Introduction

Il est possible de cultiver de la biomasse solide en vue de l’utiliser comme combustible à la ferme ou de la vendre. La présente fiche technique décrit les caractéristiques physiques et chimiques des biocombustibles solides, explique leur importance et contient un tableau de données détaillées sur les propriétés de 22 biocombustibles courants en Ontario.

Apprenez à comprendre la biomasse

La biomasse est une matière organique dérivée de plantes dont la croissance nécessite l’énergie solaire. Lorsqu’elle est brûlée, la biomasse libère l’énergie qu’elle contient pour produire de la chaleur ou de l’électricité. Les cultures, leurs résidus et les produits forestiers sont des exemples courants de biomasse solide. Le panic raide (figure 1) est une plante employée à cette fin.

Champ de panic raide
Figure 1. Champ de panic raide.

L’utilisation de biomasse pour la production d’énergie présente différents avantages :

  • La biomasse est une source d’énergie abondante et renouvelable.
  • Son utilisation pour la production d’énergie permettrait de diversifier les sources d’énergie et de réduire notre dépendance à l’égard des combustibles fossiles.
  • La production de biomasse pourrait créer de nouveaux emplois locaux en Ontario.

Contenu énergétique de la biomasse

Le pouvoir calorifique d’un combustible indique l’énergie qu’il contient par unité de masse, mégajoules par kilogramme ou MJ/kg (BTU/lb). Le pouvoir calorifique inférieur est l’énergie effectivement disponible pour le transfert thermique. Cette différence sur le plan de l’énergie utilisable repose sur la composition chimique et la teneur en humidité et en cendres du combustible. À des fins de comparaison, le contenu énergétique des combustibles est exprimé sur une base sèche. Par exemple, la plupart des résidus agricoles présentent un pouvoir calorifique de 14 à 19 MJ/kg (6 040 à 8 200 BTU/lb), par rapport à 17 à 30 MJ/kg (7 300 à 13 000 BTU/lb) pour le charbon.

Humidité

La teneur en humidité est le principal facteur qui permet de déterminer le contenu énergétique net de la biomasse. La biomasse sèche présente un pouvoir calorifique (ou potentiel énergétique net) plus élevé, car peu de son énergie est dépensé pour évaporer l’humidité qu’elle renferme. La figure 2 illustre ce lien ainsi que la corrélation entre le contenu énergétique et la teneur en humidité. Plus il y a d’humidité, moins la biomasse produira d’énergie lors de sa combustion.

Pouvoir calorifique inférieur typique (Unités thermiques britanniques par livre) en fonction de la teneur en humidité. Cette teneur, exprimée à l’état humide, représente la proportion (%) de la biomasse brute qui se compose d’eau
Figure 2. Pouvoir calorifique inférieur typique (BTU/lb) en fonction de la teneur en humidité. Cette teneur, exprimée à l’état humide, représente la proportion (%) de la biomasse brute qui se compose d’eau.

En général, la teneur d’un solide en humidité est exprimée en quantité d’eau par unité de masse. Elle est habituellement indiquée telle quelle ou à l’état humide, où la teneur en eau représente une fraction de la masse totale. Tous les produits de biomasse contiennent de l’humidité; elle peut aller de 8 % pour la paille sèche à plus de 50 % pour le bois fraîchement coupé.

Une teneur élevée en humidité est défavorable à la collecte, à l’entreposage, au prétraitement, à la manutention et au transport de la biomasse. En outre, le transport de matières humides coûte plus cher.

Il est possible de réduire la teneur de la biomasse brute en humidité par les moyens suivants :

  • laisser la biomasse sécher dans le champ pendant plusieurs semaines
  • entreposer la biomasse à l’abri des précipitations
  • assurer le séchage commercial de la biomasse

Composition de la biomasse

La composition des divers types de biomasse varie considérablement. C’est sur elle que repose son rendement comme combustible. La teneur en cendres, carbone, hydrogène, azote, soufre, oxygène et chlore est importante sur ce plan. La teneur en ces éléments de divers biocombustibles utilisés en Ontario figure au tableau 1. Les valeurs sont exprimées à l’état sec.

