Biocarburant
Un biocarburant est un carburant produit par des processus biologiques contemporains, tels que l’agriculture et la digestion anaérobie, plutôt qu’un carburant produit par des processus géologiques tels que ceux impliqués dans la formation de combustibles fossiles, tels que le charbon et le pétrole, à partir de matières biologiques préhistoriques.
Les biocarburants peuvent être dérivés directement de plantes (c.-à-d. Cultures énergétiques) ou indirectement de déchets agricoles, commerciaux, domestiques et / ou industriels. Les biocarburants renouvelables impliquent généralement une fixation du carbone contemporaine, telle que celle qui se produit dans les plantes ou les microalgues lors du processus de photosynthèse. D’autres biocarburants renouvelables sont fabriqués par l’utilisation ou la conversion de biomasse (en référence à des organismes récemment vivants, le plus souvent en référence à des plantes ou à des matériaux dérivés de plantes). Cette biomasse peut être convertie en substances pratiques contenant de l’énergie de trois manières différentes: conversion thermique, conversion chimique et conversion biochimique. Cette conversion de biomasse peut entraîner un combustible sous forme solide, liquide ou gazeuse. Cette nouvelle biomasse peut également être utilisée directement pour les biocarburants.
Les biocarburants sont en principe neutres en carbone car le dioxyde de carbone absorbé par les plantes est égal à celui libéré lors de la combustion du combustible. Cependant, dans la pratique, la neutralité en carbone d’un biocarburant dépend également du point de savoir si les terres utilisées pour la culture du biocarburant (avec les biocarburants de première et deuxième générations) doivent être débarrassées ou non de la végétation qui retient du carbone.
Le bioéthanol est un alcool obtenu par fermentation, principalement à partir d’hydrates de carbone produits dans des cultures de sucre ou d’amidon telles que le maïs, la canne à sucre ou le sorgho doux. La biomasse cellulosique, dérivée de sources non alimentaires, telles que les arbres et les herbes, est également en cours de développement en tant que matière première pour la production d’éthanol. L’éthanol peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à l’état pur (E100), mais il est généralement utilisé comme additif dans l’essence pour augmenter l’indice d’octane et améliorer les émissions des véhicules. Le bioéthanol est largement utilisé aux États-Unis et au Brésil. La conception actuelle des installations ne prévoit pas la conversion de la partie lignine des matières premières végétales en composants combustibles par fermentation.
Le biodiesel peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à l’état pur (B100), mais il est généralement utilisé comme additif au diesel pour réduire les niveaux de particules, de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures provenant des véhicules à moteur diesel. Le biodiesel est produit à partir d’huiles ou de graisses par transestérification et est le biocarburant le plus répandu en Europe.
En 2010, la production mondiale de biocarburants a atteint 105 milliards de litres (28 milliards de gallons américains), en hausse de 17% par rapport à 2009, et les biocarburants ont fourni 2,7% des carburants mondiaux utilisés pour le transport routier. La production mondiale de carburant à l’éthanol a atteint 86 milliards de litres (23 milliards de gallons US) en 2010, les États-Unis et le Brésil étant les premiers producteurs mondiaux, représentant ensemble environ 90% de la production mondiale. L’Union européenne est le premier producteur mondial de biodiesel, avec 53% de la production totale de biodiesel en 2010. Depuis 2011, des mandats de mélange de biocarburants existent dans 31 pays au niveau national et dans 29 États ou provinces. L’Agence internationale de l’énergie a pour objectif que les biocarburants répondent à plus du quart de la demande mondiale de carburants de transport d’ici 2050, afin de réduire la dépendance au pétrole et au charbon. La production de biocarburants a également conduit à une industrie automobile florissante: en 2010, 79% de toutes les voitures produites au Brésil étaient fabriquées avec un système de carburant hybride composé de bioéthanol et d’essence.
Divers problèmes d’ordre social, économique, environnemental et technique liés à la production et à l’utilisation de biocarburants ont été débattus dans les médias populaires et les revues scientifiques.
Générations
Biocarburants de première génération
Les biocarburants «de première génération» ou conventionnels sont des biocarburants fabriqués à partir de cultures vivrières cultivées sur des terres arables. Avec cette génération de production de biocarburants, les cultures vivrières sont donc explicitement cultivées pour la production de carburant, et rien d’autre. Le sucre, l’amidon ou l’huile végétale obtenue à partir des cultures est converti en biodiesel ou en éthanol par transestérification ou fermentation de levure.
