Bioénergie

Rudolf Diesel a développé son moteur à allumage par compression dans les années 1890, le premier modèle réussi ayant été achevé en 1897. Lors de l'Exposition universelle de Paris de 1900, un petit moteur Diesel construit par la société française Otto a été présenté en fonctionnement à l'huile d'arachide à la demande du gouvernement français. Le moteur avait été conçu pour des huiles ordinaires mais fonctionnait avec de l'huile végétale sans modification.

La biomasse et les biocarburants peuvent être stockés longtemps et utilisés dès qu'il faut de l'énergie, ce qui assure aux pays une sécurité énergétique toute l'année. Mais cela dépend du type de biocarburant, et il existe des exceptions. La durée de stockage varie beaucoup selon le carburant, sa formulation et les conditions de stockage, et certains biocarburants sont bien moins stables que d'autres ^{[58-64,66,68]}.

Par exemple, les granulés de bois et les autres biomasses solides sont particulièrement sensibles à l'humidité, à la température, à la ventilation et à la manipulation. De mauvaises conditions peuvent provoquer une dégradation biologique, une perte de contenu énergétique ou un auto-échauffement, tandis qu'un stockage au sec et bien ventilé peut préserver leur qualité ^[60,61].

Un biocarburant qui se conserve longtemps, comme le HVO (huile végétale hydrotraitée), résiste très bien à l'oxydation et peut, selon les fournisseurs, durer environ 10 ans avant de se dégrader, si de bonnes conditions de stockage sont maintenues ^A. Des recherches indépendantes confirment aussi la stabilité relativement élevée du HVO, y compris lorsqu'il est incorporé dans des mélanges biodiesel - diesel ^[64]. La stabilité du biodiesel EMAG (esters méthyliques d'acides gras) dépend beaucoup de sa composition en acides gras : les EMAG saturés sont en général plus stables et se conservent plus longtemps que les EMAG insaturés, selon les déchets utilisés pour les fabriquer. Donc, la matière première utilisée pour créer le biocarburant peut fortement influencer sa durée de stockage ^[62,63].

Même si le biodiesel est facilement biodégradable, sa dégradation pendant le stockage est surtout causée par l'oxydation et la contamination, plutôt que par sa biodégradabilité elle-même. La chaleur et l'exposition à l'air, à la lumière, à l'eau ou à certains métaux peuvent accélérer la dégradation, tandis que les antioxydants et de bonnes conditions de stockage peuvent la ralentir ^[58,62,63]. Une étude indique que le biodiesel peut être stocké 6 mois avant de commencer à se dégrader, et qu'après un an il pourrait ne plus convenir à une utilisation directe dans les moteurs ^[58,59].

Créer des mélanges de biocarburants (par ex. mélanger du biodiesel EMAG avec du diesel fossile ou du HVO) peut améliorer la stabilité, prolonger le stockage et maintenir leur efficacité comme carburant directement compatible avec les moteurs standards, même si le résultat dépend des carburants et des proportions utilisés ^{[58,59,62,64]}.

Les nano-biodiesels spécialement formulés contiennent des nanoparticules qui réduisent leur vulnérabilité à l'oxydation, et peuvent donc rester stables bien plus longtemps ^[59]. Ils peuvent aussi améliorer la combustion du carburant et l'efficacité énergétique tout en réduisant certains polluants. Mais leurs effets dépendent du matériau, de la concentration, du carburant et du moteur, et certaines formulations peuvent augmenter les émissions d'oxydes d'azote ^B.

Les biocarburants ont une durée de conservation plus courte que les combustibles fossiles classiques (mais le HVO est une exception notable). Ils peuvent néanmoins contribuer à résoudre le problème d'intermittence créé par l'énergie éolienne/solaire : même des biocarburants stockés pendant des mois plutôt que des années peuvent fournir une énergie de secours rapidement mobilisable et une sécurité énergétique pendant les périodes de faible production éolienne ou solaire, à condition que les stocks et les équipements soient suffisants ^[23,66,68]. Quand les matières premières et les chaînes d'approvisionnement sont gérées durablement, ils peuvent contribuer à la neutralité carbone et aux efforts plus larges de réduction des émissions ^{[19-22,72-76]}.

