Bioénergies : les chaînes d’approvisionnement de la biomasse, éléments clef de leur développement

La biomasse est une ressource renouvelable souvent considérée dans les scénarios de transition énergétique comme une option clef de décarbonation des systèmes. Néanmoins, des difficultés opérationnelles liées aux chaînes d’approvisionnement en ressource pourraient limiter le développement à long terme de cette énergie.

Le développement des énergies renouvelables est considéré comme étant une amélioration pour le système énergétique mondial du fait des ressources limitées en combustibles fossiles, ainsi que pour réduire les problèmes environnementaux découlant de l’utilisation massive de ces dernières. Dans ce contexte, l’utilisation de la biomasse et des déchets est devenue une solution viable et une alternative pour la production d’énergie. Cela permet un usage d’énergie pour le transport, les bâtiments, l’industrie, l’agriculture, etc., qui englobe un large éventail de potentiels thermochimiques, physico-chimiques et biochimiques. L’énergie issue de la biomasse peut contribuer de manière significative à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, en particulier dans les secteurs difficiles à décarboner comme l’aviation, le transport lourd ou l’industrie. Mais la bioénergie, dont la production utilise massivement les terres, entraîne souvent des émissions de carbone substantielles provenant du changement d’affectation des terres ainsi que de la production, de la récolte et du transport de la ressource vers les sites de production d’énergie. De plus, la bioénergie ne s’étend qu’avec une utilisation intensive de grande quantités de terres, une ressource dont l’offre est fondamentalement limitée et en compétition d’autres besoins comme la production de nourriture, la préservation de la biodiversité, entre autres. Enfin, deux autres limites entravant l’utilisation accrue de la biomasse pour la production d’énergie sont le coût et la complexité de ses opérations logistiques. Dans le contexte de l’utilisation énergétique de la biomasse, quelles sont les technologies de conversion de la biomasse en énergie et les usages associés faisant lien avec la problématique des chaînes d’approvisionnement ?

1. Contexte, potentiels énergétiques et enjeux

Le terme biomasse englobe entre autres la végétation, les cultures énergétiques, ainsi que les bio-solides, les résidus animaux, forestiers et agricoles, la fraction organique des déchets municipaux et certains types de déchets industriels (Lire : Biomasse et énergie). Son attrait est dû à sa disponibilité mondiale, son efficacité de conversion énergétique et à sa capacité à être produite et consommée sur une base neutre en CO2. En effet, il est considéré que le carbone émis lors de la combustion de biomasse a été capté lors de sa croissance (figure 1). . [1]

 

Figure 1 : Cycle du carbone dans l’utilisation énergétique de la biomasse

 

Les sources d’énergie renouvelable jouent un rôle central dans le contexte mondial actuel avec les stratégies de réduction des émissions de gaz à effet de serre et le remplacement prévu des combustibles fossiles. Ceux-ci, pétrole, gaz et charbon, sont les principales sources d’énergie utilisées dans le monde en 2020, à hauteur de 80%, et leur répartition est concentrée sur un petit nombre seulement des pays, formant ainsi un approvisionnement énergétique fragile, dépendant et structurant les relations géopolitiques, avec des limites d’approvisionnement attendues à l’avenir (Lire : Économie et politique du charbon minéral ; Les marchés du gaz naturel et du gaz naturel liquéfié (GNL).

La bioénergie représente en 2020, 9,5% de l’approvisionnement total en énergie primaire et environ 70% de l’énergie renouvelable. Théoriquement, la contribution totale de la bioénergie (potentiel théorique des déchets agricoles, forestiers, animaux et organiques) pourrait s’élever à 1100 exajoules (EJ), ​​triple de la consommation énergétique mondiale actuelle de 410 EJ [2] (Lire : Biomasse et énergie). ). De nombreuses recherches documentent le rôle actuel et potentiel de la biomasse dans l’approvisionnement énergétique mondial futur qui pourrait subvenir jusqu’à 50% des besoins énergétiques mondiaux [3][4]. Cela renforce cet important potentiel de la biomasse dans le futur approvisionnement énergétique mondial.