Biocarburants de deuxième génération
Les biocarburants de deuxième génération sont des carburants fabriqués à partir de divers types de biomasse. La biomasse est un terme très large qui désigne toute source de carbone organique qui est renouvelée rapidement dans le cadre du cycle du carbone. La biomasse est dérivée de matières végétales, mais peut également inclure des matières animales.
Alors que les biocarburants de première génération sont fabriqués à partir des sucres et des huiles végétales des cultures arables, les biocarburants de deuxième génération sont fabriqués à partir de biomasse lignocellulosique ou de cultures ligneuses, de résidus agricoles ou de déchets de plantes (de cultures vivrières ayant déjà atteint leur objectif alimentaire). Les matières premières utilisées pour générer des biocarburants de deuxième génération poussent donc soit sur des terres arables, mais ne sont que des sous-produits de la récolte effective (culture principale) ou sont cultivées sur des terres qui ne peuvent être utilisées efficacement pour la culture vivrière et, dans certains cas, ni eau supplémentaire ou un engrais leur est appliqué. Les sources de matières premières de deuxième génération autres que l’alimentation humaine comprennent les graminées, le jatropha et d’autres cultures de semences, l’huile végétale usée, les déchets solides municipaux, etc.
Cela présente des avantages et des inconvénients. L’avantage est que, contrairement aux cultures vivrières régulières, aucune terre arable n’est utilisée uniquement pour la production de carburant. L’inconvénient est que, contrairement aux cultures vivrières ordinaires, l’extraction du combustible peut s’avérer assez difficile. Par exemple, une série de traitements physiques et chimiques pourrait être nécessaire pour convertir la biomasse lignocellulosique en carburants liquides adaptés au transport.
Biocarburants de troisième génération
De 1978 à 1996, le NREL américain a expérimenté l’utilisation d’algues comme source de biocarburants dans le cadre du « Programme des espèces aquatiques ». Un article auto-publié de Michael Briggs, du groupe des biocarburants de l’ONU, propose des estimations pour le remplacement réaliste de tous les carburants de véhicules par des biocarburants en utilisant des algues contenant plus de 50% d’huile naturelle, ce qui, selon Briggs, peut être cultivé dans des étangs d’algues. dans les usines de traitement des eaux usées. Ces algues riches en huile peuvent ensuite être extraites du système et transformées en biocarburants, le reste séché étant ensuite retraité pour créer de l’éthanol. La production d’algues destinées à la production d’huile destinée à la production de biocarburants n’a pas encore été entreprise à une échelle commerciale, mais des études de faisabilité ont été menées pour parvenir à l’estimation de rendement susmentionnée. En plus de son rendement élevé prévu, l’algaculture – contrairement aux biocarburants à base de cultures – n’entraîne pas de diminution de la production alimentaire, car elle n’a besoin ni de terres agricoles ni d’eau douce. De nombreuses entreprises recherchent des bioréacteurs d’algues à diverses fins, notamment pour accroître la production de biocarburants au niveau commercial. Le professeur Rodrigo E. Teixeira de l’Université de l’Alabama à Huntsville a démontré l’extraction de lipides issus de biocarburants à partir d’algues humides en utilisant une réaction simple et économique dans des liquides ioniques.
Biocarburants de quatrième génération
À l’instar des biocarburants de troisième génération, les biocarburants de quatrième génération sont fabriqués à partir de terres non arables. Cependant, contrairement aux biocarburants de troisième génération, ils ne nécessitent pas la destruction de la biomasse. Cette classe de biocarburants comprend les carburants électriques et les carburants solaires photobiologiques. Certains de ces carburants sont neutres en carbone. La conversion de l’huile brute des graines de la plante en combustibles utiles est appelée transestérification.
Les types
Les carburants suivants peuvent être produits à l’aide de procédures de production de biocarburants de première, deuxième, troisième ou quatrième générations. La plupart d’entre eux peuvent même être produits à l’aide de deux ou trois procédures de production de biocarburants différentes.
Biogaz
Le biogaz est le méthane produit par le processus de digestion anaérobie des matières organiques par les anaérobies. Il peut être produit à partir de déchets biodégradables ou en utilisant des cultures énergétiques introduites dans des digesteurs anaérobies pour compléter les rendements en gaz. Le sous-produit solide, le digestat, peut être utilisé comme biocarburant ou comme engrais.
Le biogaz peut être récupéré à partir de systèmes de traitement des déchets issus du traitement biologique mécanique. Les gaz d’enfouissement, une forme moins propre de biogaz, sont produits dans les sites d’enfouissement par digestion anaérobie naturelle. S’il s’échappe dans l’atmosphère, il s’agit d’un gaz à effet de serre potentiel.
