La biomasse, une énergie propre et renouvelable?


Il est légitime de se demander pourquoi la biomasse est considérée comme une source d’énergie propre et renouvelable. L’impression de base est qu’il s’agit simplement d’un autre type de carburant causant des émissions polluantes pour l’environnement. Alors pourquoi place-t-on la biomasse dans le même groupe que l’énergie éolienne, solaire et hydraulique plutôt qu’avec les carburants fossiles?


Énergie renouvelable


Le fait « renouvelable », lorsque l’on parle de la biomasse, est le plus facile à saisir. Au contraire des carburants fossiles (produits pétroliers, charbon, gaz naturel), qui prennent des millions d’années à se former, une saine gestion suffit à faire en sorte que chaque plante et arbre brûlé sera remplacé. À l’échelle planétaire du temps, la nature fera très rapidement le reste du travail. Au surplus, les déchets humains et animales (biomasse eux aussi) sont une source intarissable.

 

Énergie propre


Ici, l’explication prend source dans le mode de croissance des végétaux. Pour assurer son développement, la plante produit sa propre matière organique par le phénomène de photosynthèse.


dioxyde de carbone (CO2) + eau (H2O) + énergie solaire      glucide (CH2O) + oxygène libre (O2)


Les glucides sont la base de la matière organique à laquelle se joint entre autres l’azote (N), puisée dans l’air, et des minéraux, puisés au sol. Ainsi, au cours de sa vie, la plante absorbe de l’atmosphère une quantité appréciable de CO2. En bonus, pour nous du règne animal, elle libère au passage de l’oxygène.


Puis arrive le jour où elle s’enflammera! Au moment de la combustion, la biomasse restitue à l’atmosphère le CO2 emmagasiné et produit de l’énergie. La réaction peut se simplifier comme suit :


oxygène libre (O2) + matière organique      dioxyde de carbone (CO2) + vapeur d'eau (H2O) + chaleur


La boucle est donc fermée et le bilan CO2 est neutre. C'est-à-dire que dans la mesure où l'on ne prélève pas plus de bois qu'il n'en pousse (saine gestion de la forêt), la combustion du bois n'a aucun impact sur le dioxyde de carbone émis. D’autant plus que la décomposition du bois au sol aurait de toute façon libérée une quantité équivalente de CO2, voir de méthane, sans en récupérer l'énergie. Pour fin de comparaison, si on considère uniquement les émissions reliées à la combustion, la substitution des combustibles fossiles par de la biomasse permet d’améliorer substantiellement le bilan des gaz à effet de serre. Par exemple, par substitution, la combustion d’une tonne métrique anhydre de biomasse permet d’éviter :


    0,9 tonne de CO2 produite par la combustion de gaz naturel
    1,3 tonne de CO2 produite par la combustion de l’huile légère
    1,4 tonne de CO2 produite par la combustion de l’huile lourde

Fait notable, le cycle du carbone boucle également les autres paramètres impliqués. L’eau et l’oxygène ont aussi un bilan neutre. Il ne reste que l’énergie du soleil captée par la plante et l’énergie calorifique produite par la combustion. La biomasse est en quelque sorte du soleil en canne!Cycle du carbone


Il est vrai que les carburants fossiles proviennent eux aussi d’organismes ayant capturé du CO2 de l’atmosphère, mais il y a de ça… des millions d’années. Ils sont depuis séquestrés dans le sous-sol terrestre. Leur libération sous forme de carburants fossiles constitue aujourd’hui un apport net (supplémentaire) de CO2 dans l’atmosphère, brisant ainsi l’équilibre.


Par souci de précision, il est faux de prétendre que l’utilisation de la biomasse comme source énergétique n’ajoute aucun CO2 à l’équilibre atmosphérique. Les environnementalistes additionnent avec justesse au bilan le CO2 produit par la machinerie impliquée dans les récoltes et par les véhicules transportant la biomasse du point de source au point de consommation. Ces derniers brûlent généralement du carburant fossile!!! Mais sur ce point aussi, la biomasse est généralement nettement plus performante d’un point de vue environnemental que les carburants fossiles. L’extraction et la transformation de ces derniers sont encore plus énergivores, sans parler de l’approvisionnement/transport mondial.


