Ressources, transformation et valorisation énergétique des biomasses,et plus particulièrement du bois naturel dans l'Agglomération franco-valdo-genevoise: potentiel et contraintes

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Ressources, transformation et valorisation énergétique des biomasses,et plus particulièrement du bois naturel dans l'Agglomération franco-valdo-genevoise: potentiel et contraintes

FAESSLER, Jérôme, MERMOUD, Floriane, LACHAL, Bernard Marie & Etat de Genève

Abstract

Les ressources biomasses sont multiples et variées et font partie de filières souvent complexes. Ces filières vont de la ressource à la valorisation en passant par des transformateurs. Ce rapport aborde : 1. les enjeux quantitatifs et qualitatifs liés aux ressources (Bois naturel et usagés, Coproduits agricoles, Déchets organiques); 2. les technologies disponibles pour la production d'énergie à partir de bois ; 3. les contraintes techniques liées à l'utilisation de biomasse-énergie; 4. les enjeux liés à la valorisation de la biomasse (financiers, chaleur et/ou électricité, CO2, valorisation matière).

FAESSLER, Jérôme, MERMOUD, Floriane, LACHAL, Bernard Marie & Etat de Genève.

Ressources, transformation et valorisation énergétique des biomasses,et plus particulièrement du bois naturel dans l'Agglomération franco-valdo-genevoise:

potentiel et contraintes. Genève : Etat de Genève, 2011, 16 p.

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:28946

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Institut des Sciences de l’Environnement – Battelle Bât. D – 7 route de Drize – CH-1227 Carouge Tél. 022 379 06 46 Fax 022 379 06 39 – www.unige.ch/energie

Concept Biomasse :

Ressources, transformation et valorisation énergétique des biomasses,

et plus particulièrement du bois naturel dans l’Agglomération franco-valdo-genevoise

Potentiel et contraintes.

Réalisé pour le service de l’énergie de l’Etat de Genève (Scane)

Carouge, mars 2011

Jérôme FAESSLER Floriane MERMOUD

Bernard LACHAL

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Approche "filières"

Les ressources biomasses sont multiples et variées et font partie de filières souvent complexes. Ces filières peuvent utiliser des ressources locales appartenant au périmètre de l’AFVG mais peuvent également utiliser des ressources non-locales (essentiellement dans le cas du bois). De plus, l’interconnexion entre les filières matière et énergie montre l’importance d’une vision globale (approche « filières »). Les filières peuvent être décomposées de la ressource à la valorisation, en passant par les transformateurs (voir Figure 1 ci-dessous). Pour qu’une filière puisse réellement être opérationnelle et pérenne, ces trois niveaux doivent correctement s’imbriquer et rester à peu près stables pour une durée déterminée.

Figure 1 : Schéma de quelques filières énergie-matière des biomasses

La valorisation énergétique de la biomasse au sens large (bois, agriculture, déchets) ne peut être découplée de ses différentes valorisations matière, avec de nombreux conflits d’usages potentiels.

De manière très basique, la production primaire de biomasse est issue de l’action des chloroplastes lors de la photosynthèse, résumée selon l’équation ci-dessous :

nCO2 + mH2O + énergie lumineuse → CnH2mOp + (2n +m-p)/2 O2 (endothermique)

Lors de l’utilisation énergétique de la biomasse, l’énergie stockée chimiquement pendant la photosynthèse est récupérée au cours de la combustion (oxydation de la biomasse) :

CnH2mOp + (2n +m-p)/2 O2 → nCO2 + mH2O + énergie thermique (exothermique)

4 De nombreux processus ont lieu entre ces deux équations de début et de fin de chaîne. Par exemple, le bois peut se stocker dans la construction ou les meubles, être réutilisé, puis recyclé sous forme de panneaux de particules et enfin être brûlé dans une usine de traitement de bois usagés : c’est à ce moment que la valorisation énergétique de la biomasse a lieu. De même, la voie biochimique de la valorisation des déchets organiques (transformation en biogaz) aboutit au final à une oxydation du biogaz tout en permettant la production parallèle d’un amendement organique (compost). Ces diverses utilisations en cascade des ressources biomasses permettent de valoriser pour plusieurs usages la même ressource.

Au niveau global, la biomasse est neutre en CO2 étant donné les deux équations ci-dessus, pour autant que le prélèvement de la ressource se fasse de manière durable, c’est-à-dire au maximum sur l’accroissement naturel et sans décapitalisation du stock. On peut comparer une gestion durable des ressources à l’utilisation chaque année des intérêts d’un placement sans jamais toucher au capital.

