Thémadoc Les énergies renouvelables, c'est quoi ?

I - La biomasse : une ressource naturelle

C'est la masse des êtres vivants sur Terre (animaux et végétaux). La biomasse* des végétaux chlorophylliens* occupe une place importante sur Terre car elle transforme l'énergie* solaire en énergie* chimique (la matière organique* fabriquée par la photosynthèse*). Ce gisement d'énergie "verte" se renouvelle constamment s'il n'est pas surexploité et constitue la base alimentaire de tous les autres êtres vivants.

Les végétaux chlorophylliens stockent l'énergie solaire.

Les bois, les cultures agricoles représentent une biomasse disponible comme source d'énergie* pour l'homme. Dans les régions où les conditions climatiques sont favorables, de véritables cultures d'arbres, de plantes aquatiques ou de graminées* (plantes à haut rendement photosynthétique*) sont entièrement destinées à la production d'énergie*. Par exemple, on plante des arbres feuillus ou résineux à croissance rapide (peuplier, pin, eucalyptus, etc.) sur des surfaces agricoles inoccupées : ce sont des cultures en taillis*. On expérimente même (Amérique du Nord) des systèmes agroforestiers* combinant la culture des graminées* dans des parcelles ceinturées d'un alignement d'arbres à croissance rapide.

II - La biomasse, une source d'énergie renouvelable

Hier

L'utilisation du bois pour se chauffer, cuire des aliments ou s'éclairer est bien sûr préhistorique. À partir du XVII^e siècle, grâce à Denis Papin, on utilise le bois pour produire de la vapeur sous pression, nécessaire au fonctionnement des machines, c'est le départ de la Révolution industrielle.

Aujourd'hui

1 - La biomasse utilisée comme biocombustible

La biomasse* sèche (bois et paille), les déchets organiques* solides et ordures ménagères, les déchets de l'industrie du bois peuvent satisfaire les besoins en chaleur dans différents secteurs des activités humaines, notamment comme biocombustible* pour les chaudières.
Si les déchets de l'industrie du bois (estimés à 300 000 tonnes équivalent pétrole (TEP)) sont régulièrement récupérés pour être recyclés, les résidus forestiers* (estimés à 4 millions de tonnes équivalent pétrole (TEP)) sont encore trop souvent brûlés sur place ou mis en décharge. L'une des raisons est que la récolte et le conditionnement des résidus forestiers sont plus difficiles puisqu'il faut utiliser des machines spécialisées pour déchiqueter le bois sur place.
Après récupération, pour faciliter son stockage et permettre une bonne automaticité dans l'alimentation et la régularisation des chaudières, le biocombustible* doit être normalisé, calibré, dépoussiéré. Il est ainsi conditionné sous forme de plaquettes ou de granulés.

Fabrication du combustible

Granulés de sciure et d'ordures ménagères

Pour utiliser cette filière, il faut impérativement compter sur une ressource en biocombustible* durable et sur des coûts de collecte et de transport raisonnables.
Des collectivités locales choisissent d'utiliser le biocombustible pour le chauffage de bâtiments communaux (écoles, bibliothèques, gymnases, piscines...) ou le chauffage des locaux professionnels agricoles (serres, bâtiments d'élevage, séchage du fourrage...). Ils sont alimentés par un réseau de chaleur relié à une chaufferie centrale.

Plan d'un réseau de chaleur

En général, la chaufferie centrale est alimentée par deux combustibles* : biocombustible et fioul ou biocombustible et gaz. Les chaudières collectives fonctionnent par une combustion* inversée : un ventilateur souffle l'air nécessaire à la combustion en dirigeant les flammes vers le bas. Elles sont ainsi moins polluantes et ont un rendement supérieur aux chaudières à combustion naturelle mais nécessitent des règles d'installation et un entretien très stricts.

