Mooc énergies Renouvelables Semaine 7 : La biomasse





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MOOC
Énergies Renouvelables



Semaine 7 : La biomasse


Ce document contient les transcriptions textuelles des vidéos proposées dans la partie « Les biocarburants » de la semaine 7 du MOOC « Énergies renouvelables ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Carburants de la biomasse : Historique et utilisation actuelle

Gilles VAITILINGOM
Directeur de recherche – CIRAD


Pour bien comprendre l'intérêt et l’importance des carburants issus de la biomasse, il faut considérer le contexte énergétique mondial d'énergie.

  • En particulier quand on regarde comment se divise la consommation finale d'énergie ici en 2012, on s'aperçoit que le premier secteur de consommation d'énergie, c'est le secteur résidentiel et commercial, nous, notre vie, en second arrive le secteur industriel, et en troisième mais presque ex aequo, arrivent les transports.

  • En fait, il y a une augmentation régulière annuelle de consommation d'énergie dans le monde, et si par exemple on se projette à 20 ans d'ici - soit à 2035 -, en tenant compte de l'accroissement annuel moyen par exemple du pétrole qui est de 1,3 % par an, on s'aperçoit que la consommation finale en 2035 aura augmenté de 34 %.

  • Quand on regarde le secteur des transports, donc qui arrivait en numéro trois, on s'aperçoit qu'en 2035, ils consommeront 4 200 millions de tonnes équivalent pétrole, mais ce qui est l'équivalent de tout le pétrole produit en 2012.

  • Donc on voit bien l'impact de cette augmentation moyenne de la consommation.

  • Pour ce qui est de ces transports, donc en fait, les énergies nouvelles et renouvelables qui existent, les énergies également qui sont en train de se développer, ne répondent pas aux besoins des transports car elles ne génèrent pas la source première d'énergie, qui est en fait des carburants liquides et gazeux nécessaires au secteur des transports.

  • Aujourd'hui, le pétrole assure 96 % de l'énergie des transports. À lui seul d'ailleurs, il concerne 63,7 % de toute l'énergie finale (donc chiffre 2012).

Donc la question en fait, c'est les biocarburants, qui sont issus de biomasse en fait, actuellement utilisés, peuvent-ils être des candidats au remplacement du pétrole ?

  • Si on regarde un petit peu l’historique de ces carburants actuels, qui existent, dont le bio éthanol est un des plus célèbres (les Brésiliens ont rendu très célèbre d'ailleurs), en fait on s'aperçoit que ce sont des usages connus depuis assez longtemps puisqu'eux-mêmes les Brésiliens dès 1931 faisaient des essais d'alcool de canne à sucre, de bio éthanol.

  • Aujourd'hui, la situation est bien différente de celle de 1931, le monde produit à peu près 85 milliards de litres de bio éthanol à destination carburant et le Brésil - vous avez certainement entendu parler de ça -, depuis 2003 donc on a vu l'apparition des flex fiouls voitures, donc tous les constructeurs de la planète produisent des véhicules capables de fonctionner au bio éthanol ou à l'essence, en flexibilité.

  • On observe la même chose pour les huiles végétales et leurs dérivés, les biodiesels, puisque l'aspect combustible d'une huile végétale est connu depuis l'Antiquité.

  • Des lampes à huile ont été découvertes datant de 9000 ans avant Jésus-Christ et même Rudolf DIESEL, donc l'inventeur du moteur diesel a testé des huiles végétales dès 1900 dans son moteur - prototype à l'époque -, donc c'est quelque chose que l'on connaissait déjà.

  • Aujourd'hui, donc sous forme de biodiesel, donc après une modification chimique, on produit à peu près entre 5 et 10 % de carburant introduit dans les gazoles en fait de façon banalisée.

  • Donc quiconque a une voiture diesel aujourd'hui en Europe consomme de toute manière entre 5 et 10 % des stères de biodiesel provenant de colza, de tournesol ou de soja.

Donc revenons à la question sur ces biocarburants existants, peuvent-ils remplacer le pétrole à l'échelle de la planète ?

  • En fait, en faisant des projections relativement simples, on s'aperçoit que l’huile de palme qui est la première huile alimentaire produite au monde, si on la détournait intégralement pour alimenter nos transports, ils assureraient les besoins de ces transports pendant 7 jours - ce qui est quand même peu -, et si, ma foi, on se tournait vers l'ensemble de toutes les huiles végétales (colza, arachide, noix de coco etc., tournesol), et qu'on en faisait en fait des carburants, on ferait tourner les transports de la planète pendant 21 jours. Ce qui est pas mal mais ce qui est loin de répondre au remplacement du pétrole.