Les exigences en matière d’approvisionnement en biomasse, qualité et quantité, peuvent différer considérablement selon le type de demande énergétique, la technologie de production d’énergie, l’utilisation finale de l’énergie produite et le rapport coût-efficacité et complexité des opérations logistiques. À cette fin, la structuration de la chaîne d’approvisionnement porte le défi d’élaborer des politiques efficaces adaptées à un environnement incertain et soumis à des conditions et des contraintes locales, régionales et interrégionales, telles que les infrastructures, la répartition géographique des zones de collecte, l’environnement réglementaire et technico-économique et la concurrence parmi les consommateurs. La demande croissante de biomasse et la complexité accrue des systèmes d’approvisionnement, souvent réparties entre plusieurs localisations et acteurs, soulignent donc le besoin pour des approches complètes de gestion de la chaîne d’approvisionnement de la biomasse et des déchets.  Plusieurs questions sont au cœur de ces développements : quelles sont les caractéristiques des chaînes d’approvisionnement en biomasse qui les différencient des réseaux conventionnels? Quelles décisions devraient être prises sur les plans stratégiques, tactiques et opérationnels pour développer la chaîne d’approvisionnement de la biomasse et des déchets? Quels types de politiques sont nécessaires pour mettre en place des systèmes bioénergétiques? Quelles sont les technologies de pointe en matière de conversion d’énergie sur lequel un producteur d’énergie potentiel devrait investir?

 

2. Technologies de production d’énergie issue de la biomasse

Une compréhension approfondie des technologies disponibles pour la production d’énergie à partir de la biomasse est un élément essentiel de la conception stratégique de tout réseau de chaîne d’approvisionnement en biomasse. La conversion de biomasse résiduelle et les substrats organiques en énergie englobent une large gamme de différents types et sources de biomasse, technologies de conversion, et utilisation finale.

La biomasse peut être convertie en produits énergétiques via trois grandes catégories de processus: thermochimique, biochimique et physicochimique (Figure 2). Les procédés de conversion thermochimique transforment la biomasse en combustible solide, liquide ou gazeux [5]. La conversion biochimique est basée sur les processus biologiques. Les options les plus développées sont: l’alcool produit à partir de biomasse contenant du sucre ou de l’amidon (exemple : betterave), et la production de biogaz à partir de cultures ou de déchets organiques (exemple : fumier animal). Enfin, les processus de conversion physico-chimique peuvent fournir des carburants liquides (par exemple le biodiesel) par voie physique (par exemple pressage) et chimique (par exemple trans-estérification) de cultures énergétiques.

 

Figure 2 : Vue d’ensemble de la production d’énergie renouvelable à partir de substrats organiques [6]

Il est important d’avoir une vision stratégique des ramifications et divers paramètres de toutes ces options technologiques sur les chaînes d’approvisionnement de la biomasse. En effet, cela faciliterait l’identification des configurations optimales pour les systèmes d’approvisionnement en bioénergie et de construction des réseaux. On rappelle ci-dessous les grandes caractéristiques des procédés de valorisation énergétique de la biomasse. Ces procédés sont décrits de façon plus détaillés dans les autres articles mentionnés dans le texte.

2.1. Processus thermochimiques

La combustion est utilisée sur une large gamme de produits pour convertir l’énergie chimique stockée dans la biomasse en chaleur, en énergie mécanique ou électricité. La combustion de la biomasse produit des gaz chauds à des températures autour de 800-1000°C. Il est possible de brûler tout type de biomasse, mais en pratique, la combustion est réalisée uniquement pour la biomasse dont la teneur en humidité intrinsèque est inférieure à 50%. En effet, la biomasse à forte teneur en humidité est mieux adaptée aux processus de conversion biologique [7] (Lire : Biomasse et énergie).

