Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC UVED « Énergies renouvelables ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Définition, caractérisation et propriétés de la biomasse ligno-cellulosique

Gilles VAITILINGOM
Directeur de recherche – CIRAD

Nous allons parlons d’énergie de la biomasse et de biocombustibles. Pour cela, il est nécessaire de définir ce qu'est la biomasse.

1. La biomasse

Si l'on prend la définition du Larousse, la biomasse est la masse totale des êtres vivants subsistant en équilibre sur une surface donnée du sol ou dans un volume donné d'eau océanique ou d’eau douce. Dans le domaine énergétique, cela va être un petit peu plus limité. On va parler surtout de produits d'origine végétale, essentiellement des matériaux lignocellulosiques, de produits d'origine animale, de boues ou de déchets ménagers. Ce qu'il faut retenir c'est que le Comité de Normalisation Européen Biocombustibles définit cette biomasse-énergie comme les coproduits agricoles et forestiers, les déchets végétaux issus de la transformation agroalimentaire, les déchets de bois (hors bois contaminé), et les déchets de liège. Cette biomasse est de la matière organique vivante. En termes de culture énergétique par exemple, on peut citer : 1) le colza et le tournesol qui nous servent à faire des biocarburants, 2) des plantations d'eucalyptus ou d'acacia dont la destination est vraiment de produire de l'énergie, 3) les sous-produits agricoles comme les pailles de blé, les pailles de riz, les balles de riz (l'enveloppe du riz une fois qu'il est décortiqué), la bagasse de canne à sucre, et 4) le bois qui reste quand même la référence puisqu’on va trouver des plaquettes forestières, des granulés, des sciures etc (figure ci-dessous).

Cette biomasse est renouvelable parce que son origine tient au cycle du carbone. L'énergie de formation de cette biomasse provient de l'énergie solaire qui, par photosynthèse, va capter ce carbone et un certain nombre d'autres éléments, générer des cellules lignocellulosiques et qui vont produire par exemple du bois. La combustion de ce bois va relarguer dans l'atmosphère du dioxyde de carbone, ce même carbone étant à son tour remobilisé grâce à la photosynthèse pour refaire pousser du bois, de la paille de blé, du blé etc. Nous sommes dans un cycle court en fait  qui est un cycle renouvelable.

2. Le bois

Qu'est-ce qu’est cette biomasse lignocellulosique ? Regardons le bois, qui est un bon exemple et finalement, qui est notre référence (figure ci-dessous).

Le bois est la partie morte de l'arbre, une fois qu’on l’a coupé. Ce bois est composé d’une écorce, d’une partie encore vivante, et puis d’un qui lui l’est moins. Cet ensemble est composé d'un certain nombre de rayons, de cellules de tailles différentes qui communiquent entre elles par des canaux à travers lesquelles la sève passe et s'écoule pour faire vivre le bois vivant. Si l'on regarde dans le détail, on s'aperçoit que le bois est un ensemble de parois de cellules qui est composé de diverses couches qui forment les diverses parois. Ces couches sont constituées comme des espèces de câbles longs  (ce sont des millimètres) mais qui sont très rigides. Pour qu’ils se tiennent ensemble, un peu comme un câble électrique, il lui faut une gaine autour qui va être plus ou moins souple. Cela va assurer à la fois une cohésion de l'ensemble de ces câbles mais également sa plus ou moins grande souplesse ou rigidité. Ces câbles longs sont des microfibrilles de cellulose. Le composant de la gaine qui assure un petit peu cette cohésion après, c'est ce que l'on appelle l’hémicellulose et la lignine. Si on regarde la composition du bois, on s'aperçoit qu'il est composé de 51 % de carbone, mais aussi d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de soufre. Si on fait une analyse immédiate du bois, il va y avoir une part d'humidité (qui apparaît en bleu ici sur la figure ci-dessous), une part de matière volatile (qui apparaît en jaune) qui est assez majoritaire en pourcentage, une part de carbone fixe et un résiduel de cendres qui sont des minéraux et des matières non-organiques.

La remarque est que le vois est quand même essentiellement composé de matières dites volatiles. Ce sont ces matières volatiles qui vont constituer le principal vecteur de combustion quand on fait un feu de bois par exemple dans une cheminée. En termes de composition globale, cette cellulose qui assure la rigidité du bois intervient, selon les espèces, entre 20 et 50 % de la composition du bois, la lignine entre 10 et 30 % et il va rester dans les cendres une part variable qui se situe entre 1 à 5 %. Pour finir sur ce bois qui est notre référence, on dira que c'était quand même un matériau que l'on connaît depuis très longtemps, qui a des performances étonnantes, d'un point de vue mécanique, on vient de voir un petit peu comment ça se passe et pourquoi, qui a aussi une excellente résistance au feu, et qui amène confort et esthétique. Mais ce bois a des ennemis comme l'humidité, les champignons, les insectes xylophages (des termites, des capricornes, des vrillettes), qui obligent finalement souvent à traiter le bois avec des produits qui peuvent effectivement poser après des problèmes de valorisation en aval, en particulier dans une filière de biocombustibles. C'est là-dessus que beaucoup de laboratoires et les réglementations maintenant se penchent pour traiter les bois sans utiliser des produits qui, relargués dans l'atmosphère s'avéreraient des polluants trop importants.