FICHE PRODUIT 1/4 CHARBON DE BOIS Premier consommateur mondial, l Afrique a utilisé environ 24 millions de tonnes de charbon de bois entre 2004 et 2008, soit 53% de la part mondiale 1. Jusqu'au milieu du XIXe siècle, la technique des meules a été la plus utilisée pour obtenir ce produit : le bois empilé est recouvert de terre ou d'herbe et enflammé. Durant l'opération, les composants volatils contenus dans le bois, comme l'eau par exemple, passent sous forme de vapeur. Une partie du carbone contenu dans le matériau est utilisée comme combustible et le reliquat se transforme en charbon. Avec un rendement artisanal de 20% en poids, cette consommation a engendré la carbonisation de 120 millions de tonnes de bois. Cependant, ce rendement dépend : - de l humidité du bois carbonisé ; - des essences : plus les bois seront lourds, meilleur sera le rendement. CARACTERISTIQUES DU DECHET DE SCIERIE UTILISE Type de déchets Humidité Taille Essence Chutes de bois massif. Ex : culées (rondelles), cœur de déroulage, chutes d éboutage De préférence faible pour un meilleur rendement Pas de limite si possibilité de morceler sur le lieu de production Les bois lourds seront plus appréciés pour un meilleur rendement ETAPES TECHNICO-ECONOMIQUES 1. Matériel nécessaire Il existe plusieurs technologies de carbonisation, de la méthode artisanale (meule), à la méthode industrielle (unité de production de plus de 20 000 m 3 annuels), en passant par des fours métalliques ou en briques offrant 25 à 45% de rendement en poids. Les variables de la méthode / outil de carbonisation sont : le rendement la robustesse, l entretien le degré de manutention la durée de carbonisation le nombre de personnes le prix, la durée de vie du matériel 1 What woodfuels can do to mitigate climate change FAO 2010 Page 1 sur 5 - Projet ATIBT / FFEM / AFD Juillet 2011
Ci-dessous, un aperçu des différentes techniques de carbonisation offrant un rendement croissant. La meule est constituée de bois entassés avec Carbonisation artisanale Meule moins d espace possible afin d avoir une combustion avec le moins d air possible. Il faut en effet éviter que le foyer ne soit exposé à l air libre, ce qui résulterait en une combustion totale du bois et l obtention de cendres au lieu de charbon de bois. L emballage de la meule peut se faire avec de la paille, des feuilles séchées, de l herbe, etc. La mise à feu se fait au sommet, dans une ouverture, ou sont déposées des braises de bois sec incandescentes. On recouvre ces braises de paille puis d une épaisse couche de terre. Lors de la carbonisation, pour éviter un effondrement de la meule et améliorer le rendement, il faut limiter la hauteur de celle-ci et donc préférer une base large à une hauteur importante. Expérimentation Ibi Batéké (RDC), mars 2010, Thomas Marchal Four en brique de plusieurs formes dont celui en demi - orange (bien utilisé au Brésil) : une construction en brique de forme semicylindrique avec une grande ouverture par laquelle le bois est introduit. Capacité de production de 120 m3 de charbon de bois/mois et un cycle de production de 5 à 7 jours (Piketty 2010). Rendement massique de 20% Four métallique Rendement massique de 35% Illustration Green Charcoal Four industriel. Rendements massiques de 35% à 50% Page 2 sur 5 - Projet ATIBT / FFEM / AFD Juillet 2011
2. Processus Le charbon de bois est issu d'une opération de pyrolyse qui s'effectue sur un mode artisanal ou industriel. Ce procédé de fabrication porte le nom de "carbonisation" et comporte les étapes suivantes : quand la température atteinte est inférieure à 200 C, on est en phase de séchage. L'eau contenue dans le bois s'évapore sous l'effet de la chaleur entraînant avec elle une partie des produits volatils présents dans le matériau. entre 200 C et 380 C, il se produit une réaction exothermique. Celle-ci a pour conséquence de produire simultanément des gaz oxygénés et des hydrocarbures tels que le méthane, l'éthane et l'éthylène. Parallèlement, se forment des co-produits comme l'acide acétique, le méthanol et l'acétone, ainsi que des goudrons légers. Le produit obtenu à la fin de cette phase peut déjà être considéré comme du charbon. Toutefois, sa teneur en carbone ne représente que 80% du total. entre 380 C et 500 C, les gaz qui s'échappent lors de l'augmentation de température sont principalement des hydrocarbures et le charbon obtenu titre aux alentours de 85% de carbone. Si l'on continue à chauffer le matériau jusqu'à 700 C, on assiste à une phase de dissociation. Les gaz qui sont libérés sont moins nombreux, mais contiennent de l'hydrogène, ce qui a pour conséquence d'élever encore le niveau de carbone du charbon (90-95%). Une fois l'opération de carbonisation achevée, on obtient du charbon dont la composition peut varier plus ou moins selon l'essence choisie, la température atteinte durant la pyrolyse et la température de recuit. Une fois l'électrolyse terminée, le charbon contient : - 82% et 86% de carbone. - 12 à 15% de matières volatiles (gaz combustibles : hydrogène et oxygène notamment) - 2 à 3% de cendres composées de matières minérales telles que la silice, le fer ou le calcium (cette liste est générale et non exhaustive car des traces de métaux alcalins, de phosphore ou d'azote peuvent parfois être relevées). Critères de qualité - physique : résistance à la compression du charbon de bois, taux de reprise d'humidité et densité. - chimique : taux de cendres produit à la fin de la combustion, teneur en produits volatils, taux de carbone fixe et pouvoir calorifique du charbon de bois. La pyrolyse est une réaction thermochimique irréversible, réchauffement en l absence d air : biomasse pyrolisée = gaz (combustible) + liquide (biocarburant) + charbon. Exemple ci-dessous pour de la biomasse à 20% d humidité (Pro Natura). Page 3 sur 5 - Projet ATIBT / FFEM / AFD Juillet 2011
