présentée dans deux revues scientifiques et techniques (Biotechnology for BiofuelsetGreen Chemistry)[7]. Cette méthode pourrait réduire les prétraitements chimiques polluants, consommateurs d'eau et générateurs d'effluents[7]. L'exportation de ces pailles prive cependant le sol agricole d'une protection naturelle et d'une source de carbone.
Il existe trois types de matériaux dont les dérivés se retrouvent dans les matières premières de la biomasse : lessucres etamidons, lescelluloses etlignocelluloses et leslipides[8]. Ces matières se retrouvent dans deux catégories deplantes : lesplantes ligneuses et les non-ligneuses[9]. La majorité de la biomasse utilisée pour la production d'énergie vient de forêts, de l'agriculture ou de déchets. En 2024 dans une étude menée à l'échelle de la France,Solagro estime que les ressources issues de l'agriculture représentent 60% du potentiel de biomasse énergétique, le bois issu de forêts ou hors forêts 20% et le reste (déchets etcoproduits) 20 %, pour un potentiel total français de 100 mégatonnes dematière sèche par an (de l'ordre de 340 TWh)[10]. L'agroforesterie et l'utilisation d'algues sont deux sources émergentes de la biomasse[9].
Les forêts ont été les premières sources de biomasse et représentent la source la plus importante de bioénergie pour la cuisson et le chauffage domestique, notamment dans les pays en développement. Il existe cependant peu de forêts destinées à la production de bioénergie ; lebois énergie est dans la plupart des cas un sous-produit dubois d'œuvre[11]. De ce fait, le bois utilisé comme biomasse est sous forme d'écorce ou decopeau. L'écorce a unedensité énergétique plus élevée, mais elle contient de lasilice et dupotassium, ce qui diminue sa qualité de combustible. Les copeaux peuvent être utilisés comme combustibles ou être transformés enpellets[11].
La biomasse issue de l'agriculture utilisée à des fins énergétiques représente généralement des résidus non-comestibles, mais elle peut également être cultivée spécialement afin d'en faire de la bioénergie. La culture dumaïs peut ainsi être réservée à la consommation alimentaire ou à la production de biomasse[12].
Les déchets utilisés dans la biomasse concernent principalement les résidus de procédés industriels, les déchets solides et liquides issues de l'agriculture, comme lefumier, des déchets municipaux biodégradables tels que lesdéchets verts et lepapier et des déchets issus de la construction tels que du bois[13].
D'autres bioénergies découlent directement des déchets organiques, avec par exemple des déchets utilisés en cimenteries comme combustibles solides de substitution (CSS) pour économiser le pétrole.
Les coûts et impacts du transport pour amener le bois là où la ressource manque,
Les risques desurexploitation etdéforestation induites ou d'accaparement des terres pour ydélocaliser une production de biocarburant pour les pays riches[14] (en Afrique, en 2010, 4,5 millions d’hectares de terres, l'équivalente du Danemark étaient en cours d'acquisition par des investisseurs étrangers pour y cultiver des agrocarburants, au détriment des cultures vivrières locales ou de la forêt[15]).
Ce problème concerne aussi la combustion du bois dans les centrales électriques ; ainsi, la conversion de lacentrale électrique de Drax (Royaume-Uni) à la biomasse est révélatrice de ce problème : son approvisionnement nécessite chaque année 13 millions de tonnes de bois soit, à elle seule, 120 % de la production totale de bois du Royaume-Uni. En quelques années, le Royaume-Uni a ainsi massivement augmenté ses importations de bois, notamment en provenance des États-Unis, alimentant une forte destruction des forêts naturelles de la côte Est[16],[17].
Les problèmes depollution atmosphérique induits par la combustion mal maîtrisée du bois,combustible solide (concerne notamment les anciens systèmes de chauffage non automatiques, particulièrement en zone d'habitat rapproché). L'utilisation debois ou decharbon de bois dans des foyers mal conçus ou mal ventilés peut entraîner des problèmes desanté pour les habitants et riverains. « Dans le contexte international de forte dépendance aux énergies quelles que soient leurs origines, comme le charbon, le pétrole et le nucléaire, l'énergie biomasse prend une place de plus en plus importante […] Bien que les énergies ditesvertes soient une excellente solution parce qu’elles sont neutres dans lecycle du carbone, la biomasse engendre des problèmes d’émissions departicules. Les bioénergies sont donc vertes en CO2 mais peuvent être polluantes en dégradant laqualité de l’air »[18].