Tableau 1. Analyse élémentaire de divers biocombustibles employés en Ontario (chiffres à l’état sec)
Type de biomasse MJ/kg BTU/lb Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Cendres % Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Carbone % Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Hydrogène % Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Azote % Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Soufre % Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Oxygène %footnote 2 Valeurs caractéristiquesfootnote 1 Chlore total (µg/g)footnote 3
Produits non conformes (non alimentaires) Haricots 19 7 996 4,7 45,7 6,3 4,3 0,7 38,8 193
Produits non conformes (non alimentaires) Maïs 17 7 350 1,5 42,1 6,5 1,2 0,1 48,9 472
Produits non conformes (non alimentaires) Canola 28 12 220 4,5 60,8 8,3 4,5 0,5 21,4 163
Produits non conformes (non alimentaires) Drêche sèche de distillerie 22 9 450 4,9 50,4 6,7 4,7 0,7 32,6 1 367
Graminées et cultures fourragères Barbon de Gérard 19 8 020 6,1 44,4 6,1 0,8 0,1 42,6 1 880
Graminées et cultures fourragères Miscanthus 19 8 250 2,7 47,9 5,8 0,5 0,1 43,0 1 048
Graminées et cultures fourragères Sorgho 17 7 240 6,6 45,8 5,3 1,0 0,1 42,3 760
Graminées et cultures fourragères Panic raide 18 7 929 5,7 45,5 6,1 0,9 0,1 41,7 1 980
Paille et résidus Luzerne 17 7 435 9,1 45,9 5,2 2,5 0,2 39,5 3 129
Paille et résidus Paille d’orge 17 7 480 5,9 46,9 5,3 0,7 0,1 41,0 1 040
Paille et résidus Rafles de maïs 18 7 927 1,5 48,1 6,0 0,4 0,1 44,0 2 907
Paille et résidus Tiges de maïs 19 7 960 5,1 43,7 6,1 0,5 0,1 44,6 1 380
Paille et résidus Paille de lin 18 7 810 3,7 48,2 5,6 0,9 0,1 41,6 2 594
Paille et résidus Paille de blé 18 7 710 7,7 43,4 6,0 0,8 0,1 44,5 525
Sous-produits de transformation Écales d’avoine 19 7 960 5,1 46,7 6,1 0,9 0,1 41,1 1 065
Sous-produits de transformation Pellicules de soya 18 7 720 4,3 43,2 6,2 1,8 0,2 44,3 266
Sous-produits de transformation Écales de tournesol 20 8 530 4,0 47,5 6,2 1,0 0,2 41,2 3 034
Bois Écorce 19 8 432 1,5 47,8 5,9 0,4 0,1 45,4 257
Bois Saule 19 8 550 2,1 50,1 5,8 0,5 0,1 41,4 134
Bois Bois de feuillus 19 8 300 0,4 48,3 6,0 0,2 0,0 45,1 472
Charbon Charbon subbitumineux à faible teneur en soufre – BRPfootnote 4 25 10 520 6,0 55,0 3,7 0,9 0,4 11,5 35
Charbon Lignite 22 9 350 22,0 58,8 4,2 0,9 0,5 13,6 25

Données compilées à partir des sources suivantes : AURI, 2005footnote i; BIOBIB; Preto, 2010footnote ii.

Cendres

Les éléments non combustibles de la biomasse sont appelés « cendres ». Une forte teneur en cendres donne lieu à des problèmes liés à l’encrassement, surtout si les cendres contiennent une proportion élevée d’halogénures métallisés (p. ex., potassium). Malheureusement, les biocombustibles, particulièrement les cultures ou résidus de cultures, tendent à contenir beaucoup de cendres ayant une teneur élevée en potassium. Ces cendres fondent donc à des températures plus basses, causant la formation de mâchefer qui peut encrasser les éléments de la chaudière (figure 3). Une scorification et un encrassement peuvent également se produire lorsque les cendres sont vaporisées puis se condensent dans la chaudière, causant la production de résidus durs sur les surfaces d’échange thermique (figure 4).