La gazéification est la conversion de la biomasse en gaz combustible. Le procédé est une oxydation partielle à haute température, typiquement sur la plage de 800 à 900°C [8] (Lire : La gazéification). Le syngaz produit est un mélange de dihydrogène, monoxyde de carbone et d’autres gaz (Lire : La production d’hydrogène « vert »). Ce gaz à faible pouvoir calorifique produit peut être brûlé directement ou peut être utilisé comme combustible pour le gaz moteurs et turbines à gaz, après purification. De même, il peut être utilisé en tant que matière première dans la production des produits chimiques.

La pyrolyse est la conversion de la biomasse en liquide, solide et gazeux. Un traitement thermique entre 200 et 1000°C permet de produire principalement un liquide permettant la conversion avec un rendement jusqu’à 80%. Ce procédé de liquéfaction est la conversion de la biomasse en un liquide stable, qui est ensuite utilisé comme un hydrocarbure. Ce liquide peut être utilisé dans les moteurs et les turbines et son utilisation comme matière première pour les raffineries peut être également envisagée [9] (Lire : Biomasse et énergie).

2.2. Processus biochimiques

La méthanisation est une technologie basée sur la dégradation par des micro-organismes de la matière organique, en conditions contrôlées et en l’absence d’oxygène, donc en milieu anaérobie (contrairement au compostage qui est une réaction aérobie). Cette dégradation produit un solide, humide, riche en matière organique partiellement stabilisée, appelé digestat. Le processus produit également du biogaz, un mélange gazeux saturé en eau à la sortie du digesteur et composé d’environ 50 % à 70 % de méthane (CH4), de 20 % à 50 % de gaz carbonique (CO2) et de quelques gaz traces (NH3, N2, H2S). Le biogaz a un pouvoir calorifique inférieur (PCI) de 5 à 7 kWh/Nm3. Cette énergie renouvelable peut être utilisée sous forme combustive pour la production d’électricité et de chaleur, d’un carburant, ou pour l’injection dans le réseau de gaz naturel après épuration. La digestion anaérobie ou méthanisation est donc la conversion directe de matière organique en biogaz, mélange principalement de méthane et de dioxyde de carbone, avec un contenu énergétique d’environ 20 à 40% du chauffage inférieur valeur de la matière première (Lire : Méthanisation : du traitement des eaux usées à l’injection de biogaz dans le réseau). C’est une technologie éprouvée et également utilisée pour traiter les produits et déchets biologiques déchets à forte teneur en humidité, c’est-à-dire supérieure à 50% [10].

3. Chaînes d’approvisionnement de la biomasse et des déchets

Dans ce contexte technologique, les chaînes d’approvisionnement de la biomasse et des déchets jouent un rôle prépondérant dans la structuration et le développement technologique de la filière.

3.1. Structure

La structure du marché mondial de la biomasse évolue de manière assez dynamique. La biomasse a été utilisée de manière « traditionnelle » pour la production d’énergie (principalement thermique) dans des zones proches des sites de production avec des dispositifs peu efficaces comme la combustion à foyer ouvert (Lire : De l’énergie pour l’Afrique non raccordée au réseau : diagnostic) (Lire : L’électrification rurale de l’Afrique Sub-saharienne) (Lire : Quelles transitions énergétiques en Afrique subsaharienne ?). Néanmoins, un usage « moderne », émerge pour les producteurs d’énergie qui cherchent à améliorer l’efficacité de conversion énergétique de la biomasse. Cela passe par la mise en place de prétraitements, de procédés et de dispositifs plus performants. De plus, il y a une structuration de l’approvisionnement en biomasse auprès de plusieurs fournisseurs afin de développer une masse critique, centralisée, nécessaire à la mise en place d’une plus grande installation de production d’énergie et donc avec des effets d’échelle sur les coûts et rendements énergétiques. La complexité accrue de ce système dicte la nécessité de développer des méthodologies de planification et de coordination de la chaîne d’approvisionnement par opposition à une gestion traditionnelle de la ressource.