Les biomasses tiennent également leur étiquette d’énergie « propre » par le fait que, contrairement aux carburants fossiles, ils ne contiennent aucun métal nocif, produit chimique ou autres polluants libérés pendant la combustion. Ainsi, les usuelles questions environnementales telles les pluies acides n’ont pas à être soulevées. C’est bon pour la planète et c’est bon pour nous!




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Contrôle des émissions


Tout ceci est bien beau sur papier. Mais alors pourquoi les bulletins de nouvelles nous rappellent que notre bon vieux feu de foyer est une source importante de pollution?



Contrôle de la combustion


La combustion de biomasse, comme tous autres carburants, n’est propre (c'est-à-dire qu’elle ne produit que du CO2 et de l’eau) que lorsqu’elle est complète et donc parfaitement contrôlée.


Élaborons un peu plus cette notion. La combustion consiste à faire réagir un carburant avec de l’oxygène (O2), généralement puisé dans l’air. Cette réaction produit l’effet recherché, soit un apport de chaleur. Lorsque l'on fait brûler une substance contenant des atomes d'hydrogène (H) dans de l’oxygène (O2), on obtient un produit de combustion contenant des atomes d'oxygène (O) et d'hydrogène (H) appelé oxyde d'hydrogène, ou plus simplement… de l’eau. C’est le cas entre autre des moteurs principaux de la navette spatiale.


Dans le cas qui nous intéresse, lorsque l'on fait brûler une substance contenant des atomes de carbone (C) dans de l’oxygène (O2), on obtient un produit de combustion appelé oxyde de carbone. Or, il existe deux oxydes de carbone : le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO2) :


Le dioxyde de carbone (CO2), intrinsèque à la combustion, est inévitable. C’est lui qui contribue pour 55% à l’effet de serre. C’est donc le principal acteur pointé du doigt pour le réchauffement planétaire. Mais… Puisque vous avez eu la sagesse de brûler de la biomasse, votre combustion n’ajoute pas de CO2 à l’équilibre atmosphérique. L’émission nette est à zéro. Nous vous en remercions!


Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz mortel qui apparaît lorsque la combustion est incomplète. Il est créé soit par manque d’oxygène lors de la réaction ou par un refroidissement trop rapide des produits de combustion. Un contrôle adéquat de l’air consommé par la combustion et du temps de résidence des gaz permet de limiter à un taux acceptable ces émissions nocives.


CombustionCe contrôle de l’apport d’air est délicat si on cherche à maintenir une performance optimum de la combustion, soit une production maximale de chaleur. Comme on vient de le voir, trop peu d’air entraîne des émissions indésirables (CO). À l’opposé, chaque molécule d’air n’ayant pas participé à la combustion (en trop) sortira librement par la cheminée, non pas sans avoir emporté avec elle une partie de l’énergie générée par la combustion. Ainsi, un surplus d’air diminue l’efficacité du procédé utilisant la combustion. On verra plus bas que ce surplus contribue également à la formation d’une autre source de pollution.


Autrement dit, plus on recherche la performance, plus il y a risque de polluer. Le dosage parfait demande une grande maîtrise du processus de combustion en considérant que celui-ci est généralement instable.


Ça ne s’arrête pas là. Nous avons vu précédemment que la matière organique présente dans la biomasse contient une certaine quantité d’azote. Mais aussi, et surtout, l’air dans lequel la combustion puise son oxygène est composé à 80% d’azote. Bien que leur mécanisme de formation soit différent, le fait de brûler ces atomes d’azote (N2) avec de l’oxygène (O2) résulte en la formation de divers composés d’azoté (NOx). On les appellera « NOx fuel » s’ils sont le produit d’une réaction avec l’azote contenu dans le carburant et « NOx thermique » lorsque provenant de l’azote contenu dans l’air. Cette formation n’est pas attribuable qu’à la biomasse. Tout type de combustibles (fossile et autres) en produira en quantité variable.