  • Quant au bio éthanol, extrêmement célèbre, l'éthanol Brésilien, lui, serait capable d’assurer les besoins de la planète pendant deux jours et trois heures et si on mettait la totalité de l'alcool produit (donc on ne boit plus d'alcool, on est bien d'accord), à ce moment-là on assurerait les besoins des transports pendant six jours et dix-sept heures.

  • Donc, non, ce ne sont pas des candidats au remplacement potentiel du pétrole au niveau de la planète. Leur potentiel de substitution d'ailleurs est estimé aujourd'hui à un maximum de 10 %.

  • Donc il s'agit effectivement de trouver d'autres sources de carburant renouvelables et actuellement sont en cours de développement d'autres types de carburants que l'on appelle donc des carburants de seconde génération, par comparaison avec les premiers dont on vient de parler.



  • En fait, on va également essayer de produire des bios éthanols ainsi que des biodiesels, mais non pas à partir de cultures, si vous voulez, alimentaires en fait, mais à partir de résidus agricoles, de bois, de paille, de taillis à croissance rapide dont on va tirer des molécules qui permettront de synthétiser ces nouveaux carburants.

  • Leur potentiel est en fait de 25 %.

  • Donc en résumé, aujourd'hui, les premières générations donc bio éthanol, biodiesel que nous utilisons ont un potentiel de 10 % de substitution au pétrole au niveau de la planète et les carburants de seconde génération en cours de développement ont un potentiel à priori de 25 %.

  • Ce qui signifie qu'il nous reste encore 65 % de sources à trouver si l'on voulait rendre indépendants les transports du pétrole sur notre planète. Et ceci, nous devons le faire avant 2020, 2030 en tout cas parce que, effectivement, on a cet accroissement moyen annuel qui ne cesse d'augmenter.

Donc, existe-t-il des voies d'avenir ? Et bien on peut les qualifier effectivement de voies d'avenir.

  • On se penche de plus en plus sur l'efficacité énergétique bien évidemment y compris dans le secteur des carburants pour transports et l'utilisation et la valorisation de déchets, de sous-produits pour faire aussi des carburants commencent à prendre de plus en plus d'importance dans les laboratoires de recherche.

  • Que ce soit - pour prendre des exemples qui nous sont familiers -, l'utilisation d’huile de friture usagée par exemple, qui est une assez bonne voie pour faire du biodiesel, à l'échelle d'une communauté, à l'échelle individuelle également, ou à l'échelle semi industrielle.

  • D'autres voies aussi dont on parle beaucoup ce sont les micro algues qui sont porteuses de beaucoup de d'espoir, si je peux dire ça comme ça, qui quand même sont aujourd'hui loin d'être abouties mais qui sont effectivement potentiellement des possibles candidats à la production de carburants issus de biomasse en fait.

  • Donc l'idée, c'est que ces micros algues, en les élevant de façon orientée, on arrive à leur faire produire soit des lipides, soit des glucides et qu'après, on ramasse ces micro algues, on les traite et on obtient une huile algale ou des sucres issus de leur production lesquels après seront transformés soit en biodiesel, soit en bio éthanol.

  • D'autres voies très nouvelles pour essayer de trouver des sources, sont l'utilisation de lignocellulose, en fait c'est-à-dire de bois ou de paille ou de résidus de ce type là pour produire des poudres fines que l'on pourrait utiliser en remplacement de carburants liquides ou gazeux.

  • Ces voies n’existent pas encore vraiment, vous le savez, mais les preuves de concepts ont été établies en 2010 et les laboratoires - dont celui auquel j'appartiens d'ailleurs -, travaillent sur le développement de l'usage de ces poudres combustibles en remplacement des produits pétroliers.


Carburants de la biomasse : cogénération et hybridation

Gilles VAITILINGOM
Directeur de recherche – CIRAD


La cogénération. La cogénération c'est la production simultanée de chaleur et d'énergie mécanique donc importée par un combustible à travers un transformateur, par exemple un moteur.

  • Généralement de gros moteurs sont utilisés accouplés à des alternateurs pour produire de l'électricité connectée au réseau, ceci dans beaucoup de pays.

  • Nous en France nous avons de l'électronucléaire, donc nous n'utilisons plus de gros moteurs de ce type-là.

  • En tout cas, dans la majorité des cas, ces moteurs de grosse puissance produisent de l'électricité avec un rendement de transformation du combustible qui les anime de 35 à 40 % et qui peut aller jusqu'au mieux 50 % donc pour les plus grosses installations, ce qui signifie que 60 % à 50 % de l'énergie amenée par le combustible est perdue.

