Comprendre comment il est possible de transformer les déchets organiques en énergie électrique, dite biomasse
La biomasse est toute matière organique d'origine végétale ou animale utilisée à des fins de production d'énergie, comme le charbon de bois, le bois de chauffage, la bagasse de canne à sucre, entre autres. S'agissant d'une source d'énergie dispersée et à faible rendement, traditionnellement utilisée dans les pays moins développés, il y a un certain manque de données sur la représentativité de cette source d'énergie pour la matrice énergétique mondiale. Cependant, selon un rapport de l'ANEEL, environ 14% de l'énergie consommée dans le monde provient de cette source et, selon une autre étude du Jornal Brasileiro de Pneumologia, 90% des ménages des régions rurales des pays pauvres utilisent l'énergie de la combustion de la biomasse ( bois, charbon de bois, fumier animal ou déchets agricoles), en particulier en Afrique subsaharienne et en Asie.
L'utilisation de la biomasse dans les centrales thermoélectriques est de plus en plus courante et est utilisée pour atteindre des zones non couvertes par le réseau électrique, telles que les communautés rurales isolées. L'utilisation de systèmes de cogénération, qui combinent la production d'énergie électrique grâce à la biomasse et la production de chaleur, augmentant l'efficacité énergétique des systèmes de production, est également devenue de plus en plus courante.
Qu'est-ce que la cogénération?
La biomasse, comme le charbon ou le bois de chauffage, est ce qui déplace de grandes parties des générateurs thermoélectriques. Quels que soient le type de carburant et le moteur, ces générateurs perdent l'essentiel de l'énergie contenue dans le carburant sous forme de chaleur. En moyenne, l'énergie de la biomasse perdue dans l'environnement sous forme de chaleur représente 60 à 70% de l'énergie totale du combustible. Ainsi, le rendement du générateur est d'environ 30% à 40%.
Comme de nombreux bâtiments et industries nécessitent du chauffage (pour l'environnement interne ou pour le chauffage de l'eau), un système de cogénération a été développé, grâce auquel la chaleur produite lors de la production d'électricité est incorporée dans le processus de production sous forme de vapeur. Le principal avantage de ce système est l'économie de carburant pour le processus de chauffage. Ainsi, l'efficacité énergétique du système augmente, atteignant jusqu'à 85% de l'énergie de la biomasse du combustible.
Biomasse au Brésil
Actuellement, la ressource la plus susceptible d'être utilisée comme biomasse pour la production d'électricité dans le pays est la bagasse de canne à sucre. Le secteur du sucre et de l'alcool génère une grande quantité de déchets, qui peuvent être utilisés comme biomasse, principalement dans les systèmes de cogénération. D'autres variétés de légumes à fort potentiel de production d'électricité sont l'huile de palme, dont la productivité annuelle moyenne à l'hectare est quatre fois supérieure à celle de la canne à sucre, du buriti, du babassu et andiroba. Ils apparaissent comme des alternatives pour l'approvisionnement en électricité dans les communautés isolées, notamment en Amazonie.
Lorsque l'éthanol est produit à partir de la canne à sucre, environ 28% de la canne est transformée en bagasse. Cette bagasse est une biomasse couramment utilisée dans les usines de production de vapeur basse pression, qui est utilisée dans les turbines à contre-pression dans les équipements d'extraction (63%) et dans la production d'électricité (37%). La majeure partie de la vapeur à basse pression qui quitte les plantes est utilisée pour le processus et le chauffage du jus (24%) et dans l'appareil de distillation. En moyenne, chaque appareil nécessite environ 12 kWh d'électricité, une valeur qui peut être fournie par les résidus de biomasse eux-mêmes. D'autres résidus agricoles à fort potentiel d'utilisation comme biomasse dans la production d'électricité sont les balles de riz, les noix de cajou et les balles de noix de coco.