^A Comment stocker le carburant HVO pour assurer longévité et sécurité | Vectec

^B Applications des nanotechnologies dans la combustion du biodiesel et les étapes après combustion | Renewable and Sustainable Energy Reviews

La bioénergie n’est pas automatiquement neutre en carbone. Son impact sur le climat dépend de la matière première, de la repousse, de ce qui serait autrement arrivé aux terres ou aux matériaux, des émissions de la chaîne d’approvisionnement et du temps nécessaire pour réabsorber le CO₂ libéré. Les filières utilisant des déchets et résidus peuvent avoir des émissions relativement faibles, tandis que le changement d’affectation des terres ou la récolte de forêts qui repoussent lentement peuvent créer une dette carbone qui dure des années ou des décennies.

Voir : Comptabilité carbone pour des biocarburants durables - Analyse | AIE

Au Brésil, des millions d'hectares de forêt tropicale, de savane et d'autres écosystèmes naturels ont été défrichés pour l'agriculture, notamment pour produire du soja et de la canne à sucre.

Trase a associé la récolte de soja brésilienne de 2020 à 562 000 hectares - 5 620 kilomètres carrés - de déforestation récente et de conversion de végétation naturelle. Cela comprenait environ 76 400 hectares en Amazonie et 23 600 hectares dans la forêt atlantique, même si la plus grande partie se trouvait dans le Cerrado et les Pampas. Le biome du Cerrado, une zone clé pour le soja et la canne à sucre, a connu une conversion des terres particulièrement importante ^[82,83]. Ces chiffres relient la production de soja brésilienne à une conversion des terres mesurée en milliers de kilomètres carrés, dont de grandes zones de forêt tropicale.

Le soja comme la canne à sucre sont liés à l'industrie brésilienne des biocarburants ^[78,80,81]. Environ la moitié de la canne à sucre brésilienne est transformée en éthanol ^C. Le soja est surtout cultivé pour l'alimentation animale, mais il produit aussi de l'huile de soja comme sous-produit, qui fournit environ 70 % du biodiesel du pays ^D. En Amérique du Sud, la surface cultivée en soja a plus que doublé, passant de 26,4 millions d'hectares en 2000 à 55,1 millions d'hectares en 2019 ^[82]. L'expansion de ces cultures peut entraîner la déforestation directement, quand elles remplacent la végétation naturelle, ou indirectement, quand leur expansion sur des terres agricoles existantes déplace l'élevage bovin ou d'autres activités vers des zones nouvellement défrichées ^[78-82,84].

La déforestation liée au soja au Brésil est bien plus importante que le défrichement direct pour la canne à sucre ^[80-83]. À partir de 2009, la politique de zonage agroécologique de la canne à sucre (ZAE Cana) a limité l'expansion de la canne à sucre dans des biomes essentiels comme l'Amazonie et le Pantanal (même si cette politique a été abrogée en 2019, ce qui a accru les inquiétudes sur la déforestation) ^[81]. La culture de la canne à sucre s'est donc historiquement concentrée dans les régions du centre et du sud, hors d'Amazonie, souvent sur des terres agricoles existantes, des pâturages dégradés ou dans le Cerrado. Sa contribution directe à la perte de forêt amazonienne est donc bien plus faible que celle de l'élevage bovin ou du soja. Pourtant, son expansion dans le Cerrado ou sur des pâturages peut remplacer la végétation naturelle ou déplacer d'autres activités agricoles, ce qui accroît les pressions sur la déforestation ^[78,80,81]. En fait, une étude de modélisation de 2010 prévoyait que l'expansion de l'éthanol de canne à sucre aurait pu contribuer indirectement à environ 50 000 km² (5 millions d'hectares) de déforestation d'ici 2020, surtout en déplaçant les pâturages bovins vers des zones forestières ^[85].