Les agriculteurs peuvent produire du biogaz à partir du fumier de leur bétail en utilisant des digesteurs anaérobies.
Gaz de synthèse
Le gaz de synthèse, mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et d’autres hydrocarbures, est produit par combustion partielle de biomasse, c’est-à-dire par combustion avec une quantité d’oxygène insuffisante pour convertir complètement la biomasse en dioxyde de carbone et en eau. Avant la combustion partielle, la biomasse est séchée et parfois pyrolysée. Le mélange de gaz résultant, le gaz de synthèse, est plus efficace que la combustion directe du biocarburant initial; plus de l’énergie contenue dans le carburant est extraite.
Le gaz de synthèse peut être brûlé directement dans les moteurs à combustion interne, les turbines ou les piles à combustible à haute température. Le générateur de gaz de bois, un réacteur de gazéification alimenté au bois, peut être connecté à un moteur à combustion interne.
Le gaz synthétique peut être utilisé pour produire du méthanol, du DME et de l’hydrogène, ou bien être transformé selon le procédé Fischer-Tropsch pour produire un substitut de diesel ou un mélange d’alcools pouvant être mélangés à de l’essence. La gazéification repose normalement sur des températures supérieures à 700 ° C.
La gazéification à basse température est souhaitable lors de la co-production de biocharbon, mais donne un gaz de synthèse pollué par du goudron.
Éthanol
Les alcools biologiquement produits, le plus souvent l’éthanol, et moins communément le propanol et le butanol, sont produits par l’action de microorganismes et d’enzymes par la fermentation de sucres ou d’amidons (le plus facile), ou de cellulose (plus difficile). Le biobutanol (également appelé biogazoline) est souvent considéré comme un substitut direct de l’essence, car il peut être utilisé directement dans un moteur à essence.
L’éthanol est le biocarburant le plus répandu dans le monde, en particulier au Brésil. Les carburants à base d’alcool sont obtenus par fermentation de sucres dérivés du blé, du maïs, de la betterave à sucre, de la canne à sucre, de la mélasse et de tout sucre ou amidon à partir duquel des boissons alcoolisées telles que le whisky peuvent être fabriquées (telles que des déchets de pommes de terre et de fruits, etc.). Les méthodes de production d’éthanol utilisées sont la digestion enzymatique (libération des sucres des amidons stockés), la fermentation des sucres, la distillation et le séchage. Le procédé de distillation nécessite un apport énergétique important en chaleur (combustible fossile au gaz naturel parfois non durable, mais la biomasse cellulosique telle que la bagasse, les déchets laissés après que la canne à sucre a été pressée pour en extraire le jus, est le combustible le plus répandu au Brésil, tandis que les pellets, les copeaux de bois ainsi que la chaleur perdue sont plus courantes en Europe) Usine d’éthanol à base de vapeur de combustion – où la chaleur perdue des usines est également utilisée dans le réseau de chauffage urbain.
L’éthanol peut être utilisé dans les moteurs à essence en remplacement de l’essence; il peut être mélangé avec de l’essence à n’importe quel pourcentage. La plupart des moteurs à essence de voiture existants peuvent fonctionner avec des mélanges contenant jusqu’à 15% de bioéthanol et de pétrole / essence. L’éthanol a une densité d’énergie inférieure à celle de l’essence; cela signifie qu’il faut plus de carburant (volume et masse) pour produire la même quantité de travail. Un avantage de l’éthanol (CH
3CH
2OH) est qu’il a un indice d’octane supérieur à celui de l’essence sans éthanol disponible dans les stations-service en bordure de route, ce qui permet d’augmenter le taux de compression du moteur et d’augmenter son efficacité thermique. Dans les régions de haute altitude (air raréfié), certains États exigent un mélange d’essence et d’éthanol en tant que comburant hivernal pour réduire les émissions de pollution atmosphérique.
L’éthanol est également utilisé pour alimenter les foyers au bioéthanol. Comme ils ne nécessitent pas de cheminée et sont «sans conduit», les feux au bioéthanol sont extrêmement utiles pour les maisons et les appartements neufs sans cheminée. L’inconvénient de ces foyers est que leur chaleur dégagée est légèrement inférieure à celle des feux de chaleur ou de gaz électriques, et des précautions doivent être prises pour éviter l’intoxication par le monoxyde de carbone.