Ces chaînes d’approvisionnement en biomasse résiduelle pour la production d’énergie se composent en général de quatre composants généraux du système: (i) la récolte / collecte de la biomasse (à partir d’un ou de plusieurs sites) et prétraitement, (ii) le stockage (dans un ou plusieurs emplacements intermédiaires), (iii) le transport (utilisant un ou plusieurs échelons) pour alimenter la conversion d’énergie (Figure 3).

 

Figure 3: Représentation graphique d’une chaîne d’approvisionnement énergétique en biomasse et déchets [11]

Ces chaînes d’approvisionnement possèdent plusieurs caractéristiques propres qui les différencient des chaînes d’approvisionnement énergétiques traditionnelles. Tout d’abord, la biomasse agricole est généralement caractérisée par une disponibilité saisonnière, d’où la nécessité de stocker de grandes quantités de biomasse pendant de longues périodes. Cela entraîne un besoin de place de stockage plus important, ce qui conduit à des coûts de conservation élevés pour une exploitation linéarisée sur toute l’année. De plus, la variabilité liée aux conditions météorologiques et les utilisations concurrentes des déchets de biomasse dans un marché concurrentiel doivent être pris en compte lors de la détermination des flux du réseau d’approvisionnement en matériaux. La complexité des chaînes d’approvisionnement en biomasse est renforcée pour les produits périssables, car cela limite fortement les délais de transport acceptables et la durée de stockage pour ce type de ressource. En outre, la plupart des formes de biomasse ont tendance à avoir une faible densité d’énergie par unité de masse par rapport aux combustibles fossiles. Cela rend souvent la manutention, le stockage et le transport plus coûteux par unité d’énergie transportée. De plus, ces chaînes d’approvisionnement doivent être robustes et suffisamment flexibles pour s’adapter aux changements imprévisibles du marché, car la demande de l’énergie produite dépend du type d’installation de conversion, donc du besoin, et du prix de la ressource.

3.2. Vecteurs d’amélioration

Plusieurs études théoriques ont inclus l’installation des technologies de conversion de bioénergies dans leurs modélisations de la chaîne d’approvisionnement de la biomasse. Par exemple, les résultats de l’utilisation de trois technologies de conversion biomasse-électricité, une combustion en lit fluidisé avec turbine à vapeur, une gazéification en lit fluidisé avec cycle combiné gaz-vapeur et une méthanisation anaérobique, concluent que 56 à 76% des coûts d’exploitation totaux du système sont dus à la logistique de la ressource biomasse, mettant en évidence le poids de cette chaîne dans l’efficience et la rentabilité du procédé complet [12]. Un gros potentiel d’amélioration et de réduction des coûts concerne donc cette chaîne, car responsable de plus de la moitié du coût de la technologie.

Des filières existantes dans différentes régions d’Europe ont servi de cas d’étude pratique et de support pour des démonstrations à l’échelle commerciale. Les principaux verrous identifiés concernent le stockage de biomasse et la phase de production pour les cultures dédiées. Des leviers d’amélioration portent donc sur une efficacité accrue des étapes de récolte et de transport, avec plusieurs pistes possibles : densification de la ressource après récolte, possible prétraitement thermique, réduction des coûts de transport sur une base de contenu énergétique, par exemple via un conditionnement en balles ou fagots suffisamment denses pour rendre rentable l’exploitation de résidus agricoles ou la densification de ressource lignocellulosique sous forme de briquettes (figure 4 et 5). Nous pouvons jouer également sur la réduction de l’empreinte du transport en veillant au caractère local de la ressource utilisée, transporté avec des moyens peu polluants (rail par exemple) et le développement de systèmes de cultures permettant l’échelonnement de la fourniture sur l’année, pour limiter les besoins en stockage, et possédant une productivité par hectare élevée. Tous ces efforts permettraient de réduire les coûts, la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre [13].

        

Figures 4 et 5 : Fagots et briquettes énergétiques

 

4. Conclusion

Les bioénergies représentent déjà une part non négligeable du mix énergétique mondial, mais, sur la base des tendances et politiques actuelles en faveur de la décarbonation des systèmes énergétiques, il est possible d’augmenter cette part au cours des prochaines décennies. La valorisation énergétique de la biomasse, qui fournit à la fois des avantages climatiques et une production énergétique durable, peut néanmoins être plus limitée que ce que la plupart des modèles et scénarios ne le prédisent.

