Types de biocarburant : comparaison des caractéristiques des combustibles solides, liquides et gazeux

Les différents types de biocarburants constituent une alternative aux ressources énergétiques traditionnelles. Leur fabrication utilise des matières premières végétales ou animales, des déchets industriels ainsi que les produits de l'activité biologique des organismes.

Nous vous proposons d’examiner les avantages et les inconvénients de l’utilisation de ce combustible, de découvrir les particularités de sa production, ses caractéristiques fonctionnelles, et d’évaluer l’efficacité des différents types de biocarburants. Les informations fournies vous aideront à vous orienter dans le choix des sources d’énergie alternatives.

Qu'est-ce que le biocarburant

La direction la plus prometteuse dans l'énergie est celle des technologies prévoyant l'utilisation de ressources renouvelables, au nombre desquelles figure le biocarburant.

Le type de biocarburant le plus répandu est le bois de chauffage. 38 % de la population mondiale l'utilise pour le chauffage et la cuisine.

Comme matière première pour sa production, on peut utiliser de la biomasse d'origine végétale ou animale, y compris les déchets des productions industrielles ou les résidus de l'activité vitale des animaux.

Le traitement de ces matières s'effectue par méthode thermochimique ou biologique. Dans ce dernier cas, le combustible est obtenu à l'aide de différents types de micro-organismes.

La part de l'utilisation des biocarburants ne cesse de croître, ce qui contribue à la préservation des ressources fossiles en hydrocarbures (+)

De nombreux pays mettent en œuvre des programmes spéciaux pour accroître la part des biocarburants dans la consommation énergétique nationale et régionale. Dans plusieurs États, il existe également des normes obligatoires pour l'utilisation de cette source d'énergie.

Avantages et inconvénients des biocarburants

Les types de combustibles biologiques ont leurs aspects positifs et négatifs. L'intérêt porté à l'utilisation de ce type de matière première est suscité par ses avantages indéniables.

Parmi ceux-ci :

• Coût budgétaire. Bien qu'à l'heure actuelle, les prix des biocarburants coïncident pratiquement avec le coût de l'essence, les substances biologiques sont considérées comme un type de carburant plus avantageux car elles produisent moins d'émissions lors de la combustion. Le biocarburant peut être utilisé dans diverses conditions et peut être adapté à des moteurs de différentes conceptions. Un autre avantage est l'optimisation du fonctionnement du moteur, qui reste propre plus longtemps grâce à la faible quantité de suie et de gaz d'échappement.
• Mobilité. Le biocarburant se distingue des autres sources d'énergie alternatives par sa mobilité. Les installations solaires et éoliennes intègrent généralement de lourdes batteries, ce qui les rend le plus souvent stationnaires, tandis que le biogazole peut être transporté sans difficulté d'une région à une autre.
• Source d'énergie renouvelable. Bien que, selon les chercheurs, les gisements de pétrole brut existants suffisent pour au moins plusieurs centaines d'années, les réserves fossiles sont tout de même limitées. Le biocarburant, fabriqué à partir de plantes et de déchets d'animaux, fait partie des ressources renouvelables qui ne risquent pas de disparaître dans un avenir prévisible.
• Protection de l'atmosphère terrestre. Un inconvénient majeur des hydrocarbures traditionnels est le pourcentage élevé de CO₂ émis lors de la combustion. Ce gaz crée un effet de serre dans l'atmosphère de notre planète, favorisant le réchauffement climatique. Lors de la combustion des substances biologiques, la quantité de dioxyde de carbone est réduite jusqu'à 65 %. De plus, les cultures utilisées dans la production de biocarburant consomment de l'oxyde de carbone, réduisant ainsi sa part dans l'air.
• Sécurité économique. Les réserves d'hydrocarbures sont inégalement réparties, de sorte que certains États sont contraints d'acheter du pétrole ou du gaz naturel, en dépensant des sommes importantes pour l'achat, le transport et le stockage. Différents types de carburants biologiques peuvent être obtenus pratiquement dans n'importe quel pays. Étant donné que leur fabrication et leur transformation nécessiteront la création de nouvelles entreprises et, par conséquent, de nouveaux emplois, cela profitera à l'économie nationale et aura un impact positif sur le bien-être des populations.

Le perfectionnement des technologies et le développement de nouvelles méthodes pourront renforcer l'effet positif des biocarburants. Ainsi, la mise au point de technologies utilisant le plancton et les algues permettra de réduire considérablement leur prix.