Le maïs à l’éthanol et d’autres stocks alimentaires ont conduit au développement de l’éthanol cellulosique. Selon un programme de recherche commun mené par le Département de l’énergie des États-Unis, les ratios d’énergie fossile (FER) pour l’éthanol cellulosique, l’éthanol de maïs et l’essence sont respectivement de 10,3, 1,36 et 0,81.
L’éthanol contient environ un tiers d’énergie en moins par unité de volume par rapport à l’essence. Ceci est en partie contrebalancé par la meilleure efficacité lors de l’utilisation de l’éthanol (dans un test à long terme de plus de 2,1 millions de km, le projet BEST a révélé que les véhicules à combustion de véhicules FFV consomment de 1 à 26% d’énergie en moins que les voitures à essence, mais la consommation volumétrique augmente de environ 30%, il faut donc davantage d’arrêt de carburant).
Avec les subventions actuelles, le carburant à l’éthanol est légèrement moins cher par la distance parcourue aux États-Unis.
Autres bioalcools
Le méthanol est actuellement produit à partir de gaz naturel, un combustible fossile non renouvelable. À l’avenir, on espère pouvoir produire de la biomasse sous forme de biométhanol. Ceci est techniquement réalisable, mais la production est actuellement reportée en raison des préoccupations de Jacob S. Gibbs et de Brinsley Coleberd selon lesquelles la viabilité économique est toujours en attente. L’économie du méthanol est une alternative à l’économie de l’hydrogène, comparée à la production actuelle d’hydrogène à partir de gaz naturel.
Butanol (C
4h
9OH) est formé par la fermentation ABE (acétone, butanol, éthanol) et des modifications expérimentales du procédé montrent des gains énergétiques nets potentiellement élevés, le butanol étant le seul produit liquide. Le butanol produira plus d’énergie et pourrait être brûlé « directement » dans les moteurs à essence existants (sans modification du moteur ou de la voiture). Il est moins corrosif et moins soluble dans l’eau que l’éthanol, et pourrait être distribué via les infrastructures existantes. DuPont et BP collaborent pour développer le butanol. Les souches d’Escherichia coli ont également été conçues avec succès pour produire du butanol en modifiant leur métabolisme des acides aminés. Le coût élevé des milieux riches en nutriments est un inconvénient de la production de butanol dans E. coli. Cependant, des travaux récents ont montré que E. coli pouvait produire du butanol avec une supplémentation nutritionnelle minime.
Biodiesel
Le biodiesel est le biocarburant le plus répandu en Europe. Il est produit à partir d’huiles ou de graisses par transestérification et est un liquide dont la composition est similaire à celle du diesel fossile / minéral. Chimiquement, il s’agit principalement d’esters méthyliques (ou d’éthyle) d’acides gras (FAME). Les matières premières pour le biodiesel comprennent les graisses animales, les huiles végétales, le soja, le colza, le jatropha, le mahua, la moutarde, le lin, le tournesol, l’huile de palme, le chanvre, le penny cresson des champs, le Pongamia pinnata et les algues. Le biodiesel pur (B100, également appelé biodiesel «net») réduit actuellement les émissions de près de 60% par rapport au diesel B100 de deuxième génération.
Le biodiesel peut être utilisé dans tout moteur diesel lorsqu’il est mélangé à du diesel minéral. Il peut également être utilisé sous sa forme pure (B100) dans les moteurs diesel, mais certains problèmes d’entretien et de performances peuvent alors survenir pendant l’utilisation en hiver, car le carburant devient un peu plus visqueux à basse température, en fonction de la matière première utilisée. Dans certains pays, les constructeurs couvrent leurs moteurs diesel sous garantie d’utilisation du B100, bien que Volkswagen, en Allemagne, par exemple, demande aux conducteurs de vérifier par téléphone avec le service de la protection de l’environnement de VW avant de passer au B100. Dans la plupart des cas, le biodiesel est compatible avec les moteurs diesel à partir de 1994, qui utilisent du caoutchouc synthétique «Viton» (de DuPont) dans leurs systèmes d’injection de carburant mécanique. Notez cependant qu’aucun véhicule n’est certifié pour l’utilisation de biodiesel pur avant 2014, car il n’existait aucun protocole de contrôle des émissions pour le biodiesel avant cette date.
