La biomasse, énergie d avenir?

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1 La biomasse, énergie d avenir? CEC, 20 septembre La biomasse 2 La photosynthèse 3 - La transition énergétique 4 - Place de la biomasse : les biocarburants Éditions Quae mathis.paul@orange.fr

2 1 : La biomasse, c est quoi? bio : vivant ; masse : quantité CEC 20 septembre 2013

3 La biomasse, d où provient-elle? Plante Photosynthèse Matière végétale (énergie de la lumière CO 2, eau) Forêt (bois) [cellulose + hémicellulose +lignine = lignocellulose] Cultures (fruits, racines, ) [sucres, amidon, huiles] CEC 20 septembre 2013 Déchets Bois, élevage, IAA, Déchets ménagers, etc. Animaux

4 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! CEC 20 septembre 2013

5 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? CEC 20 septembre 2013

6 A bien comprendre : Formation de biomasse par photosynthèse : 6 CO H 2 O + énergie (lumière) C 6 H 12 O O 2 Utilisation de la biomasse par combustion* : C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + énergie (chaleur) Bilan : énergie (lumière) énergie (chaleur) Bilan de CO 2 nul si l utilisation de biomasse égale sa formation par photosynthèse. Mais : -- Emission nette de CO 2 : Déforestations -- Prise nette de CO 2 : Croissance durable d arbres Alès, le 4 avril 2013 * respiration : idem

7 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 CEC 20 septembre 2013

8 2 : La Photosynthèse CO 2 O 2 [CHOH] H 2 O [CHOH] : sucre toutes biomolécules sol eau, sels minéraux (adapté de A. Verméglio, CEA / Cadarache)

9 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. CEC 20 septembre 2013

10 Formules chimiques de pigments Carotène Chlorophylle a

11 Chloroplaste : fonctionnement Lumière Enveloppe eau O 2 Membrane photosynthétique Amidon ADP + Pi NADP + ATP NADPH Translocateur de triose phosphate Triose phosphate Enzymes CO 2 Triose phosphate Phosphate (Pi) (saccharose) [amidon]

12 Quelques chiffres planétaires La photosynthèse (conversion de l énergie solaire en biomasse) rendement optimum de 4% rendement moyen de 0,2% Annuellement, elle produit : 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!

13 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, Sage (2004) New Phytol. 161,

14 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% Dohleman et Long, Plant Physiol. (2009) 150

15 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) Dohleman et Long, Plant Physiol. (2009) 150

16 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] Dohleman et Long, Plant Physiol. (2009) 150

17 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! CEC 20 septembre 2013

18 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 CEC 20 septembre 2013

19 4 : Comment faire la transition énergétique? Place de la biomasse? CEC 20 septembre 2013

20 Total : 22,7 Mtep [dont 14,7 biomasse] Total énergie primaire : 254 Mtep Total énergie finale : 158 Mtep Alès, le 4 avril 2013

21 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) CEC 20 septembre 2013

22 Les risques au niveau de l utilisation de l énergie CO 2 (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) Alès, le 4 avril 2013 mathis.paul@orange.fr

23 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? CEC 20 septembre 2013

24 Les biocarburants 1 ère 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 (P N = P B intrants énergie) 1 tep/ha/an (France) Besoin de beaucoup de sols de qualité Bilan GES médiocre CEC 20 septembre 2013

25 Les biocarburants Carburant : combustible utilisé dans les moteurs Biocarburant : carburant provenant de la biomasse CEC 20 septembre 2013

26 Les biocarburants 2 ème 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. 3 ème génération : les algues (au stade de la recherche) CEC 20 septembre 2013

27 Déchets fermentescibles (agricoles, industriels, ménagers) La méthanisation Principe : bactéries méthanogènes ; absence d air. Production de biogaz (méthane = gaz naturel ; CO 2, 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, CH 4 ). Bonne solution pour les déchets humides / Déchets secs : préférer l incinération / Biomasse dédiée : mêmes problèmes que biocarburants liquides. CEC 20 septembre 2013

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

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

30 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! CEC 20 septembre 2013

31 «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. CEC 20 septembre 2013

32 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? Alès, le 4 avril 2013

33 La biomasse, énergie d avenir? Nantes, projet Cofély : utilisation de t de biomasse/an. Production 2 tep/ha/an ; zone avec 25% de forêt productive ; besoin de la production de km 2 (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 CO 2 ; 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 km 2 (60x100 km), soit un département français moyen. Problèmes de collecte et de transport du bois. Bois local ou bois importé? CEC 20 septembre 213

34 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

35 Trois choses importantes : Stockage de l énergie Éolien, photovoltaïque : énergies intermittentes Biomasse : énergie stockée Ordres de grandeur Energie que la Terre reçoit du soleil : 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 Alès, le 4 avril 2013

36 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! CEC 20 septembre 2013

37 La biomasse-énergie, une énergie du passé? ans : invention du feu (bois, herbes) Jusqu en 1800 : énergie dominante Production presque constante : 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 Mtep? Suivre l augmentation des besoins d énergie Remplacer partiellement les combustibles fossiles Alès, le 4 avril 2013

38 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 Alès, le 4 avril 2013

39 Les déchets, nouveau pétrole vert? Tri - Recyclage - Déchets fermentescibles (méthanisation) méthane (ex : transports) - Déchets secs (incinération) (usine : plus de 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. Alès, le 4 avril 2013

40 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 Alès, le 4 avril 2013

41 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 Alès, le 4 avril 2013

42 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 Alès, le 4 avril 2013