En même temps, au stade actuel du développement des sciences et des technologies, la production de biocarburant est associée à un certain nombre de difficultés et d'inconvénients. Tout d'abord, ce sont les contraintes naturelles liées à la culture des plantes.

Pour la croissance des cultures utilisées pour la production de biomasse, il faut tenir compte d'un certain nombre de facteurs, à savoir :

• Utilisation de l'eau. Les plantes agricoles consomment beaucoup d'eau, une ressource limitée, surtout dans les régions arides.
• Invasivité. Les cultures destinées au carburant sont souvent envahissantes. Elles étouffent la flore authentique, ce qui peut nuire à la biodiversité et à l'écosystème de la région.
• Engrais. La croissance de nombreuses plantes nécessite l’apport supplémentaire de nutriments qui peuvent nuire à d’autres cultures ou à l’écosystème global.
• Climat. Certaines zones climatiques (par exemple le désert ou la toundra) ne conviennent pas à la culture de plantes destinées aux biocarburants.

La culture intensive de plantes agricoles est également liée à l’épuisement des ressources agricoles. Le non-respect des règles agrotechniques peut entraîner une diminution de la teneur en éléments bénéfiques des sols et, par conséquent, leur appauvrissement, ce qui aggravera le problème alimentaire.

Il se produit une perturbation de l’écosystème. La production de biomasse nécessite généralement l’expansion des zones utilisées pour l’agriculture.

Souvent, à cette fin, on procède au défrichement des terres, ce qui entraîne la destruction du micro-écosystème (par exemple, la forêt) et la mort des plantes et des animaux.

Pour produire des biocarburants, on cultive déjà un volume important de plantes agricoles. Plus de 50 % du colza produit en Europe, plus d’un tiers des céréales américaines et près de la moitié de la canne à sucre cultivée au Brésil sont destinés à la production de biomasse.

Des problèmes surviennent avec la culture de monocultures. Pour obtenir un meilleur rendement de biomasse, les producteurs ensemencent souvent les terres avec une plante spécifique. Cette pratique n’est pas très bénéfique pour l’état des terres agricoles, car la monoculture entraîne des modifications de l’environnement.

Dans les champs occupés par une seule espèce végétale, des variétés particulières de ravageurs prolifèrent généralement. Tenter de les combattre à l’aide d’insecticides et de pesticides ne fait qu’entraîner le développement d’une résistance à ces produits.

Pour éviter les problèmes décrits ci-dessus, les scientifiques conseillent de ne pas négliger la biodiversité des cultures en combinant plusieurs plantes dans les champs, et d’utiliser également des variétés locales de flore.

Les générations de carburants alternatifs

La vaste gamme de matières premières végétales utilisées pour la biomasse est généralement divisée en plusieurs générations.

Première génération. Cette catégorie comprend les cultures agricoles qui contiennent un pourcentage élevé d’amidon, de sucres et de graisses. Il s’agit de plantes populaires comme le maïs, la betterave sucrière, le colza, le soja.

Étant donné que la culture de ces plantes nuit au climat et que leur retrait du marché influence la fixation des prix des denrées, les scientifiques tentent de les remplacer par d’autres types de biomasse.

Actuellement, presque tous les types de carburants liquides modernes (biodiesel, éthanol) sont produits à partir de plantes agricoles appartenant à la première génération de matières premières.

Deuxième génération. Le groupe de la biomasse comprend le bois, l'herbe, les déchets agricoles (coques, écorces). La production de biocarburants à partir de ces matières premières nécessite des coûts élevés, mais permet de résoudre le problème de l'élimination des résidus non alimentaires tout en produisant des matériaux combustibles.

La particularité des cultures de cette variété est la présence de lignine et de cellulose. Grâce à elles, la biomasse peut être brûlée et gazéifiée, ainsi que soumise à la pyrolyse pour obtenir du carburant liquide.

Le principal inconvénient de la biomasse de deuxième génération est considéré comme un rendement insuffisant par unité de surface, ce qui oblige à consacrer d'importantes ressources foncières à ces cultures.

Troisième génération. Les algues, cultivées à l'échelle industrielle, par exemple dans des plans d'eau ouverts, servent de matière première pour la production de biocarburants.

L'option la plus prometteuse est considérée comme le biocarburant obtenu à partir d'algues unicellulaires. Ces plantes gagnent rapidement de la masse, et leur culture ne nécessite pas de terres fertiles.