  • La cogénération consiste donc à utiliser cette part d'énergie perdue sous forme de chaleur de façon à augmenter le rendement global de l'usage du combustible.



  • On arrive à ce moment-là à tirer, en fin de compte, 80 à 90 % de l'énergie apportée par le combustible en comparaison des 35/40 % dans une installation classique.

  • On retrouve la même chose donc dans les centrales thermiques qui fonctionnent selon le principe d'une chaudière qui va être alimentée par un combustible.

  • Cette chaudière va transformer de l’eau en vapeur, la vapeur va faire tourner une turbine accouplée à un alternateur qui produira l'électricité au réseau.

  • Ces systèmes-là atteignent des performances de transformation, donc un rendement global d'à peu près 40 %.

  • En cycle combiné gaz cogénération, le principe est un petit peu différent puisqu'en fait on va utiliser une turbine de combustion dans lequel le gaz sera brûlé, cette turbine bien sûr est accouplée à un alternateur qui va produire de l'énergie électrique sur le réseau, mais tous ces gaz d'échappement vont être à leur tour utilisés dans une chaudière qui va transformer de l’eau en vapeur et cette vapeur va alimenter une turbine vapeur, elle-même accouplée à son propre alternateur et qui viendra effectivement en complément apporter de l'énergie électrique au réseau.

  • Grâce à ces systèmes-là, on passe de 40 % à 55 % de rendement global.

  • En fin de compte, la cogénération, ça permet quand même pour une même énergie d'utilisation, c'est-à-dire une énergie mécanique, utilisée, et une énergie thermique produite, d'utiliser moins de combustible en amont.



  • Par exemple, en cogénération, pour obtenir 35 unités d'énergie en électricité et 50 unités d'énergie en chaleur, on aura besoin de 100 unités d'énergie en gaz naturel, alors que si l'on n'avait pas fait la cogénération, si l'on avait d’un côté produit de l'électricité et d'un autre côté produit de la chaleur dans une chaudière, pour les mêmes quantités d'énergie finale, il aurait fallu introduire 120 unités en gaz naturel pour prendre cet exemple.

  • On va retrouver cet avantage en termes d'impact environnemental, puisqu'utilisant moins de carburant en amont pour la même énergie de service, on va évidemment générer moins d'équivalent gaz à effet de serre dans le cas précédent que l'on regardait, donc en cogénération, on utiliserait 660 kilos de CO2 par unité d'énergie, alors que dans un système séparé, non cogénéré, on émettrait 780 kilos de CO2.



  • Donc l'intérêt environnemental est bien évidemment lié à la diminution de la consommation d'énergie primaire en fait.

  • L'intérêt économique, bien évidemment, est lié aussi à l'économie d'énergie de combustible que l'on réalise grâce à la cogénération.

  • La cogénération donc peut s'appliquer sur à peu près toute l'étendue de la demande en puissance depuis les petites puissances électriques dans la gamme domestique, dirait-on, petits groupes électrogènes, jusqu'aux gros moteurs de production d'électricité réseau d'à peu près 25 MW électriques, ensuite, pour aller aux 250 MW électriques, on est dans le champ des turbines à combustion, et enfin, au-delà de ces puissances de 250 MW électriques, là on est plus dans le champ des turbines à vapeur.

  • La cogénération est applicable désormais dans toute cette plage étendue depuis le petit jusqu'aux plus gros.

Un exemple donc pour revenir à une cogénération intéressant des carburants de la biomasse, prenons l'exemple de production de biogaz dans un biodigesteur.

  • En fait, le biogaz qui est essentiellement composé de méthane combustible, va alimenter un moteur qui va produire de l'électricité d'une part mais dont on va également récupérer la chaleur pour alimenter des réseaux de chaleur.



  • Je vous ai pris un exemple que l'on peut trouver actuellement en gamme commerciale d'une petite unité de cogénération biogaz, ce module offre une puissance électrique de 104 kW à et en même temps, une puissance thermique récupérable de 125 kW.

  • Pour produire ces deux performances, il a besoin d'à peu près donc 45 m³ de biogaz, ce qui représente une énergie de 270 kW, ce qui signifie que son rendement global en fait, c'est la somme de l'énergie électrique et de l'énergie thermique divisée par 270 et effectivement, on obtient 84,8 % de rendement énergétique global.

  • Son rendement thermique est de 46 % et son rendement électrique de 38 %.



MOOC UVED ÉNERGIES RENOUVELABLES – La biomasse – Les biocarburants

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