Les systèmes de type «common rail» et «injecteurs unitaires» à commande électronique à partir de la fin des années 90 ne peuvent utiliser que du biodiesel mélangé à du carburant diesel conventionnel. Ces moteurs sont dotés de systèmes d’injection à étages multiples à dosage précis et atomisés, très sensibles à la viscosité du carburant. De nombreux moteurs diesel de la génération actuelle sont conçus pour pouvoir fonctionner sur le B100 sans modifier le moteur lui-même, bien que cela dépende de la conception de la rampe d’alimentation en carburant. Étant donné que le biodiesel est un solvant efficace et qu’il élimine les résidus de diesel minéral, il peut être nécessaire de remplacer les filtres de moteur plus souvent, car le biocarburant dissout les anciens dépôts dans le réservoir et les tuyaux. Il nettoie également efficacement les dépôts de carbone dans la chambre de combustion du moteur, contribuant ainsi au maintien de son efficacité. Dans de nombreux pays européens, un mélange de biodiesel à 5% est largement utilisé et est disponible dans des milliers de stations-service. Le biodiesel est également un carburant oxygéné, ce qui signifie qu’il contient une quantité réduite de carbone et une teneur en hydrogène et en oxygène supérieure à celle du diesel fossile. Cela améliore la combustion du biodiesel et réduit les émissions de particules de carbone non brûlé. Cependant, l’utilisation de biodiesel pur peut augmenter les émissions de NOx
Le biodiesel est également sûr à manipuler et à transporter car il est non toxique et biodégradable et a un point d’éclair élevé d’environ 300 ° F (148 ° C) par rapport au carburant diesel, dont le point d’éclair est de 52 ° C (125 ° F). ° C).
Aux États-Unis, plus de 80% des camions et des autobus urbains fonctionnent au diesel. On estime que le marché américain émergent des biodiesels a augmenté de 200% entre 2004 et 2005. « Fin 2006, la production de biodiesel devrait être multipliée par quatre pour atteindre plus de » 1 milliard de gallons américains (3 800 000 m3).
En France, le biodiesel est incorporé à un taux de 8% dans le carburant utilisé par tous les véhicules diesel français. Le groupe Avril produit sous la marque Diester, un cinquième des 11 millions de tonnes de biodiesel consommées annuellement par l’Union européenne. C’est le premier producteur européen de biodiesel.
Diesel vert
Le diesel vert est produit par hydrocraquage de matières premières d’huile biologique, telles que les huiles végétales et les graisses animales. L’hydrocraquage est une méthode de raffinage qui utilise des températures et une pression élevées en présence d’un catalyseur pour décomposer des molécules plus grosses, telles que celles présentes dans les huiles végétales, en chaînes d’hydrocarbures plus courtes utilisées dans les moteurs diesel. On peut aussi l’appeler diesel renouvelable, huile végétale hydrotraitée ou diesel renouvelable dérivé de l’hydrogène. Contrairement au biodiesel, le diesel vert a exactement les mêmes propriétés chimiques que le diesel à base de pétrole. Il n’a pas besoin de nouveaux moteurs, pipelines ou infrastructures pour être distribués et utilisés, mais n’a pas été produit à un coût concurrentiel par rapport au pétrole. Des versions à essence sont également en cours de développement. Le diesel vert est développé par ConocoPhillips, Neste Oil, Valero, Dynamic Fuels et Honeywell UOP, ainsi que par Preem à Göteborg, en Suède, à Singapour, créant ainsi le nom Evolution Diesel.
Huile végétale droite
De manière générale, l’huile végétale comestible non modifiée n’est pas utilisée comme carburant, mais une huile de qualité inférieure a été utilisée à cette fin. L’huile végétale usée est de plus en plus transformée en biodiesel ou (plus rarement) nettoyée de l’eau et des particules, puis utilisée comme carburant.
Comme avec le 100% de biodiesel (B100), pour garantir que les injecteurs de carburant atomisent l’huile végétale dans le bon schéma pour une combustion efficace, le carburant à base d’huile végétale doit être chauffé pour réduire sa viscosité à celle du diesel, par l’intermédiaire de serpentins électriques ou d’échangeurs de chaleur. Ceci est plus facile dans les climats chauds ou tempérés. MAN B & W Diesel, Wärtsilä et Deutz AG, ainsi que de nombreuses petites entreprises, telles qu’Elsbett, proposent des moteurs compatibles avec l’huile végétale pure, sans nécessiter de modification après-vente.