Cette pratique a de grandes perspectives, mais actuellement ces technologies ne sont qu'en développement. Les scientifiques mènent également des recherches pour créer des méthodes permettant d'obtenir des biocarburants de quatrième voire cinquième génération.

Trois types de biocarburants

Selon l'état physique de la substance, on distingue trois principaux types de biocarburants :

1. Solide : bois, tourbe, déjections animales et déchets agricoles.
2. Liquide : biodiesel, diméthyléther, bioéthanol, biobutanol.
3. Gazeux : biogaz, méthane, biohydrogène.

Chaque type de substance a ses spécificités, qui seront abordées ci-dessous.

Type n°1 : solide

Parmi les variétés solides les plus populaires de biocarburant figurent le bois, la tourbe et les déjections animales.

Bois (bûches, copeaux, sciure)

Le bois de chauffage, bien connu de tous, est un ancien type de biocarburant, utilisé depuis longtemps pour chauffer les maisons et cuisiner. Il est encore activement utilisé dans différents pays pour produire de la chaleur et de l'électricité ; en particulier, une grande centrale thermique autrichienne d'une puissance de 66 mégawatts fonctionne au bois.

Cependant, cette matière première présente des inconvénients. La valeur énergétique du bois de chauffage est relativement faible : lors de la combustion, une partie de la substance se dépose sous forme de suie, ce qui nécessite un nettoyage régulier des cheminées et des poêles. De plus, il faut un certain temps pour reconstituer les réserves de bois – les nouveaux arbres ne pousseront que dans 15 à 20 ans.

Une excellente alternative aux bûches ordinaires sont les pellets (granulés), pour la production desquels on utilise du bois de qualité inférieure : écorce, copeaux, sciure compressée, branchages.

Les pellets obtenus à partir de bois, de tourbe et de divers déchets ont des couleurs différentes. Les clairs sont utilisés pour le chauffage des cheminées et des poêles, tandis que les foncés, avec une teneur élevée en écorce, sont destinés aux chaudières à combustible solide.

Pour la production de pellets combustibles, la matière première est réduite en poudre, qui est ensuite séchée et pressée à haute température. Grâce à la lignine contenue dans le bois, une masse collante se forme, à partir de laquelle sont façonnés de petits cylindres de 5 à 70 mm de long et de 6 à 10 mm de diamètre.

Une alternative moderne au bois de chauffage traditionnel est constituée par les briquettes combustibles de forme quadrangulaire, hexagonale ou octogonale. Ce matériau écologique offre un rendement thermique élevé.

Il est possible de mettre en place la production de pellets soi-même, en fabriquant une presse pour briquettes combustibles.

Parmi les types de biocarburants populaires figure le bois déchiqueté, qui sert souvent de source d'énergie dans les centrales thermiques européennes. La production de cette matière première est effectuée lors de l'exploitation forestière ou sur des lignes de production spéciales équipées de machines de broyage.

Tourbe combustible de marais et de forêt

C'est une variété courante de biocarburant utilisée à des fins domestiques et industrielles depuis des siècles. La tourbe est une couche de mousse partiellement décomposée dans les conditions des marais, dont l'extraction est réalisée dans de nombreux pays du monde : Russie, Biélorussie, Canada, Suède, Indonésie et autres.

La tourbe, contenant 50 à 60 % de carbone, est considérée comme un matériau gazogène populaire. Cette matière première précieuse peut être utilisée non seulement comme combustible, mais aussi comme engrais ou isolant thermique.

Pour faciliter le processus de production, la biomasse est généralement traitée sur place. Le processus consiste à nettoyer (tamiser) la matière première des inclusions étrangères, puis à la sécher et à la mettre en forme sous forme de briquettes ou de granulés.

Combustible à partir de déchets agricoles

Dans la production agricole, on accumule généralement un grand nombre de déchets végétaux divers : enveloppes extérieures des plantes, coques de noix, paille.

Cette matière première peut également être soumise au pressage et à la granulation pour obtenir des pellets combustibles dont les caractéristiques sont pratiquement identiques à celles des granulés fabriqués à partir de biomasse ligneuse.

Biocarburant d'origine animale

Parallèlement au bois de chauffage, les gens ont commencé à utiliser des combustibles d'origine animale dès l'antiquité, à savoir les bouses sèches (le fumier séché des animaux domestiques). Les technologies modernes de séchage et de traitement de cette matière première permettent d'obtenir des variétés solides de biocarburant totalement dépourvues d'odeur désagréable.