Le bois étant plus émetteur d'oxydes d'azote (NOx) que les combustibles fossiles de typegaz naturel etfioul, le développement de la biomasse énergie, dans le cadre du développement desénergies renouvelables, « joue un rôle prépondérant par rapport aux autres énergies dans l’évolution des émissions de NOx »[19].
Plusieurs solutions évitant la combustion directe sont :
latorréfaction de la biomasse. La biomasse torréfiée (aussi dénommée « Biocoal » ou « Biochar ») est allégée et brûle mieux et plus proprement. Elle peut servir à la production d’électricité et de chaleur (cogénération le cas échéant), auchauffage central...). Ce nouveau combustible offre de nouvelles perspectives auxénergies renouvelables. Plus précisément, en torréfiant la biomasse (bois par exemple) le PCI passe de 10-11 GJ/m3 à 18-20 GJ/m3 ce qui conduit à une économie de près de 50 % sur les coûts de transport. Une technologie émergente, encore plus performante en matière debilan carbone et d'efficience énergétique est lacarbonisation hydrothermale.
la conversion du bois engaz naturel de synthèse. Si les surfaces dévolues auxforêts restent constantes, proches des lieux d'utilisation, et si la quantité prélevée correspond chaque année à la croissance annuelle des arbres, alors le bois-énergie ne contribue pas à ladéforestation et a peu d'impact sur l'effet de serre (Cf. lebilan carbone du bois énergie).
un usage accru de combustibles à base delignines (plutôt que de cellulose), mais leur valeur énergétique est très variable. Lemiscanthus (ou herbe à éléphant) fait par exemple l'objet d'études, dont auRoyaume-Uni, enBelgique[20] et auxÉtats-Unis. Il a l'avantage d'un très bon rendement énergétique (proche de celui du charbon à poids égal) : proche de 10 kWh par mètre carré et par an.
On appellebiogaz les effluents gazeux,méthane essentiellement, issus de lafermentation dematières organiques contenues dans lesdécharges, les stations d'épuration des eaux ou desdigesteurs construits à cet effet. Le méthane est un puissant gaz àeffet de serre et sa captation est de toute façon hautement souhaitable. Il peut être considéré comme une ressource énergétique[21], souvent via sacombustion pour produire de lavapeur et de l'électricité ; son utilisation directe dans des moteurs à gaz pauvres peut aussi être envisagée. Le biogaz est un gaz combustible, composé en moyenne de méthane (CH4) à 60 % et de CO2 à 40 %.
En 2024, la méthanisation est pour l'instant la seule filière de valorisation de la biomasse permettant un double retour au sol de nutriments et de matière organique (par exemple via l'épandage des digestats)[10].
l'huile végétale brute, et les esters d'huiles végétales (colza...) ;
l'éthanol, produit à partir de blé et de betterave, incorporable dans le super sans plomb sous forme d'Ethyl Tertio Butyl Ether (ETBE, voir bioéthanol).
La biomasse énergie est utilisée depuis la préhistoire (maîtrise dufeu). Elle reste la première énergie renouvelable utilisée dans le monde, pour lechauffage et lacuisson des plats de cuisine, mais essentiellement dans les pays peu industrialisés[22].
Selon l'Agence internationale de l'énergie, en 2023, la consommation mondiale de « biomasse et déchets » atteignait 56 014 PJ (pétajoules), soit 8,8 % de la consommation totale d'énergie primaire, contre 9,6 % en 1990 ; elle a progressé de 60 % en 33 ans[23]. Sur ce total, 12,0 % sont utilisés pour la production d'électricité, 6,2 % pour la production combinée d'électricité et de chaleur (cogénération), 1,1 % pour les chaufferies desréseaux de chaleur, 7,3 % ont été transformés en carburants et 72,0 % ont été utilisés dans la consommation finale directe, en particulier 39,7 % par lesecteur résidentiel (chauffage, cuisine), 20,3 % par l'industrie et 8,4 % par les transports (agrocarburants). La biomasse et les déchets couvrent 3,9 % de la consommation d'énergie des transports[24].
Part de la biomasse et des déchets dans la consommation d'énergie primaire (PJ)
La biomasse (sans les déchets) assure 2,2 % de laproduction mondiale d'électricité en 2023 ; cette part était de 0,9 % en 1990 ; de 1990 à 2023, la production d'électricité à partir de biomasse a progressé de 479 %. Avec 30,3 % du total mondial, laChine est le premier producteur d'électricité à partir de biomasse, devant leBrésil (8,7 %), lesÉtats-Unis (7,0 %), l'Allemagne (6,1 %), le Japon (6,0 %) et l'Inde (5,7 %)[25].