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Aspects ressources

Trois grands types de ressources ont été définis, eux-mêmes subdivisés selon la classification suivante :

• Bois (naturel ou usagé) ;

• Coproduits Agricoles (issus de grandes cultures (paille), viticulture, arboriculture, maraîchage, prairies, animaux (fumier/lisier)) ;

• Déchets organiques (ménagers ou industriels).

Afin de clarifier les gisements réels du périmètre de l’AFVG, chacune des ressources biomasses a fait l’objet d’une analyse détaillée et trois types de gisements ont été définis dans le rapport VIRAGE R5¹ :

• Le gisement brut représente le flux annuel estimé d’une ressource exploitée de façon pérenne ;

• Le gisement accessible est la part du gisement brut réellement valorisable. Il tient compte de critères sociaux et techniques (morcellement foncier, contraintes écologiques, accessibilité, pourcentage de collecte des déchets) ;

• Le gisement mobilisable est la part du gisement accessible après déduction des ressources déjà utilisées par des filières en place, telles que compostage, alimentation animale, valorisation matière du bois d’œuvre, chaudières à bois.

Bois naturel : ressources

Dans ce rapport et suite à la demi-journée du 1^er février, on focalise sur la filière bois-énergie étant donné son caractère plus spécifiquement transfrontalier (ressource facilement transportable ; marché libre), contrairement aux déchets organiques ou aux coproduits agricoles (ressources plus liquides et dépendant prioritairement d’autres politiques publiques locales).

Les flux de bois naturel pris en compte dans l’étude VIRAGE sont ceux issus physiquement (stricto sensu) du périmètre d’étude (AFVG), selon les surfaces de forêts de ce périmètre. Il s’agit donc d’une méthode se basant sur les flux physiques réels de production de ressource à l’intérieur du périmètre d’étude, ne prenant pas en compte une réalité complexe de filières plus larges.

Ces gisements ont été estimés de manière simplifiée, à la fois par calcul selon les rendements et l’accessibilité des forêts régionales pour les gisements bruts et accessibles, et par soustraction du prélèvement actuel estimé de bois pour le gisement mobilisable. Cette approche liée aux ressources physiques réelles du territoire permet de voir si, sur le long terme, la filière bois peut être prélevée durablement et localement sans dépendance excessive à de l’importation de bois.

Deux principaux enjeux rentrent en ligne de compte pour estimer le gisement mobilisable pour le bois-énergie des forêts de la région :

1. taux réel d’accessibilité potentielle pour la récolte forestière : lié avant tout au foncier et à l’accessibilité physique (routes, logistique), il dépend aussi de paramètres financiers (rentabilité d’exploitation), écologiques (récolte raisonnée des rémanents) et sociaux (acceptabilité des propriétaires) ;

1 Faessler, Aeberhard, Lachal, 2010, Valorisation énergétique des biomasses, rapport R5, UniGe http://www.cuepe.ch/html/recherche/rapport_l.php?id=61

6 2. répartition entre l’utilisation matière et la valorisation directe en énergie, sachant que la filière matière est considérée comme prioritaire par les pouvoirs publics et en général financièrement plus rémunératrice.

Toutefois, sur ce deuxième point, l’existence d’une scierie locale peut permettre d’utiliser le bois en cascade, avec une partie du flux de bois issus de la filière matière débouchant sur des produits connexes potentiellement valorisables de manière énergétique (chutes de bois, sciures, écorces) mais en concurrence avec les filières de la deuxième transformation du bois (papetier, panneaux de particules). Une partie de ces bois de sciage peut provenir de bois importé². Ces résidus doivent-ils être considérés, par extension, comme une ressource de bois local même lorsqu’ils proviennent de bois extérieurs à l’AFVG ? Dans l’étude R5, la question ne s’est pas posée car aucune scierie d’importance n’existe sur le périmètre analysé.

En dernier lieu, des récoltes conjoncturelles (volonté des pouvoirs publics de décapitaliser certaines forêts) peuvent s’additionner aux récoltes pérennes. Par exemple, le canton de Vaud a une volonté de prélèvement supplémentaire dans ces forêts pendant une durée d’environ 50 ans.