Le mâchefer peut encrasser les éléments de la chaudière
Figure 3. Le mâchefer peut encrasser les éléments de la chaudière.
Source : CanmetÉNERGIE.
L’encrassement des tubes de chaudière réduit l’efficacité de fonctionnement
Figure 4. L’encrassement des tubes de chaudière réduit l’efficacité de fonctionnement.
Source : CanmetÉNERGIE

Le bois (excluant l’écorce) compte moins de 1 % de cendres, alors que l’écorce peut en contenir jusqu’à 3 %. Les cultures en renferment une plus forte proportion, soit 3 % et plus (figure 5). Certains poêles et chaudières ne peuvent brûler convenablement les combustibles à forte teneur en cendres. Plus il y a de cendres, plus il faut d’entretien.

Typical ash content for selected biomass on a dry basis
Figure 5. Teneur typique en cendres de certains produits de biomasse à l’état sec.
Source : AURI, 2005 ; Preto, 2010footnote i; Preto, 2010footnote ii.

Carbone

La teneur en carbone de la biomasse est d’environ 45 %, alors que le charbon en contient au moins 60 % . Une plus forte teneur en carbone donne un pouvoir calorifique plus élevéfootnote iii. Une plus forte teneur en carbone donne un pouvoir calorifique plus élevé.

Hydrogène

La teneur en hydrogène de la biomasse est d’environ 6 % (Jenkins, 1998). Une plus forte teneur en hydrogène donne un pouvoir calorifique plus élevé.

Azote

La teneur en azote de la biomasse varie de 0,2 % à plus de 1 % (Jenkins, 1998). L’azote contenu dans les combustibles est à l’origine de la plupart des rejets d’oxydes d’azote (NOx) résultant de la combustion de biomasse. Une teneur plus faible en azote permet de réduire les rejets de NOx.

Soufre

Les plupart des biocombustibles présentent une teneur en soufre de moins de 0,2 %, mais certains peuvent en contenir de 0,5 % à 0,7 %. Le charbon en contient de 0,5 % à 7,5 %footnote iii (Demirbas, 2007). La combustion donne lieu au rejet d’oxydes de soufre (SOx), qui contribuent considérablement à la formation de pollution particulaire et de pluies acides. Comme la biomasse contient une teneur négligeable en soufre, sa combustion ne contribue pas de façon importante aux émissions de soufre.

Chlore

La combustion de biomasse présentant une teneur élevée en chlore (plus de 1 000 µg/g) peut accélérer l’encrassement par les cendres. Une forte teneur en chlore entraîne la formation d’acide chlorhydrique dans les tubes de chaudière, causant de la corrosion qui peut donner lieu à la défaillance des tubes et à des fuites d’eau dans la chaudière. On a déjà constaté que des combustibles tels que les tiges et rafles de maïs peuvent provoquer ce problème.

Propriétés de la biomasse

Le tableau 1 présente l’analyse élémentaire de divers types de biomasse. À des fins de comparaison, toutes les données sont à l’état sec. Ce tableau ne représente toutefois qu’un guide comparatif général.

Il importe de souligner que la biomasse est naturellement d’une composition variable, qui dépend des facteurs suivants :

  • emplacement
  • variété
  • conditions climatiques
  • méthodes de récolte

Procédés de réduction de la teneur en cendres, en chlore et en autres éléments

Il existe diverses stratégies de gestion visant à réduire la teneur en cendres et en éléments qui nuisent au processus de combustion; elles concernent notamment la sélection des cultures, les conditions de croissance, les fractions végétales employées, le moment de la récolte et la réduction de la contamination par la terre.

Sélection des cultures

La teneur en cendres des graminées de saison chaude, comme le barbon de Gérard, le panic raide et des plantes annuelles telles que le maïs, est inférieure à celle des graminées de saison fraîche comme le dactyle pelotonné, les fétuques et l’ivraie vivace (Mehdi et Samson, 1998).

