Biomasse lignocellulosique

 Disponibilité de la ressource 

La biomasse est l’ensemble des matières organiques d’origines végétales et animales. Elle est généralement considérée comme une source d’énergie durable et renouvelable car elle est constamment formée par les interactions de CO2, de l’air, de l’eau, du sol et le soleil avec les animaux et les plantes [1]. Parmi les biomasses d’origine végétale, la biomasse lignocellulosique est la ressource la plus abondante. On distingue différentes sources de biomasses lignocellulosiques qui peuvent être classées en quatre catégories : (i) le bois (plaquettes forestières, granulés, sciures, copeaux…), (ii) les sous-produits agricoles (la paille de blé, la paille de colza, la paille de tournesol, la canne de maïs…), (iii) les déchets urbains (déchets verts), (iv) les cultures énergétiques (Peuplier, Miscanthus, Eucalyptus, Triticale, Saule…). Le rapport final de l’étude « Le biométhane de gazéification en France » a fait des projections sur la disponibilité de la ressource aux horizons 2020 et 2050 [2]. Il ressort que les résidus agricoles disponibles pour de nouveaux usages sont estimés à 36 TWh/an, soit 7,3 millions de tonnes sèches. La disponibilité en cultures énergétiques est estimée à 62 TWh/an. Selon les estimations de l’ADEME en 2020, 18 Mtep de biomasses lignocellulosiques pourraient être utilisées à des fins énergétiques. 

Composition de la biomasse lignocellulosique

 Les principaux éléments chimiques de la biomasse lignocellulosique sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et de petites quantités d’azote et de soufre. Cette composition élémentaire varie selon les essences. La référence est souvent le bois (50% massique de carbone, 6% d’hydrogène, 44% d’oxygène). Le carbone, l’hydrogène et l’oxygène se combinent pour former les composants macromoléculaires organiques de la biomasse que sont la cellulose, les hémicelluloses et la lignine (Figure 2) [3]. Une brève description de ces trois constituants est présentée ci-dessous : Chapitre 1 : Revue bibliographique 9 La cellulose La cellulose est le principal constituant structurel dans les parois cellulaires des plantes. Elle se trouve dans une structure fibreuse organisée. C’est un polymère linéaire de glucose (polysaccharide) de formule générale (C6H10O5)n constitué d’unités de cellobiose. Les feuillus (bois durs) contiennent une grande quantité de cellulose [3]. La décomposition de la cellulose lors de la pyrolyse se produit entre 325 et 400°C [4]. Les hémicelluloses Les hémicelluloses sont aussi des polysaccharides de structure plus complexe que la cellulose. Les polymères sont formés de différents types de monomère et leur composition est variable en fonction des espèces. Les sucres dominants dans les hémicelluloses sont le mannose dans les résineux et le xylose dans les feuillus et les résidus agricoles [5]. Lors de la pyrolyse, les hémicelluloses représentées par le xylane se dégradent entre 250-350°C [4]. Elles présentent une très forte instabilité thermique. La lignine La lignine est une grosse molécule très complexe, résultante de la polymérisation de trois alcools phénoliques (coumarylique, coniférylique et sinapylique). En général, les plantes herbacées ont les plus faibles teneurs en lignine, alors que les bois résineux ont la teneur la plus élevée. La lignine est le composé le plus stable thermiquement et se décompose entre 350- 900°C. Les constituants sont interconnectés par des liaisons covalentes et non covalentes donnant lieu à une structure très complexe. Les proportions de ces polymères varient d’une espèce de plante à une autre, basée sur le type et l’origine, comme on peut l’observer dans le Tableau 1. Les autres constituants présents, minoritaires, sont les extractibles (lipides, cires, résines, tanins) et les matières minérales. Ces dernières, aussi appelées cendres, font partie de la composition de la biomasse lignocellulosique, avec un pourcentage variant de moins de 1% dans le bois à plus de 15% dans certains résidus agricoles [6]. Les cendres sont principalement composées de potassium, de calcium, de sodium, de silicium, de phosphore et de magnésium. On y trouve aussi du chlore. 

Déchets verts

 Les déchets verts font partie de la catégorie des déchets urbains. Ils proviennent des ménages (entretiens des jardins), des collectivités (entretiens des espaces verts ou parcs) et des entreprises (paysagistes). Ils sont constitués de feuilles, de branches et de tontes d’herbe ou de gazon. Selon Viretto et al [10], il y a aussi une fraction de matière minérale (sol et pierres) et des objets étrangers tels que les sacs plastiques, les verres ou les papiers. Nous ne considérons pas ces fractions de matière minérale ou objets plastiques comme déchets verts. La masse totale produite annuellement en France est estimée entre 60 et 65 millions de tonnes [11]. La composition des déchets verts est variable et dépend de la fraction de feuilles, des branches, des tontes d’herbes ou gazon, du lieu et de la saison. Le Tableau 2 présente la composition de déchets verts échantillonnés dans trois déchetteries (01, 02 et 03) à Brisbane, en Australie, sur une période de trois semaines en février.

Caractérisation de la biomasse lignocellulosique 

Les paramètres donnés dans les Tableau 1 et Tableau 2 sont déterminés suivant quatre analyses que sont : l’analyse macromoléculaire, l’analyse ultime, l’analyse immédiate et l’analyse du pouvoir calorifique inférieur (PCI). À celles-ci se rajoute aussi l’analyse de la composition élémentaire des cendres. Une description de ces analyses est donnée dans le chapitre matériels et méthodes. 

Valorisation de la biomasse lignocellulosique

 Les prétraitements 

La biomasse n’a pas toujours la forme ou les dimensions adaptées au procédé de valorisation envisagé. Pour un objectif spécifique, on peut être amené à modifier ses propriétés initiales pour améliorer les produits de sa valorisation. Ces actions sont bien connues sous l’appellation de prétraitements. Ils consistent en des processus qui modifient les propriétés de la biomasse. Ils sont de trois ordres : physique, chimique et biologique [13]. Ils ne seront pas détaillés dans ce manuscrit. Les prétraitements les plus connus sont le séchage, le broyage, la densification, la torréfaction et l’insertion de précurseurs catalytiques. La dernière vise en général la conversion des goudrons en gaz ou la production de syngaz riche en H2 . Les autres ont pour objet d’homogénéiser, de faciliter l’écoulement ou d’améliorer les propriétés physico-chimiques de la biomasse. 

Les voies et les procédés de valorisation énergétique 

Il y a deux grandes voies de valorisation énergétique de la biomasse : la voie biochimique et la voie thermochimique. La biomasse lignocellulosique, à cause de la lignine, est plus appropriée à la voie thermochimique. Cette voie repose sur la conversion de la biomasse par l’effet de la chaleur et présente l’intérêt de pouvoir convertir l’intégralité de la matière organique de la ressource. Comme illustré sur la Figure 3, les principaux procédés de la voie thermochimique sont la combustion, la pyrolyse et la gazéification. Ces procédés sont généralement précédés par les étapes de mobilisation ou collecte, de transport et de prétraitement de la biomasse. Les travaux de cette thèse porteront sur la gazéification. Cependant, il est bien connu que ce procédé fait intervenir aussi la pyrolyse. Par conséquent, nous utiliserons le terme « pyrogazéification » dans ce manuscrit. Les détails de ce procédé sont donnés dans la suite.