Voies de conversion de la biomasse
Les sources de biomasse peuvent être classées comme suit: légumes ligneux (bois), légumes non ligneux (saccharides, cellulosiques, féculents et aquatiques), résidus organiques (agricoles, industriels, urbains) et biofluides (huiles végétales). Les voies de conversion de la biomasse sont diverses, et c'est grâce à ces technologies de conversion qu'il est possible d'obtenir plusieurs variétés de biocarburants comme l'éthanol, le méthanol, le biodiesel et le biogaz. Les principaux processus de conversion de la biomasse sont:
Combustion directe
Des matériaux comme le bois et toutes les variétés de déchets organiques (agricoles, industriels et urbains) peuvent être soumis à une combustion afin de générer de l'énergie. Le processus de combustion consiste à transformer l'énergie chimique existant dans ces sources de biomasse en chaleur. À des fins énergétiques, la combustion directe de la biomasse se fait dans des fours et des poêles. Malgré l'aspect pratique, le processus de combustion directe a tendance à être assez inefficace. De plus, les combustibles qui peuvent être utilisés dans le procédé ont généralement une humidité élevée (20% ou plus dans le cas du bois de chauffage) et une faible densité énergétique, ce qui rend leur stockage et leur transport difficiles.
Gazéification
C'est une technologie appliquée aux déchets organiques et au bois urbains et industriels. La gazéification consiste à convertir des sources de biomasse solide en gaz par des réactions thermochimiques, impliquant de la vapeur chaude et de l'air ou de l'oxygène en quantités inférieures au minimum pour la combustion. La composition gazeuse résultante est un mélange de monoxyde de carbone, d'hydrogène, de méthane, de dioxyde de carbone et d'azote, de sorte que ces proportions varient en fonction des conditions du procédé, notamment en relation avec l'air ou l'oxygène utilisé dans l'oxydation. . Le carburant généré par la combustion de cette biomasse est plus polyvalent (il peut être utilisé dans les moteurs à combustion interne et également dans une turbine à gaz) et propre (des composés comme le soufre peuvent être éliminés au cours du processus) que les versions à combustible solide. Par ailleurs,il est possible de produire du gaz synthétique à partir de la gazéification, qui peut être appliqué à la synthèse de tout hydrocarbure.
Pyrolyse
La pyrolyse, également connue sous le nom de carbonisation, est le processus le plus ancien de conversion d'une source de biomasse (généralement du bois) en un autre combustible (charbon de bois) avec une densité d'énergie deux fois plus élevée que la matière source. Les résidus organiques d'origine agricole sont également fréquemment soumis à la pyrolyse - dans ce cas, les résidus doivent être préalablement compactés. Le procédé consiste à chauffer le matériau dans un environnement où il y a "quasi absence" d'air. La pyrolyse produit également du gaz combustible, du goudron et du pyro-bois, matériaux largement utilisés dans le secteur industriel. Le résultat du processus varie considérablement de l'état du matériau d'origine (quantité et humidité). Pour la production d'une tonne de charbon de bois, quatre à dix tonnes de bois de chauffage peuvent être nécessaires.
Transestérification
C'est un procédé chimique qui transforme la biomasse des huiles végétales en un produit intermédiaire, issu de la réaction entre deux alcools (méthanol et éthanol) et une base (hydroxyde de sodium ou de potassium). Les produits de transestérification de ce type de biomasse sont la glycérine et le biodiesel, un carburant qui présente des conditions similaires au diesel et peut être appliqué dans les moteurs à combustion interne, pour une utilisation véhiculaire ou stationnaire.
Digestion anaérobique
Comme la pyrolyse, la digestion anaérobie doit avoir lieu dans un environnement avec une "quasi absence" d'oxygène. La biomasse d'origine subit une décomposition par l'action de bactéries, tout comme elle se produit naturellement avec presque tous les composés organiques. Les déchets organiques, tels que le fumier animal et les déchets industriels, peuvent être traités par digestion anaérobie (celle qui se produit en l'absence d'oxygène) dans des biodigesteurs. L'action des bactéries provoque le chauffage nécessaire pour que la décomposition se produise, cependant, dans les régions ou périodes de froid, l'application de chaleur supplémentaire peut être nécessaire. Le produit final de la digestion anaérobie est le biogaz, qui est essentiellement composé de méthane (50% à 75%) et de dioxyde de carbone. L'effluent généré peut être utilisé comme engrais.