L’efficience et la compétitivité des chaînes d’approvisionnement en ressource sont alors clefs dans le développement plus large des bioénergies. Des développements innovants ont pu être mis en place avec de nouvelles méthodes de récoltes (nouvelles machines de récolte pour les taillis à courte rotation, nouvelle tête de coupe pour les cultures herbacées) et de planification (système informatique de planification de l’utilisation des ressources pour suivre les flux et stocks de biomasse dans une chaîne d’approvisionnement). D’autres innovations relèvent du moyen terme, mais ont également un potentiel important pour réduire les coûts et améliorer la durabilité de ces chaînes logistiques comme la connaissance des bienfaits d’associations et de rotations de culture ou l’amélioration de procédés de thermochimiques de prétraitement de biomasse [14].

De plus, outre les aspects technico-économiques, l’utilisation de biomasse pour l’énergie est cohérente si et seulement si cette production d’énergie ne créé pas de problèmes liés à la pollution de l’air, des sols, de l’eau ou à la rareté de l’eau, et idéalement si elle est équipée d’un dispositif de capture de carbone permettant d’avoir non pas une empreinte carbone faible ou nulle mais bien négative (Lire : Captage et stockage du carbone).

 

Notes et références

Image de couverture. [Source : Didi43, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons]

[1] IPCC. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 151 pp, 2014.

[2] Mantulet G, 2020, La contribution des gaz renouvelables à la décarbonation des systèmes énergétiques

[3] Parikka, M., 2014. Global biomass fuel resources. Biomass Bioenergy 27 (6), 613–620.

[4] Yamamoto, H., Fujino, J., Yamaji, K., 2011. Evaluation of bioenergy potential with a multi-regional global-land-use-and-energy model. Biomass Bioenergy 21 (3), 185–203.

[5] Balat, M., Kırtay, E., Balat, H., 2019. Main routes for the thermo-conversion of biomass into fuels and chemicals. Part 1: pyrolysis systems. Energy Convers. Manage. 50, 3147–3157.

[6] Kaltschmitt, M., Thrän, D., Smith, K., 2014. Renewable energy from biomass. Encyclopedia Phys. Sci. Technol. 203, 28.

[7] Velis, C.A., Longhurst, P.J., Drew, G.H., Smith, R., Pollard, S.J.T., 2019. Biodrying for mechanical–biological treatment of wastes: a review of process science and engineering. Bioresour. Technol. 100, 2747–2761.

[8] Cao, Y., Wang, Y., Riley, J.T., Pan, W.-P., 2006. A novel biomass air gasification process for producing tar-free higher heating value fuel gas. Fuel Process. Technol. 87, 343–353.

[9] Xu, C., Etcheverry, T., 2008. Hydro-liquefaction of woody biomass in sub- and supercritical ethanol with iron-based catalysts. Fuel 87, 335–345.

[10] Iakovou, E, et al., 2010, Waste biomass-to-energy supply chain management: A critical synthesis, Waste management 30, pp1860-1870

[11] Bambara, L, 2018, Analyse et optimisation de la durabilité des systèmes de production de biocarburants oléagineux en Afrique de l’Ouest

[12] Caputo, A.C., Palumbo, M., Pelagagge, P.M., Scacchia, F., 2005. Economics of biomass energy utilization in combustion and gasification plants: effects of logistic variables. Biomass Bioenergy 28 (1), 35–51.

[13] Gold S., Seuring S., 2011. Supply chain and logistics issues of bio-energy production. Journal ofCleaner Production, 19, 32-42.

[14] Benoit, G, et al., Comment optimiser les chaînes d’approvisionnement en biomasse issue de cultures énergétiques ?. Innovations Agronomiques, INRA, 2017, 54, pp.23-29.

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