L’huile végétale peut également être utilisée dans de nombreux moteurs diesel plus anciens qui n’utilisent pas de systèmes d’injection diesel électronique à rampe commune ni d’injection unitaire. En raison de la conception des chambres de combustion dans les moteurs à injection indirecte, ce sont les meilleurs moteurs pour une utilisation avec de l’huile végétale. Ce système laisse aux molécules d’huile relativement plus grandes plus de temps pour brûler. Certains moteurs plus anciens, notamment Mercedes, sont entraînés expérimentalement par des passionnés sans conversion. Quelques conducteurs ont connu un succès limité avec les moteurs VW TDI antérieurs « Pumpe Duse » et autres moteurs similaires à injection directe. Plusieurs sociétés, telles que Elsbett ou Wolf, ont mis au point des kits de conversion professionnels et en ont installé des centaines au cours des dernières décennies.
Les huiles et les graisses peuvent être hydrogénées pour donner un substitut au diesel. Le produit résultant est un hydrocarbure à chaîne droite avec un indice de cétane élevé, une teneur faible en aromatiques et en soufre et ne contient pas d’oxygène. Les huiles hydrogénées peuvent être mélangées au diesel dans toutes les proportions. Ils présentent plusieurs avantages par rapport au biodiesel, notamment une bonne performance à basses températures, aucun problème de stabilité au stockage et aucune sensibilité aux attaques microbiennes.
Bioéthers
Les bioéthers (également appelés éthers de carburants ou carburants oxygénés) sont des composés économiques qui agissent en tant qu’améliorants de l’indice d’octane. « Les bioéthers sont produits par la réaction d’iso-oléfines réactives, telles que l’isobutylène, avec du bioéthanol. » Les bioéthers sont créés par le blé ou la betterave à sucre. Ils améliorent également les performances du moteur, tout en réduisant considérablement l’usure du moteur et les émissions d’échappement toxiques. Bien que les bioéthers remplacent probablement les pétroéthers au Royaume-Uni, il est fort peu probable qu’ils deviennent un carburant en soi en raison de la faible densité énergétique. Réduisant considérablement les émissions d’ozone au niveau du sol, ils contribuent à la qualité de l’air.
En ce qui concerne le carburant de transport, il existe six additifs à base d’éther: le diméthyléther (DME), le diéthyléther (DEE), le méthylteritrile-butyléther (MTBE), l’éther éthyl-ter-butylique (ETBE), le teramylméthyléther (TAME). et l’éther éthylique de teramyle (TAEE).
L’EFOA (European Fuel Oxygenates Association) considère l’éther méthylique de tert-butyle (MTBE) et l’éthyle de ter-butyle (ETBE) comme les éthers les plus couramment utilisés dans les combustibles pour remplacer le plomb. Les éthers ont été introduits en Europe dans les années 1970 pour remplacer le composé hautement toxique. Bien que les Européens utilisent encore des additifs à base de bioéther, les États-Unis n’ont plus besoin d’oxygéner et, par conséquent, les bio-éthers ne sont plus utilisés comme additif principal.
Biocombustibles solides
Les exemples incluent le bois, la sciure de bois, le gazon, les ordures ménagères, le charbon de bois, les déchets agricoles, les cultures énergétiques non alimentaires et le fumier séché.
Lorsque la biomasse solide est déjà sous une forme appropriée (telle que le bois de chauffage), elle peut brûler directement dans un poêle ou un four afin de fournir de la chaleur ou de générer de la vapeur. Lorsque la biomasse solide se présente sous une forme peu pratique (telle que la sciure de bois, les copeaux de bois, l’herbe, les déchets ligneux urbains, les résidus agricoles), le processus typique consiste à densifier la biomasse. Ce processus comprend le broyage de la biomasse brute à une taille de particules appropriée (connue sous le nom de «combustible de porc»), qui, selon le type de densification, peut aller de 1 à 3 cm (0,4 à 1,2 in), qui est ensuite concentrée dans un produit combustible. Les procédés actuels produisent des granulés de bois, des cubes ou des rondelles. Le procédé de fabrication de pellets est le plus répandu en Europe et est généralement un pur produit du bois. Les autres types de densification ont une taille supérieure à celle d’une pastille et sont compatibles avec une large gamme de charges d’alimentation. Le carburant densifié résultant est plus facile à transporter et à alimenter dans des systèmes de génération thermique, tels que des chaudières.
La sciure de bois, l’écorce et les copeaux sont déjà utilisés depuis des décennies comme combustibles dans les processus industriels; les exemples incluent l’industrie des pâtes et papiers et l’industrie de la canne à sucre. Des chaudières de 500 000 lb / h de vapeur et plus sont en fonctionnement courant: elles utilisent une grille, un dispositif d’écartement, une combustion en suspension et une combustion en lit fluidisé. Les services publics génèrent de l’énergie, généralement entre 5 et 50 MW, en utilisant le combustible disponible localement. D’autres industries ont également installé des chaudières et des séchoirs alimentés aux déchets de bois dans les zones à faible coût en combustible.