Fermentation
Il s'agit d'un processus biologique réalisé par l'action de microorganismes (généralement des levures) qui transforment les sucres présents dans les sources de biomasse, comme la canne à sucre, le maïs, les betteraves et d'autres espèces végétales, en alcool. Le résultat final de la fermentation de la biomasse est la production d'éthanol et de méthanol.
Applicabilité de la biomasse
La biomasse est considérée comme une source d'énergie renouvelable et a été utilisée pour remplacer les combustibles fossiles, tels que le pétrole et le charbon, pour produire de l'électricité dans les centrales thermoélectriques et pour émettre moins de gaz polluants que les non renouvelables. Cependant, bien que n'étant pas un combustible fossile, selon une étude, la combustion de la biomasse est l'une des plus grandes sources au monde de gaz toxiques, de particules et de gaz à effet de serre.
Dans le cas du brûlage de grandes superficies, qu'il s'agisse de forêts, de savanes ou d'autres types de végétation, l'émission de soufre entraîne des modifications du pH de l'eau de pluie, contribuant à l'apparition de pluies acides. Les émissions de méthane et de dioxyde de carbone contribuent à l'intensification de l'effet de serre, et celle du mercure conduit à la contamination des organismes aquatiques et permet la formation de méthylmercure, une substance nocive pour la santé humaine.
Une exposition récurrente et prolongée à des matériaux générés par le processus de combustion de la biomasse à l'intérieur (poêles à bois, cheminées, etc.) a été associée à une augmentation des infections respiratoires aiguës chez les enfants, qui est considérée comme une cause majeure de mortalité. dans les pays développés. De plus, il est également associé à une augmentation des maladies pulmonaires obstructives chroniques, de la pneumoconiose (une maladie causée par l'inhalation de poussières), de la tuberculose pulmonaire, des cataractes et de la cécité. Dans le cas du brûlage de la paille de canne à sucre, la population résidant dans les environs de la culture de canne à sucre est exposée à la poussière de la biomasse brûlée pendant environ six mois tout au long de l'année.
Pour cette raison, le Conseil national de l'environnement (Conama) établit des limites d'émission de polluants atmosphériques issus des procédés de génération de chaleur par combustion externe de la biomasse de canne à sucre, ce qui permet de réguler les émissions et atténuer les impacts socio-environnementaux associés à la combustion de la biomasse.
La biomasse offre également la possibilité d'être produite à partir d'une grande variété de matériaux, offrant flexibilité et sécurité au marché, contrairement aux combustibles fossiles eux-mêmes, en particulier le pétrole. Un autre point est que, lorsqu'ils utilisent des déchets organiques agricoles, industriels et urbains pour produire de l'électricité, ils reçoivent une destination plus «durable» que la simple élimination. Selon une étude, la plupart des résidus agricoles au Brésil sont le maïs, le soja, le riz et le blé, les deux premiers étant les matières premières fréquemment utilisées pour la production de biodiesel.
Le Brésil a des conditions favorables pour la production d'énergie à partir de la biomasse, comme l'existence de grandes zones agricoles, qui peuvent être utilisées pour la production de biomasse, et reçoit un rayonnement solaire intense tout au long de l'année. Cependant, la production de biocarburants de première génération, qui utilise directement la matière première végétale, suscite des inquiétudes. Dans ce cas, les biocarburants pourraient lutter contre les situations de concurrence pour les terres arables avec le secteur agricole, mettant en péril la sécurité alimentaire de la population. Un autre problème lié aux vastes étendues de terres est celui de la conservation de l'environnement. En plus de concurrencer l'agriculture, les biocarburants pourraient finir par exercer une pression sur des zones destinées à la conservation de l'environnement.