Même si le coût de ces installations est élevé, selon l'ADEME, l'utilisation du biocombustible* pour alimenter les chaudières présente des avantages environnementaux et économiques par rapport à l'utilisation des combustibles fossiles*.
- Aération et rajeunissement des forêts par des coupes régulières et raisonnées.
- Diminution de l'effet de serre* grâce à une émission plus faible de dioxyde de carbone* (CO₂).
- Pas de rejet de dioxyde de soufre* (SO₂) dans l'atmosphère* car le bois ne contient pas de composés soufrés.
- Peu de rejet d'oxydes* d'azote (formule générale NOx ; le plus important est le dioxyde d'azote de formule NO₂) si la température de combustion est bien réglée dans la chaudière.
- Taux de cendres peu élevé.
- Suppression d'une décharge et valorisation des déchets* de la collectivité.
- Création d'emplois.

En France, dans le cadre du plan "Bois-énergie et développement local" lancé en 1994, l'État incite les collectivités locales à s'équiper de chaufferies collectives à bois par l'octroi d'une subvention allant jusqu'à 50 % de l'investissement initial.
En Basse-Normandie, la première commune ainsi équipée est la Ferté-Macé (Orne) : mise en service au début de l'année 1999, une chaudière de 2 mégawatts* (MW) de puissance* fonctionne en permanence du mois d'octobre au mois de mai et fournit 85 % des besoins de chauffage de 400 logements sociaux, du groupe scolaire maternel et primaire, du lycée professionnel et du gymnase.
La chaudière consomme 3 000 tonnes d'écorces de bois par an, provenant de 4 à 5 scieries des environs de la Ferté-Macé. Un personnel qualifié gère l'approvisionnement en écorces de la chaufferie et sa maintenance. Les cendres et les poussières issues de la combustion* (environ 100 tonnes/an) sont utilisées par les agriculteurs de la région comme engrais naturel.

Les différentes filières du bois

2 - La biomasse utilisée comme biocarburant

Le biocarburant* est fabriqué à partir d'un alcool* : l'éthanol*. Lorsque celui-ci est fabriqué à partir d'un processus biologique, on l'appelle bioéthanol.

La production du bioéthanol est obtenue à partir de la fermentation* de la biomasse*. Ce sont les cultures de betteraves, cannes à sucre, sous-produits de sucreries, qui constituent la source de bioéthanol la plus importante. Plus les végétaux sont riches en sucres (les hexoses*), plus la fermentation* est élevée. Le blé, le maïs ou le topinambour sont aussi utilisés car ils contiennent des polysaccharides* (amidon ou inuline) facilement transformables en hexoses.
Ces végétaux sont d'abord broyés pour séparer le jus fermentescible des restes qui seront destinés à l'alimentation du bétail (pulpes, tourteaux).
Dans les distilleries, la fermentation du jus est assurée par des levures* du genre saccharomyces (champignons microscopiques). Cette opération se déroule en continu à 32-33° C en milieu partiellement anaérobie* et de pH* acide stable et permet de transformer les sucres* en éthanol* (alcool*) et dioxyde de carbone. Globalement, le rendement est de 46 kg d'éthanol pour 100 kg de sucres fermentés. Des opérations de purification sont nécessaires pour extraire l'éthanol du milieu.
L'utilisation directe de l'éthanol comme biocarburant* ne peut se faire que pour des moteurs spécifiquement adaptés car il faut deux fois moins d'air pour provoquer la combustion* d'1 gramme d'éthanol par rapport à 1 gramme d'essence classique. Par contre, un dérivé de l'éthanol, l'ETBE (éthyl-tertio-butyl-éther), peut être directement utilisé avec les moteurs essence standards, en mélange avec de l'essence classique. L'ETBE est obtenu par condensation de l'éthanol avec l'isobutène (fraction pétrolière légère de raffinerie).
L'utilisation du bioéthanol comme biocarburant permet de relever l'indice d'octane* et contribue à baisser les émissions de dioxyde de soufre*, d'oxyde* de carbone, d'hydrocarbures* et de composés aromatiques (benzène, toluène, xylène) dans l'atmosphère*.
Mais dans l'état actuel des technologies utilisées, la fabrication du bioéthanol est un procédé qui reste onéreux.