L’un des avantages du combustible à biomasse solide est qu’il s’agit souvent d’un sous-produit, d’un résidu ou d’un déchet d’autres processus, tels que l’agriculture, l’élevage et la foresterie. En théorie, cela signifie que les combustibles et la production alimentaire ne se font pas concurrence pour les ressources, bien que ce ne soit pas toujours le cas.
Un problème avec la combustion de biocombustibles solides est qu’il émet des quantités considérables de polluants, tels que des particules et des hydrocarbures aromatiques polycycliques. Même les chaudières à pellets modernes génèrent beaucoup plus de polluants que les chaudières au mazout ou au gaz naturel. Les pellets fabriqués à partir de résidus agricoles sont généralement pires que les pellets de bois et produisent des émissions de dioxines et de chlorophénols bien plus importantes.
Un carburant dérivé est le biochar, produit par pyrolyse de la biomasse. Le biochar fabriqué à partir de déchets agricoles peut remplacer le charbon de bois. À mesure que le stock de bois se raréfie, cette alternative gagne du terrain. Dans l’est de la République démocratique du Congo, par exemple, des briquettes de biomasse sont commercialisées comme alternative au charbon de bois pour protéger le parc national de Virunga de la déforestation liée à la production de charbon de bois.
Les recherches en cours
Des recherches sont en cours pour trouver des cultures de biocarburants plus appropriées et améliorer les rendements en huile de ces cultures. En utilisant les rendements actuels, il faudrait de grandes quantités de terre et d’eau douce pour produire suffisamment de pétrole pour remplacer complètement l’utilisation de combustibles fossiles. Il faudrait que deux fois la superficie des États-Unis soit consacrée à la production de soja, ou deux tiers à la production de colza, pour répondre aux besoins actuels en matière de chauffage et de transport aux États-Unis.
Les variétés de moutarde spécialement élevées peuvent produire des rendements en huile raisonnablement élevés et sont très utiles dans la rotation des cultures avec des céréales, et ont l’avantage supplémentaire que le reste de farine après que l’huile a été extraite peut agir comme un pesticide efficace et biodégradable.
Le NFESC, avec Biodiesel Industries, basé à Santa Barbara, travaille au développement de technologies de biocarburants pour la marine et l’armée américaines, l’un des plus grands utilisateurs de carburant diesel au monde. Un groupe de développeurs espagnols travaillant pour une société appelée Ecofasa a annoncé un nouveau biocarburant fabriqué à partir de déchets. Le carburant est créé à partir de déchets urbains en général, traités par des bactéries pour produire des acides gras, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des biocarburants. Avant son arrêt, Joule Unlimited tentait de fabriquer de l’éthanol et du biodiesel bon marché à partir d’une bactérie photosynthétique génétiquement modifiée.
Biocarburants à l’éthanol (bioéthanol)
Principale source de biocarburants en Amérique du Nord, de nombreuses organisations mènent des recherches dans le domaine de la production d’éthanol. Le Centre national de recherche sur l’éthanol (CNERC) est une division de recherche de l’Université de l’Illinois du Southern Illinois à Edwardsville, qui se consacre uniquement aux projets de recherche sur les biocarburants à base d’éthanol. Au niveau fédéral, l’USDA mène de nombreuses recherches sur la production d’éthanol aux États-Unis. Une grande partie de cette recherche porte sur les effets de la production d’éthanol sur les marchés alimentaires nationaux. Une division du département de l’Énergie des États-Unis, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), a également mené divers projets de recherche sur l’éthanol, principalement dans le domaine de l’éthanol cellulosique.
La commercialisation de l’éthanol cellulosique est le processus permettant de créer une industrie utilisant des méthodes permettant de transformer des matières organiques contenant de la cellulose en carburant. Des sociétés telles que Iogen, POET et Abengoa construisent des raffineries capables de traiter la biomasse et de la transformer en bioéthanol. Des sociétés telles que Diversa, Novozymes et Dyadic produisent des enzymes qui pourraient permettre un avenir à l’éthanol cellulosique. Le passage des matières premières des cultures vivrières aux résidus et aux graminées indigènes offre des opportunités considérables à un large éventail d’acteurs, allant des agriculteurs aux entreprises de biotechnologie et des développeurs de projets aux investisseurs.