Depuis des temps anciens, les peuples nomades utilisaient comme combustible le fumier séché des chevaux, des chameaux, du gros bétail. Actuellement, à partir des déchets des animaux domestiques, on fabrique du biocarburant sous forme de briquettes ou de pellets.

Étant donné que les déchets d'élevage s'accumulent actuellement à l'échelle industrielle, la fabrication de carburant à partir de ceux-ci résout simultanément le problème de leur élimination.

Type n°2 : liquide

Les carburants liquides, sûrs et respectueux de l'environnement, sont principalement utilisés comme substituts à l'essence et à d'autres combustibles similaires. Parmi les options les plus courantes figurent le bioéthanol, le biométhanol, le biobutanol, le biodiesel et le diméthyléther.

Bioéthanol à partir de cultures végétales

Ce carburant liquide courant est utilisé pour faire le plein de véhicules. Bien que la substance pure ne soit pas employée comme combustible, son ajout à l'essence améliore le fonctionnement du moteur, augmente sa puissance, permet de contrôler le chauffage du moteur et réduit les émissions de gaz d'échappement.

Dans de nombreuses stations-service en Europe, en Asie, en Amérique du Nord et du Sud, on propose non seulement du carburant traditionnel, mais aussi différents types de biocarburants, principalement des mélanges contenant du bioéthanol.

Le bioéthanol est également apprécié des amateurs de cheminées. Cette substance a un bon rendement thermique et, en brûlant, ne produit ni suie ni fumée, et la quantité de dioxyde de carbone émise est minimale.

Pour plus d'informations sur le biocarburant pour cheminées, veuillez consulter cet article.

La production de bioéthanol est réalisée à partir de matières premières de première génération contenant de l'amidon ou du sucre. Les céréales, le maïs, la canne à sucre et la betterave sont transformés par fermentation alcoolique.

Biobutanol pour le ravitaillement des véhicules

Le biobutanol – est un analogue du butanol obtenu par voie biologique. Ce liquide incolore, à l'odeur caractéristique, est largement utilisé comme matière première chimique dans l'industrie et peut également être utilisé comme carburant de transport.

La densité énergétique du butanol est proche de celle de l'essence, ce qui permet de remplacer partiellement cette dernière dans les piles à combustible. Contrairement au bioéthanol, le biobutanol peut être utilisé seul, sans ajout de carburants traditionnels.

Les matières premières pour la production de cette substance biologique sont des plantes très diverses : betterave, manioc, blé, maïs.

Diméthyléther (C₂H₆O)

C'est également un carburant respectueux de l'environnement. Lors de sa combustion, les gaz d'échappement ne contiennent pas de composés soufrés, et la teneur en composés azotés est inférieure de 90 % à celle de l'essence.

Le diméthyléther peut être utilisé sans filtres spéciaux, mais la conception du véhicule (système d'alimentation, allumage du moteur) doit subir des modifications radicales.

L'éther diméthylique est considéré comme une option prometteuse pour le carburant automobile. Des grandes entreprises telles que Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan développent des véhicules avec des moteurs conçus pour ce combustible.

Sans aucune modification, il est possible d'utiliser un carburant combiné contenant 30 % d'éther diméthylique dans les véhicules équipés de moteurs LPG.

Le combustible liquide peut être produit à partir de diverses matières premières : gaz naturel, poussière de charbon, biomasse et surtout à partir de résidus de production de pâte à papier, qui se transforment en liquide sous faible pression.

Biométhanol à partir d'algues unicellulaires

Cette substance est un analogue du méthanol ordinaire, largement utilisé pour la production de plusieurs composés chimiques (acide acétique, formaldéhyde) et également utilisé comme antigel et solvant.

La question de la production de ce type de biocarburant a été soulevée pour la première fois dans les années 1980, lorsqu'un groupe de scientifiques a proposé d'obtenir une substance liquide par transformation biochimique du phytoplancton marin, dont la culture serait réalisée dans des bassins spéciaus.

Le biométhanol présente plusieurs avantages potentiels :

• un rendement énergétique élevé – 14 pour la production de méthane, 7 pour la production de méthanol ;
• une excellente productivité du phytoplancton – jusqu'à 100 tonnes par hectare par an ;
• la simplicité des organismes unicellulaires, qui ne nécessitent ni eau douce ni sols fertiles pour leur culture ;
• la préservation des ressources agricoles, car le phytoplancton est cultivé dans des étangs ou des baies marines.