La demande de biocarburants peut donc contribuer à la déforestation en augmentant la demande d'éthanol de canne à sucre et d'huile de soja pour le biodiesel. Cependant, on ne peut pas attribuer toute la surface concernée spécifiquement aux biocarburants : le soja sert aussi à l'alimentation animale et à des produits alimentaires, la canne à sucre sert aussi à produire du sucre, et une grande partie de la végétation convertie est de la savane ou des prairies plutôt que de la forêt tropicale. Pourtant, vu l'ampleur de la conversion liée au soja et les effets directs et indirects des deux cultures, il reste raisonnable d'estimer, à l'ordre de grandeur près, que des milliers de kilomètres carrés de forêt tropicale brésilienne ont été défrichés en partie pour fournir des cultures destinées aux biocarburants, même si ce n'est pas un total précis attribuable aux seuls biocarburants ^[78-84].

^C Répartition de la canne à sucre brésilienne entre sucre et éthanol | Reuters

^D Environ 70 % du biodiesel brésilien vient du soja | Reuters

À lire aussi :

Au Brésil, la ruée vers la canne à sucre fait peser une nouvelle menace sur la forêt amazonienne | Sierra Club

La croissance de la canne à sucre brésilienne peut répondre aux besoins en biocarburants sans entraîner de déforestation : étude | Mongabay

CORRECTION : Environ 55 % des engagements publics et accords d’approvisionnement en carburant d’aviation durable (SAF) des compagnies aériennes européennes devraient reposer sur des huiles et graisses usagées, dont des graisses animales, des huiles de cuisson usagées et d’autres huiles usagées. Cela décrit des accords et contrats prévus, plutôt que du carburant déjà utilisé comme indiqué dans la vidéo.

Le BECCS ne peut produire des émissions nettes négatives que si la repousse de la biomasse retire vraiment du CO₂ de l'atmosphère, et si une plus grande quantité de ce CO₂ est stockée de façon permanente que celle libérée pendant tout le processus. En réalité, cela ne dépend pas seulement des émissions produites par l'installation de bioénergie. Cela dépend aussi des émissions de la chaîne d'approvisionnement et de l'utilisation des terres, ainsi que des bilans carbone à long terme concernés. Cela inclut le carbone perdu par la végétation et les sols ; le temps nécessaire à la repousse de la biomasse ; les émissions liées à la culture et aux engrais, à la récolte, à la transformation, au transport ; l'énergie utilisée pour capter, comprimer et injecter le CO₂, et tout CO₂ que le système de captage ne récupère pas. Les autres gaz à effet de serre, comme le méthane et le protoxyde d'azote, doivent aussi être inclus. Le bilan final dépend donc de la matière première, de la gestion des terres, du taux de captage, des sources d'énergie et de la période prise en compte ^{[72-76,97-102,118-121]}.

Pour le stockage à long terme, le CO₂ capté est normalement comprimé et injecté dans des formations rocheuses profondes et poreuses, comme des formations contenant de l'eau salée ou des réservoirs de pétrole et de gaz épuisés. En réalité, le CO₂ occupe de minuscules espaces dans la roche au lieu de simplement remplir une grande caverne souterraine ou un puits de mine. Choisir soigneusement le site, avoir des puits sûrs, gérer la pression, surveiller et assurer un suivi à long terme sont essentiels pour le maintenir confiné ^{[118,127,128]}.

Le principal risque de fuite est que le CO₂ capté s'échappe pendant le transport ou l'injection, ou plus tard par des failles, des fractures ou des puits endommagés ou mal scellés. Les éléments de preuve dans [125-128] concernent surtout les voies de fuite possibles, des expériences contrôlées, la modélisation et l'évaluation des risques ; ils ne montrent pas que les fuites soient courantes sur des sites commerciaux de stockage bien gérés. Les formations géologiques bien choisies et surveillées devraient retenir presque tout le CO₂ injecté pendant de très longues périodes, même si le risque ne peut pas être considéré comme nul. Tout CO₂ qui s'échappe doit être soustrait du total annoncé comme retiré de l'atmosphère et traité grâce à une surveillance continue et à des mesures de réparation.

