La biomasse, énergie d’avenir - Chaire Economie du Climat

La biomasse, énergie d’avenir ?

CEC, 20 septembre 2013

Éditions Quae

1 - La biomasse 2 – La photosynthèse 3 - La transition énergétique 4 - Place de la biomasse : les biocarburants

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La Biomasse, énergie d’avenir ?

CEC 20 septembre 2013

1 : La biomasse, c’est quoi ?

bio : vivant ; masse : quantité



La biomasse, d’où provient-elle ?

Plante Photosynthèse Matière végétale (énergie de la lumière CO2, eau) Forêt (bois) Cultures (fruits, racines,…) [cellulose + hémicellulose [sucres, amidon, huiles] +lignine = lignocellulose]

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 !



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 ?

H. Bichat, P. Mathis « La Biomasse, énergie d’avenir ? » Quae, 2013


Alès, le 4 avril 2013

Formation de biomasse par photosynthèse : 6 CO2 + 6 H2O + énergie (lumière) C6H12O6 + 6 O2

Utilisation de la biomasse par combustion* : C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + énergie (chaleur) Bilan : 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

* respiration : idem

A bien comprendre :



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

CO2

eau, sels minéraux

H2O

O2 [CHOH]

sol

(adapté de A. Verméglio, CEA / Cadarache)

2 : La Photosynthèse

[CHOH] : sucre →

toutes biomolécules

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.

Stratégie de l’appareil photosynthétique



Carotène

Chlorophylle a

Formules chimiques de pigments

Enveloppe

Triose phosphate

Membrane photosynthétique

Lumière

eau O2

Translocateur de triose phosphate

Phosphate (Pi)

ADP + Pi ATP

NADP+ NADPH

CO2 Enzymes

Amidon

Triose phosphate

(saccharose)

Chloroplaste : fonctionnement

[amidon]

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

Quelques chiffres planétaires

Passer de 99,8% à 99,6% de pertes ? Doublerait le produit !

La photosynthèse

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

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…

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)

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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 ? » CEC 20 septembre 2013


« La biomasse, énergie d’avenir ? » CEC 20 septembre 2013

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



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'avenir.

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 prévues

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 ?

PM, Ecuelles, le 1 février 2013

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)



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) : 7 Energie utilisée par l’humanité : 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


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 !

Où l’on va (à très long terme, au-delà de cent ans)




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

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