Production d'électricité à partir de biomasse (TWh)
Selon l'Agence internationale de l'énergie, en 2060, la biomasse devrait couvrir près de 17 % de la consommation d'énergie finale contre 4,5 % en 2015. En 2016, les agrocarburants couvraient environ 4 % des besoins d'énergie du transport routier[26].
Avec 60 % en 2013, la biomasse-énergie est la première source d'énergie renouvelable, devant l'énergie hydraulique (17 %)[27].
LaCommission européenne a estimé que (si le changement climatique n'affecte pas négativement cette ressource) la bioénergie pourrait couvrir jusqu'à environ 13 % de la demande énergétique de l'UE (telle qu'elle était en 2018)[28].
depuis 1996 une Association européenne des industries de la biomasse (European Biomass Industry Association, EUBIA), qui représente les forces du marché, les fournisseurs de technologie et les centres de connaissances, du secteur de la biomasse[30].
Ventilation de la production économique de l'UE-28 par groupe de cultures, exprimée en Mt de matière sèche par an. Valeurs moyennes sur la période de référence 2006-2015. Les cultures énergétiques sont le carré rouge en bas à droite.Ventilation de la production économique de l'UE-28 ; culture par culture, exprimée en Mt de matière sèche par an. Valeurs moyennes sur la période de référence 2006-2015 (cliquer pour agrandir).
À ces conditions, elle présente des avantages pour le développement local (ex : emplois non délocalisables pour les usages en filières locales, valorisation locale de déchets, etc.).
Comme dans le cas desressources fossiles, il s'agit d'une forme de stockage de l'énergie solaire par l'intermédiaire ducarbone, provenant originellement du CO2 capté par lesplantes ou lephytoplancton. En brûlant, elle libère ce CO2, comme le charbon, le gaz ou le pétrole, mais avec une différence importante : ce carbone arécemment été extrait de l'atmosphère via laphotosynthèse, et il peut - théoriquement - être à nouveau capté par des plantes, alors que ce processus a eu lieu il y a des millions d'années pour les ressources fossiles. Les plantes et algues marines ne suffisent cependant plus à absorber le carbone issu deshydrocarbures fossiles. Dans l'absolu, le bilan quantitatif CO2 d'une installation est nul quand toute l'énergie qu'il a fallu dépenser pour extraire du combustible de la biomasse provient elle aussi de la biomasse. En régime industriel établi, il est possible d'utiliser de la biomasse pour le fonctionnement de l'installation, en veillant à ne pas libérer d'autres gaz à effet de serre, comme leméthane (CH4) notamment qui a un pouvoir réchauffant environ 21 fois plus important que le CO2 à court terme, mais qui disparaît plus vite que celui-ci. Une fuite conséquente dans une installation deméthanisation rendrait son bilan GES très négatif.
Quatre chercheurs américains duNational Center for Atmospheric Research, et de lasociété Max-Planck pour le développement des sciences, rappellent en 1979 dans la revueNature que la combustion de biomasse est rarement neutre : elle est une source importante de CO2, et d'autres gaz polluants (plus ou moins selon la quantité et le type de biomasse, et selon le type de combustion) : CO, N2O, NO, CH3Cl et COS[32].
La culture et la combustion d'une quantité excessive de biomasse peuvent à la fois affecter la biodiversité, les émissions degaz à effet de serre et la couche d'ozone[33] et émettre de nombreux autres polluants potentiels si le bois ou la biomasse brûlée étaient pollués par exemple par du sel, despesticides, desmétaux oumétalloïdes. Brûler de la biomasse (ou le bio gaz ou biocarburant qui en est extrait) peut« largement contribuer aux budgets de plusieurs gaz importants dans la chimie atmosphérique. Dans plusieurs cas, l’émission est comparable à la source technologique. La plupart des incendies ont lieu sous les tropiques à la saison sèche et sont causés par les activités de l'homme »[32].
Certains procédés, notamment associés à la production d'éthanol vert ou d'agrocarburants ou biocarburants sophistiqués (hydrogène vert, kérosène vert…) valorisant la biomasse ne sont pas intrinsèquement plus sûrs que leurs homologues valorisant leshydrocarbures fossiles. Ils impliquent la présence de gaz (ou plus en amont de poussières) susceptibles de produire une atmosphère inflammable ou explosive. La biomasse, composée de matière organique, peut en effet se décomposer et libérer du méthane ou des microparticules ou nanoparticules très inflammables. Les explosions de gaz ou de poussières[35] peuvent être très violentes et causer des morts et dommages matériels importants, voire des morts. par exemple, en 2014, une usine allemande qui produisait du biogaz à partir de déchets agricoles a explosé à la suite d'une accumulation de méthane dans une zone de stockage. En 2008, la raffinerie Sugar Imperial aux États-Unis a explosé, tuant 14 personnes : de la poussière de sucre en suspension dans l’air dans la zone d’emballage avait pris feu).