Les microalgues peuvent être cultivées dans des bassins ouverts ou des photobioréacteurs fermés sur des terres non cultivables, dégradées, salines ou autrement peu valorisées, évitant ainsi la concurrence directe avec les cultures alimentaires classiques. Les sites adaptés ont tout de même besoin de suffisamment de lumière, d'eau, de nutriments et de CO₂, tandis que la surface nécessaire dépend de l'espèce d'algue, du climat local et du système de culture. Comme les algues poussent vite et peuvent produire plus de carburant par unité de surface que les cultures classiques destinées aux biocarburants, leurs besoins totaux en terres peuvent être nettement plus faibles ^[129-134].

Les algues marines n'ont besoin ni de terres agricoles ni d'eau douce. Les fermes d'algues marines peuvent créer des habitats temporaires pour les poissons et les invertébrés, absorber les nutriments en excès, augmenter les niveaux locaux d'oxygène et le pH, et réduire l'énergie des vagues. Les bénéfices pour la biodiversité dépendent des espèces cultivées, de la taille et de l'agencement de la ferme, des mouvements de l'eau, du lieu et des pratiques de récolte. Un choix soigneux du site peut maximiser ces bénéfices tout en évitant d'endommager des habitats existants comme les herbiers marins ou d'introduire des espèces non indigènes ^[135-140].

Les piles à combustible microbiennes utilisent des bactéries pour décomposer la matière organique des eaux usées et transférer les électrons libérés vers une électrode, créant un courant électrique. Retirer cette matière organique aide à nettoyer les eaux usées, même si les PCM ne réalisent pas normalement toutes les étapes du traitement à elles seules : un traitement supplémentaire peut encore être nécessaire pour éliminer les matières organiques restantes, les nutriments et les agents pathogènes ^[141-144].

En réalité, leur principal avantage économique pourrait venir de la réduction de l'électricité nécessaire au traitement, plutôt que de la production de grandes quantités d'électricité en surplus utilisables ailleurs. Le traitement classique des eaux usées consomme beaucoup d'énergie pour pomper de l'oxygène dans l'eau. Les PCM peuvent réduire une partie de cette aération tout en récupérant une petite partie de l'énergie chimique des eaux usées sous forme d'électricité, ce qui peut faire baisser la demande totale en énergie de la station de traitement. Ensemble, ces avantages pourraient finir par rendre le traitement des eaux usées moins cher. Pour l'instant, cependant, les coûts élevés de construction et des matériaux font que cela n'a pas encore été démontré de façon régulière à l'échelle commerciale ^[141-143].

Atteindre ce stade ne demandera peut-être pas aux PCM de maximiser leur production d'électricité. Autrement dit, le système qui produit le plus d'électricité n'est pas forcément le système de traitement le plus économique. Une étude techno-économique a montré que des matériaux d'électrodes moins chers pouvaient permettre un traitement des eaux usées plus rentable, même en produisant moins d'électricité ^E. Cela laisse penser que le développement pratique des PCM gagnerait à privilégier un traitement abordable plutôt qu'une production électrique maximale.

Mais la production d'électricité reste faible, surtout à mesure que les eaux usées deviennent plus propres et qu'il reste moins de matière organique à consommer pour les bactéries. Les systèmes plus grands doivent aussi surmonter les difficultés liées aux coûts des électrodes et des membranes, à l'encrassement, aux performances inégales et à la fiabilité à long terme. Une étude pilote de 1 000 litres a montré que la technologie peut fonctionner avec de vraies eaux usées municipales, mais elle n'a obtenu qu'un traitement partiel et une production d'électricité modeste. Pour l'instant, les PCM restent donc surtout une méthode expérimentale qui combine le traitement des eaux usées avec une récupération d'énergie à petite échelle, plutôt qu'une source majeure d'électricité ^[141-144].

^E Sacrifier de la puissance pour un traitement plus rentable : une approche techno-économique pour concevoir des piles à combustible microbiennes | Chemosphere