À partir de 2013, les premières usines commerciales produisant des biocarburants cellulosiques ont commencé à fonctionner. Des voies multiples pour la conversion de différentes matières premières de biocarburants sont utilisées. Dans les prochaines années, les données sur les coûts de ces technologies exploitées à l’échelle commerciale et leur performance relative seront disponibles. Les leçons apprises permettront de réduire les coûts des processus industriels impliqués.
Dans certaines régions d’Asie et d’Afrique où les terres arides prévalent, le sorgho doux est à l’étude en tant que source potentielle de denrées alimentaires, de fourrage et de carburant. La culture est particulièrement adaptée à la culture dans des conditions arides, car elle n’extrait que le septième de l’eau utilisée par la canne à sucre. En Inde et ailleurs, les tiges de sorgho sucrées sont utilisées pour produire du biocarburant en pressant le jus puis en faisant fermenter de l’éthanol.
Une étude réalisée par des chercheurs de l’Institut international de recherche sur les cultures des zones tropicales semi-arides (ICRISAT) a révélé que la culture de sorgho sucré au lieu de sorgho à grain pouvait augmenter les revenus des agriculteurs de 40 dollars EU par hectare et par culture, car il pouvait fournir du carburant en plus des denrées alimentaires et des produits animaux. alimentation. Étant donné que le sorgho en grains occupe actuellement plus de 11 millions d’hectares en Asie et 23,4 millions d’hectares en Afrique, le passage au sorgho doux pourrait avoir un impact économique considérable.
Jatropha
Plusieurs groupes de divers secteurs mènent des recherches sur le Jatropha curcas, un arbre ressemblant à un arbuste toxique qui produit des graines considérées par beaucoup comme une source viable d’huile de biocarburants. Une grande partie de ces recherches sont axées sur l’amélioration du rendement global en huile de jatropha par acre grâce à des avancées en génétique, en pédologie et en pratiques horticoles.
SG Biofuels, un développeur de jatropha basé à San Diego, a utilisé la sélection moléculaire et la biotechnologie pour produire des semences hybrides élites présentant des améliorations de rendement significatives par rapport aux variétés de première génération. SG Biofuels affirme également que ces souches ont apporté des avantages supplémentaires, notamment une synchronicité de floraison améliorée, une résistance accrue aux parasites et aux maladies et une tolérance accrue au froid.
Plant Research International, un département de l’université et du centre de recherche de Wageningen aux Pays-Bas, gère actuellement un projet d’évaluation du jatropha qui examine la faisabilité de la culture à grande échelle du jatropha par le biais d’expériences sur le terrain et en laboratoire. Le Centre pour une agriculture énergétique durable (CfSEF) est un organisme de recherche à but non lucratif basé à Los Angeles qui se consacre à la recherche sur le jatropha dans les domaines de la phytologie, de l’agronomie et de l’horticulture. Une exploration réussie de ces disciplines devrait augmenter les rendements de production des exploitations agricoles en jatropha de 200 à 300% au cours des 10 prochaines années.
Champignons
Dans un article publié en 2008, un groupe de l’Académie des sciences de Russie à Moscou a déclaré avoir isolé de grandes quantités de lipides de champignons unicellulaires et les avoir transformés en biocarburants de manière économiquement efficace. D’autres recherches sur cette espèce fongique, Cunninghamella japonica et d’autres, devraient apparaître prochainement. La découverte récente d’une variante du champignon Gliocladium roseum (renommé plus tard Ascocoryne sarcoides) semble indiquer la production de myco-diesel à partir de cellulose. Cet organisme a récemment été découvert dans les forêts pluviales du nord de la Patagonie et présente la capacité unique de convertir la cellulose en hydrocarbures de longueur moyenne, généralement présents dans le carburant diesel. On a observé que de nombreux autres champignons pouvant dégrader la cellulose et d’autres polymères produisaient des molécules en cours de fabrication à l’aide d’organismes d’autres règnes, ce qui suggère que les champignons pourraient jouer un rôle important dans la bioproduction de carburants (examiné dans).
Bactéries intestinales animales
La flore gastro-intestinale microbienne chez divers animaux a montré un potentiel de production de biocarburants. Des recherches récentes ont montré que le TU-103, une souche de bactérie Clostridium trouvée dans les selles de zèbre, peut convertir presque toutes les formes de cellulose en carburant butanol. Les microbes présents dans les déchets de pandas sont à l’étude pour leur utilisation dans la création de biocarburants à partir de bambou et d’autres matières végétales. Des travaux de recherche importants ont également été menés sur la technologie d’utilisation des microbiomes intestinaux d’insectes se nourrissant du bois pour la conversion de matières lignocellulotiques en biocarburant.