La production d'huiles végétales
Elle est obtenue à partir des cultures de plantes oléagineuses* (soja, colza, tournesol, arachide). Les graines subissent plusieurs traitements mécaniques (broyage et pressage) et chimiques (raffinage) afin de récupérer des huiles végétales pures de type triglycérides*. Le traitement des triglycérides par du méthanol* permet d'obtenir deux types de produits : des esters méthyléniques et de la glycérine (ou glycérol*).
La glycérine est utilisée pour d'autres domaines (fabrication de cosmétiques, d'explosifs, etc.). Les restes des graines (tourteaux) sont destinés à l'alimentation animale.
Les esters méthyléniques sont utilisés comme biocarburant* diesel en mélange avec le gazole dans les proportions de 5 % à 20 %. Ce mélange permet de réduire les fumées et les particules produites dans la combustion* du gazole. La principale utilisation concerne les véhicules utilitaires (poids lourds, tracteurs, bus).

3 - La biomasse utilisée pour produire du biogaz

À la différence du gaz naturel qui est du méthane* d'origine fossile, le biogaz* est du méthane produit par la fermentation* actuelle des résidus organiques* humides végétaux ou animaux (fumiers, lisiers, boues d'épuration, déchets verts après compostage).
La méthanisation est une fermentation anaérobie* réalisée par des bactéries* à une température* de 35° C. Les bactéries dégradent facilement les résidus riches en cellulose*, amidon* ou hexoses*, plus difficilement les résidus ligneux (riches en bois). Les gaz issus de la fermentation sont composés de 65 % de méthane (CH₄), 34 % de dioxyde de carbone* (CO₂) et 1 % d'autres gaz (dont le sulfure d'hydrogène et l'azote).
La méthanisation est un phénomène naturel surtout développé dans les marécages, les cultures du riz, les élevages bovins, les décharges. Elle a l'inconvénient de renforcer le réchauffement de l'atmosphère* puisque le méthane a un effet de serre* supérieur à celui du dioxyde de carbone.
Or le méthane est un bon combustible* d'où l'idée de l'utiliser comme biogaz pour produire de la chaleur, de l'électricité* ou l'utiliser comme biocarburant*.
Avant son utilisation, le biogaz doit être épuré. Il faut le débarrasser des constituants indésirables que sont le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène à l'aide de techniques physico-chimiques coûteuses.
L'utilisation du méthane comme biogaz reste rare en raison des contraintes techniques de purification et de stockage, d'une mauvaise rentabilité financière, d'une conjoncture pétrolière défavorable et de l'insuffisance de la taxation de la pollution.
Son atout est d'associer localement une production d'énergie* et des solutions de recyclage* des déchets*. Par exemple à Bayeux (Calvados), la piscine municipale est en partie chauffée par le biogaz produit à partir des boues de la station d'épuration. La piscine est équipée de deux chaudières : l'une fonctionne au biogaz et couvre 20 % des besoins, l'autre fonctionne au gaz naturel.
L'utilisation du méthane* comme carburant* présente aussi des atouts sur le plan environnemental. Les moteurs à biogaz permettent :
- une baisse des émissions d'oxydes d'azote* ;
- l'absence d'émission de dioxyde de soufre* ;
- une meilleure sécurité ;
- la réduction du bruit.

Demain

Au vu des objectifs définis par la commission européenne pour 2010, le marché de la biomasse* végétale pourra répondre aux préoccupations environnementales et agricoles :
- la contribution apportée par l'utilisation du biogaz* (provenant de l'élevage, des affluents agro-industriels, du traitement des eaux usées et des décharges) pour limiter la quantité de gaz à effet de serre*;
- l'utilisation des terres agricoles en jachère pour des cultures énergétiques indispensables à la production de biocombustibles et biocarburants.