Bien que la fabrication industrielle du biométhanol ne soit pas encore établie, des recherches intensives et le développement de technologies sont actuellement en cours pour développer la production de ce type de carburant alternatif.

Le biodiesel comme alternative au carburant de transport

Il s'agit d'un biocarburant liquide pour moteur, composé d'un mélange d'esters d'acides gras. La substance est sans danger pour les humains et les animaux, se décompose presque complètement dans le sol en 28 jours et présente un point d'inflammation relativement élevé (<100).

Le biodiesel réduit le pourcentage d'émissions de gaz nocifs et prolonge également la durée de vie du moteur car il contient des composants lubrifiants.

Le combustible est utilisé pour faire le plein des moteurs automobiles, seul ou en combinaison avec du carburant ordinaire. Il faut seulement tenir compte de la courte durée de conservation de la substance biologique : après trois mois, la décomposition de la substance biologique commence avec une perte totale de ses propriétés.

Pour le biodiesel, une norme spéciale EN14214 a été adoptée dans les pays de l'UE. Dans plusieurs pays, la norme EN590 est également en vigueur, autorisant l'ajout de 5 % de biodiesel à un autre carburant.

Type n°3 : gazeux

Les principales variétés de biocarburants gazeux sont le biogaz et le biohydrogène.

Le biogaz comme substitut au gaz naturel

Le biogaz est pratiquement un analogue complet du gaz naturel : il contient 13-50% de CO_2, 49-87% de méthane, ainsi que des impuretés H₂ et H₂S. Si cette substance est débarrassée du dioxyde de carbone, on peut obtenir du biométhane.

Le biocarburant gazeux est fabriqué à partir de biomasse par fermentation hydrogène ou méthanique. Cette dernière est provoquée par trois types de micro-organismes : d'abord, la matière première est soumise à l'action de bactéries hydrolytiques, qui sont ensuite remplacées par des microbes acidogènes et méthanogènes.

La production de biogaz peut être réalisée sur des installations industrielles et artisanales. La méthode de production la plus courante est la fermentation aérobie dans des méthaniseurs.

Divers matériaux peuvent être utilisés comme matière première : ensilage, fumier, algues, eaux usées, fientes, résidus fécaux, déchets ménagers. La matière première est homogénéisée, puis elle est placée dans un réacteur à l'aide d'un chargeur.

Une température confortable de +35-38°C y est maintenue, nécessaire à la réalisation du processus de fermentation méthanique.

La matière première est constamment mélangée, tandis que le produit gazeux formé est évacué vers un gazomètre (unité de stockage), d'où il passe dans un générateur électrique.

Plus de détails sur l'obtention de biogaz à partir du fumier et l'installation d'une unité de biogaz sont décrits dans les articles :

1. Comment fabriquer du biocarburant soi-même à partir de fumier dans des conditions domestiques
2. Installation de biogaz pour maison individuelle DIY : conseils de montage et exemple de réalisation artisanale

Biohydrogène obtenu par méthode chimique

Une variété de biocarburant gazeux, analogue à l'hydrogène classique, est obtenue à partir de biomasse par des méthodes biochimiques ou thermochimiques.

Dans la méthode thermochimique, la matière première préparée (par exemple, des déchets de bois) est chauffée à une température de 500 à 800°C sans accès à l'oxygène, libérant ainsi des gaz H₂, CO, CH₄.

Une méthode prometteuse de production de biohydrogène est la biophotolyse. Dans ce cas, le gaz est produit à l'aide d'algues placées dans de l'eau de mer, des eaux usées.

Dans la méthode biochimique, la matière première est maintenue dans des conditions confortables à pression normale et à une température d'environ 30°C.

Des micro-organismes spéciaux Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes sont introduits dans la biomasse, qui décomposent le produit initial en libérant de l'hydrogène. Pour accélérer la production à l'aide de polysaccharides, l'ajout d'enzymes est autorisé.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Dans la vidéo ci-dessous, vous pouvez voir le processus de fabrication d'un type populaire de biocarburant – les briquettes de bois :

Les types de biocarburants diffèrent non seulement par leur état physique, mais aussi par leurs caractéristiques. Lors du choix de ces matériaux, il faut tenir compte de leur utilisation prévue, de leur efficacité, de leurs propriétés fonctionnelles et de leur coût.

Avez-vous de l'expérience dans l'utilisation de carburants alternatifs ? Ou souhaitez-vous poser des questions sur le biocarburant ? Veuillez commenter la publication et participer aux discussions. Le bloc de commentaires se trouve ci-dessous.