Ce risque peut être réduit par une bonne maitrise des procédés de stockage et valorisation de la biomasse, avec notamment :
des systèmes et procédures efficaces de prévention[36], détection et extinction des incendies ;
une limitation de la quantité de biomasse stockée dans un même lieu ;
l'utilisation de barrières physiques empêchant la propagation des flammes ou des explosions en séries (par« effet domino »)[37].
Cet emballement survient quand la température d'une réaction chimique augmente de façon incontrôlée, pouvant alors causer une rupture du réacteur et la libération de produits dangereux.
Une bonne compréhention et maitrise des réactions chimiques en jeu dans la valorisation de la biomasse permet de réduire ce risques, via notamment :
La modélisation des réactions chimiques et d'éventuels phénomènes decatalyses ou d'autocatalyse ;
Le développement de procédés alternatifs ou plus sûrs la gestion des phénomènes électrostatiques et autres risques d'étincelle ;
Sans précautions adaptées, letri des déchets organiques et la manipulation de biomasse enputréfaction (excréments etcadavres animaux notamment) peuvent exposer à des odeurs, gaz etlixiviats toxiques ou trèspolluants (nitrates,phosphates, sels), ainsi qu'à des microbes ou à despullulations problématiques d'espèces opportunistes (rats, mouches).
Évaluer les différentes formes de valorisation nécessite de comparer les usages, ce qui suppose de mettre en place des méthodes d'évaluation et detraçabilité desfilières intégrées.
La mise en place de latraçabilité enagroalimentaire fait l'objet de règlementations (notamment dans l'Union européenne). Elle est encouragée par des normes (ISO 22000).
La traçabilité permet également de réduire lesrisques, donc les coûts indirects pour la collectivité.
La valeur de la tonne de carbone en2006 est de l'ordre de grandeur de 100 euros. La valeur marchande de la tonne d'équivalent CO2 est très volatile : elle dépend (entre autres) du prix du pétrole, des décisions politiques de Bruxelles (nombre de quotas, politique énergétique à long terme de l'UE) et de la spéculation. Au 13 mars 2008, la tonne d'équivalent CO2 valait 22 euros. En 2014, elle vaut environ 5 euros.
Dans le monde, de nombreux programmes soutiennent ou ont soutenu les filières biomasse énergie.
En Europe, l'Union européenne, pour limiter le dérèglement climatique, a promu la biomasse comme source d'énergie renouvelable. La directive sur les énergies renouvelables (2009)[40] impose aux États membres qu'au moins 20 % du total de leur consommation d'énergie soit d'origine renouvelable, avant 2020. Depuis 2009, les fonds européens affectés à la biomasse-énergie ont plus que doublé (passant de 1,6 milliard d'euros pour 2007-2013 à 3,4 milliards pour 2014-2020[41]. Cette croissance, note la cour des comptes européenne (en 2018)[42], peut entraîner une croissance des taux de certains polluants de l'air émis. L'Agence européenne pour l'environnement a aussi noté que lespolitiques climatiques peuvent contredire celles en faveur de la qualité de l'air, si la biomasse est brûlée dans des installations qui polluent l'air, avec des effets nocifs sur la santé humaine[43].
↑Directive 2009/28/CE du Parlement européen et du Conseil du 23 avril 2009 relative à la promotion de l'utilisation de l'énergie produite à partir de sources renouvelables et modifiant puis abrogeant les directives 2001/77/CE et 2003/30/CE (JO L 140 du 5.6.2009,p. 16).
Damien A (2013)Biomasse énergie. Définitions, ressources et modes de transformation, Ed. Dunod,2e éd. parue le, 288 pages
IFN, CTBA,Solagro (2009)Évaluation de la biomasse forestière, populicole et bocagère disponible pour l’énergie ; étude commandée par l'ADEME
IFP Énergie nouvelle (2010)Quelles ressources en biomasse pour un système énergétique durable ? ; Note de synthèse, rédigées par des experts d'IFP Énergies nouvelles (Téléchargerla version PDF - 1,4 Mo)
Yi Man, Honghua Xiao, Wei Cai, Siyu Yang (2017)Multi-scale sustainability assessments for biomass-based and coal-based fuels in China (Évaluations à plusieurs échelles de durabilité pour les combustibles à base de biomasse et à base de charbon en Chine) ; Science of The Total Environment, Volumes 599–600,p. 863–872 (résumé)
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