La qualité chimique du charbon (% en carbone fixe) augmente avec la température au détriment du rendement de production (biomasse / charbon). En effet, la perte de matières volatiles est d autant plus importante que la température de réaction est élevée, ce qui induit une augmentation du taux de carbone fixe et une baisse de rendement de production. 3. Coût de revient Le coût de revient de la production d une tonne de charbon de bois va dépendre du matériel utilisé. Dans le cas de production artisanale à partir de meule, les coûts d investissement dans une quelconque machine sont nuls. En revanche, les coûts de main d œuvre existent, le rendement est d environ 15 à 17%, avec un temps de process plus long. Dans le cas de fours de carbonisation industrielle, le rendement est meilleur grâce à une production mécanisée et automatisée, impliquant un investissement plus conséquent, mais avec une main d œuvre potentiellement moins importante. Sans dévoiler les constructeurs des différentes machines de carbonisation, une rapide évaluation à partir de quelques devis permet de comparer les scénarii de la meule artisanale avec des équipements plus industriels. Hypothèses prises pour alimenter le tableau ci-dessous : Nous considérons que le volume annuel de bois traité est égal à 50 000 m 3 (50% d humidité) L activité de production est considérée sur 30 ans, soit 1 650 000 m 3 à valoriser en charbon de bois Les process industriels acceptent de la biomasse à 20% d humidité La biomasse est de densité 0.7 à 20% d humidité, soit 1 155 000 tonnes à 20% d humidité Nous considérons un salaire mensuel de 50 Nous faisons l hypothèse d une vente de charbon de bois à 120 /t Meule Cas industriel 1 Cas industriel 2 Investissements 0 4 500 000 5 400 000 Charges salariales 5 519 745 872 350 365 000 Rendement (tch/tb50%) 15% Rendement (tch/tb20%) 33% 50% Besoin main d'oeuvre (HJ/t charbon produite) 15.93 Production sur 30 ans 173 250 381 150 577 500 Coût de revient /t 31.9 14.10 9.98 - coût de revient Investissements / t 0.0 11.8 9.4 - coût de revient Ch.salariales / t 31.9 2.3 0.6 Revenus sur 30 ans (R) 20 790 000 45 738 000 69 300 000 Coûts sur 30 ans (C = Invest+Ch.salariales) 5 519 745 5 372 350 5 765 000 Marge (R-C) 15 270 255 40 365 650 63 535 000 Marge / t charbon produite 88.1 105.9 110.0 Enfin, le site de la SFID, du groupe Rougier à Mbang, rend compte d un cas concret d un four métallique (cf rapport n 2 de cette étude). Page 4 sur 5 - Projet ATIBT / FFEM / AFD Juillet 2011
CARACTERISTIQUES DU PRODUIT FINAL AVANTAGES - Le charbon de bois du fait de son taux très élevé en carbone produit davantage de chaleur que son équivalent en volume bois. - Le charbon de bois produit moins de fumées que le bois de chauffe lors de son échauffement INCONVENIENTS - Vendu plus cher sur les marchés d Afrique centrale que la quantité de bois équivalente en pouvoir calorifique : un ménage dépensera plus en charbon pour préparer un plat - La rapidité à l allumage et la facilité de garder le feu vif (le bois doit être constamment surveillé contrairement au charbon) Caractéristiques physiques du charbon de bois Caractéristiques chimiques du charbon de bois Densité Température d inflammation 0,2 à 0,6 t/m3 Assez basse Conductibilité thermique Conductibilité électrique Assez élevée, par contre le charbon de bois possède une capacité isolante calorifique inférieure à celle du bois Elle varie en fonction de la température de fabrication Par exemple : Un charbon cuit à 500 C = 1000 ohm/cmun charbon cuit à 1000 C = 0,5 ohm/cm DEBOUCHES POTENTIELS C est un produit énergétique qui est largement utilisé par les ménages urbains et périurbains. Dans les pays en voie de développement (PVD), si l utilisation du bois de chauffe caractérise plutôt les familles les plus pauvres et la consommation du charbon de bois caractérise plutôt les familles populaires moyennes, le bois et le charbon de bois (makala en RDC) sont généralement complémentaires. En effet, pour des repas qui prennent beaucoup de temps à cuire et consomment beaucoup d énergie, comme les haricots ou les feuilles de manioc, on préfère utiliser du bois au lieu du charbon. Néanmoins, le grand désavantage du bois de chauffe est que celui-ci produit beaucoup de fumée et noircit les marmites qui deviennent alors difficile à nettoyer. De l autre côté, d autres repas sont préparés de préférence avec du charbon de bois, comme du poisson braisé et du poulet. Le critère primordial pour évaluer la qualité du charbon est le temps qu il prend pour brûler. En effet, du charbon de bois qui brûle facilement et se consume rapidement est généralement peu préféré, sinon pour allumer les foyers. Utilisé pour la cuisson dans les PVD et pour les barbecues dans les PI, le charbon de bois entre aussi dans la production de coke pour la métallurgie. Page 5 sur 5 - Projet ATIBT / FFEM / AFD Juillet 2011