Le dioxyde d’azote (NO2), entre autres, est un gaz irritant qui pénètre très profondément dans les voies respiratoires. Il peut être particulièrement dangereux pour les asthmatiques et pour les enfants (il accroît la sensibilité des bronches aux infections). Il participe également au mécanisme de pollution qui mène à la formation des pluies acides et à la formation de l'ozone troposphérique.


Cette fois-ci la règle est la suivante : plus la température de la combustion est importante, plus les atomes d'azote réagissent avec l’oxygène formant ainsi plus de dioxyde d'azote (NO2). Également, un surplus d’apport d’air encouragera leur formation. Encore une fois, seul un contrôle adéquat du procédé de combustion (on ajoute cette fois-ci la température de combustion) permettra de limiter ces nouvelles émissions nocives.


Ici, la stratégie de contrôle est de « ralentir » la combustion en étendant la zone d’action et sa durée afin de limiter les points de concentration de température trop chaude, propices à la formation des NO2. En gros, il s’agit ici non seulement de moduler la quantité d’oxygène, mais aussi de bien répartir l’injection et la diffusion de celle-ci. Le niveau de raffinement de ce type de contrôle n’est limité que par la compréhension des phénomènes en présence et par la maîtrise des procédés appliqués.



Contrôle des cendres


Vis sans finUne mauvaise gestion de l’apport d’air est la source d’une autre problématique : l’emportement de cendre dans la cheminée et donc libérée dans l’atmosphère. La cendre est un produit inévitable de la combustion de carburant solide. Lorsque provenant d’équipements de combustion modernes à haute efficacité, elle est principalement constituée d’éléments minéraux non-combustibles piégés dans le carburant, tels les oxydes ou les sels.


Les particules les plus grosses tombent sous la grille de combustion, formant la cendre de fond. Elle peut y être récoltée manuellement ou mécaniquement. Puisqu’elle contient les minéraux captés par la biomasse pendant la croissance, tels le potassium, la chaux et le phosphore (à moins qu'elle n'ait été contaminée d'une certaine façon), la cendre de fond forme un engrais ou un amendement de valeur. Alternativement, elle peut être utilisée dans la fabrication de blocs de construction et le ciment.


Les particules les plus fines sont emportées par le déplacement d’air pour éventuellement sortir par la cheminée et ainsi contribuer au smog, forme de pollution urbaine. Cette cendre volatile demande donc une attention toute spéciale.


La première stratégie pour réduire ces émissions polluantes consiste à limiter la quantité de cendre volatile. Pour ce faire, il faut limiter le débit d’air autour de la braise ardente afin de réduire l’emportement de matière. On comprendra que l’opération est délicate, ayant vu précédemment qu’une combustion pauvre en oxygène provoque la formation de monoxyde de carbone ainsi que la combustion incomplète de la biomasse sur la grille. Or, cette combustion incomplète occasionna du carbone imbrûlé dans les cendres, et donc de l’énergie non-libérée... en pure perte! Voici un bel exemple, parmi tant d'autres, des interrelations qui compliquent drôlement la tâche du concepteur.


Ne pouvant réduire à zéro l’emportement, un mécanisme de captation des cendres volatiles, situé entre le foyer de combustion et la sortie de la cheminée, permettra de réduire au minimum cette forme de pollution.



Design BMA TechTransport biomasse


Vous nous permettrez de souligner au passage que les appareils de combustion à la biomasse développés par BMA Tech sont le fruit de plus de 20 ans de recherches intenses sur le sujet visant à limiter les émissions bien en deçà des normes acceptables en vigueur, sans pour autant négliger la maximisation de la performance.


Le parfait ouvre-boîte pour votre soleil en canne!


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