Conditions de croissance

Le type de sol influe considérablement sur la teneur en cendres de la biomasse. On en trouve une teneur plus élevée dans les cultures produites dans un sol argileux que dans un sol sableux .

Fractions végétales

Les cendres se composent surtout de silice et de potassium. La répartition et la composition des cendres varient selon la fraction végétale. Ainsi, la teneur en cendres est la plus faible dans les tiges des graminées et la plus élevée dans leurs feuillesfootnote v. La récolte de biomasse comportant une plus forte proportion de tiges réduira la teneur en cendres, améliorant ainsi la qualité de la biomasse destinée à la combustion. Voir le tableau 2.

Tableau 2. Teneur en cendres (%) du panic raide récolté au printemps dans l’Est de l’Ontario et le Sud-Ouest du Québec.
Élément Teneur en cendres du panic raide (%)
Feuilles 7,0
Gaines foliaires 3,0
Tiges 1,0
Épis 2,4

Adapté de Samson et coll., 1999b.

Récolte effectuée après le lessivage

La teneur en cendres, en chlore et en potassium peut être réduite en laissant la biomasse coupée dans le champ pendant l’hiver. L’hivernage du panic raide dans le champ peut faire tomber à 3,5 % la teneur en cendres par lessivage et perte de fractions végétales contenant plus de cendres (p. ex., les feuilles). Cependant, il est coûteux de récolter au printemps, car il y a des pertes de biomasse de 20 à 50 %.

Réduction de la contamination par la terre

Il importe que les résidus de culture comprennent le moins possible de particules de terre, qui augmentent considérablement la teneur en cendres de la biomasse. Il y a lieu de privilégier des techniques de récolte mécanique permettant d’éviter de soulever la terre (p. ex., couper la biomasse en laissant une hauteur de chaume plus élevée).

Résumé

Les produits de biomasse sont très variés : bois, écorce, paille, autres résidus agricoles, graminées, fourrages, produits non conformes, etc. Malgré cette diversité, la composition de la plupart de ces produits est relativement uniforme, particulièrement à l’état sec. Le contenu énergétique (par unité de masse) de la plupart des biocombustibles secs est de 17 à 19 MJ/kg (7 300 à 8 000 BTU/lb). Les différences sur ce plan sont attribuables à des variations de la masse volumique et de la teneur en humidité.

La plupart des biocombustibles ont une teneur assez faible en azote et en soufre, ce qui cause relativement peu d’émissions de SOx et de NOx. Ce sont surtout les produits non conformes autres que des céréales alimentaires qui échappent à cette règle.

C’est sur le plan de la teneur en cendres que les biocombustibles se distinguent le plus les uns des autres. Le bois, biocombustible traditionnel, en contient généralement moins de 0,5 %. L’écorce en renferme de 2 à 3 %, et ce taux passe à plus de 5 % pour la plupart des graminées et résidus agricoles. Une teneur élevée en cendres peut causer beaucoup d’encrassement, donner lieu à la formation de mâchefer et compliquer la manutention.

Il faut utiliser ces biocombustibles avec soin et concevoir des systèmes de conversion adaptés spécialement à celui que l’on compte employer. Ainsi, les systèmes conçus pour le bois (ou le charbon) pourraient être inappropriés pour d’autres biocombustibles.

Tableau de conversion

De à Multiplier par
MJ/kg BTU/lb 430
BTU/lb GJ/t 0,00233

Autres ressources

La présente fiche technique a été rédigée par Steve Clarke, ing. (retraité), spécialiste, énergie et génie agricole, MAAARO, Kemptville, et par Fernando Preto, Ph.D., chercheur, CanmetÉNERGIE, Ottawa. Merci beaucoup à Chantal Quesnel et à Benjamin Bronson d’avoir contribué au présent document et de l’avoir examiné de façon consciencieuse, ainsi qu’à Shalin Khosla, spécialiste de la culture de serre, MAAARO, Harrow, qui nous a beaucoup aidés à évaluer des combustibles de remplacement.