Au final, les résultats de gisements mobilisables supplémentaires pour une valorisation énergétique dans l’AFVG sont compris dans un facteur 1 à 4 selon les approches³ (Tableau 1) :

Gisement MOBILISABLE Energie UNITE Estimation selon

Rapport VIRAGE R5

Estimation haute selon autres approches

Canton de Genève GWh 4 4

District de Nyon GWh 4 11

Genevois de l’Ain GWh 12 51

Genevois de Haute-Savoie GWh 23 100

SOMME AFVG GWh 43 166

Tableau 1 : Gisement mobilisable du bois naturel de l’AFVG

Le gisement potentiellement mobilisable existe mais reste limité et aux alentours du pourcent de la consommation énergétique finale du canton de Genève (~12'000 GWh). Dans le cas de l’AFVG, les filières économiques de marché libre sont plus larges que le périmètre strict de la ressource physique et l’augmentation de la demande locale ne permettra pas forcément une augmentation de l’offre locale. A contrario, les nouvelles chaudières à bois communales sont souvent perçues par les autorités locales comme devant se faire pratiquement exclusivement avec du bois issu de ressource locale, impliquant de réfléchir selon les flux de ressources physiques liées au territoire. A terme, une définition plus claire des distances maximales acceptables par les pouvoirs publics pour certains approvisionnements permettrait d’évaluer plus clairement la pertinence du soutien ou non de l’Etat pour le développement de filières de mobilisation de bois locaux.

2 Par exemple, le département de l’Ain fournit environ 28% de la ressource bois de ses scieries, donc 72% du bois des scieries de l’Ain provient de ressources externes au département.

3 Faessler, Lachal, 2010, notes explicatives sur la ressource bois : compléments au rapport R5, UniGe.

http://www.cuepe.ch/html/recherche/rapport_l.php?id=61

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Bois naturel : transformation

De manière générale, la conversion de bois en énergie est plus difficile que la valorisation de combustibles fossiles. Pour la production d’électricité par exemple, le bois ne peut être utilisé directement dans un moteur ou une turbine : il nécessite un pré-traitement qui peut être :

soit thermique, via la combustion : aboutit à la production de chaleur (eau chaude, vapeur d’eau, air chaud, huile thermique…) qui sera ensuite envoyée vers une machine thermique (ex : production de vapeur, qui va servir à actionner une turbine),

soit thermochimique, via la gazéification : transformation de la biomasse par réaction chimique en un gaz combustible, qui sera ensuite valorisé dans une turbine ou un moteur à gaz.

Les processus sont donc autrement plus complexes que pour la valorisation de ressources conventionnelles comme le gaz naturel, ce qui s’en ressent sur les niveaux de rendement qui peuvent être atteints.

Technologies disponibles pour la production d’énergie à partir de bois

Il existe sur le marché des technologies avec des degrés de maturité différents, permettant d’atteindre des rendements électriques compris entre 5 et 30% selon la technologie et le niveau de puissance, et un rendement global (électricité+chaleur ou chaleur seule) de l’ordre de 75 à 80%. Les principales technologies et leurs caractéristiques sont regroupées dans le Tableau 2. Compte tenu de la complexité des processus, il y a peu de probabilité qu’on assiste à des avancées technologiques majeures dans les prochaines années.

Quelques grandes tendances ressortent du Tableau 2 :

Rendements globaux : contrairement aux idées reçues, le rendement global annuel atteint en cogénération n’est pas meilleur que celui obtenu en combustion seule : il est plafonné par le taux de valorisation de la chaleur, qui n’est jamais de 100% dans la pratique, car dépendant de la courbe de charge ; d’autre part, le rendement des installations basées sur une turbine ou un moteur à vapeur sont légèrement plus faibles –dans la théorie– que celui des installations faisant appel à la gazéification, car les machines sont disposées à la suite d’une chaudière qui a elle-même son rendement de combustion propre.

Rendements électriques : le rendement électrique dépasse difficilement 25% à des puissances raisonnables ; pour la filière turbine à vapeur, qui est la plus éprouvée car largement utilisée, le rendement électrique à petite puissance est limité à 20%, sauf dans le cas des turbines à condensation qui permettent de monter jusqu’a 25%, mais au prix d’une valorisation thermique difficile voire inexistante… En effet, les rejets thermiques à la sortie de la turbine se font à basse température et pression afin d’optimiser le cycle électrique. Les moteurs à vapeur et cycles organiques de Rankine ont des rendements électriques encore plus faibles et le moteur Stirling est limité aux petites puissances. Les technologies basées sur la gazéification présentent potentiellement des rendements électriques meilleurs, mais demeurent à l’état de démonstration à l’heure actuelle.

Technologies disponibles pour la cogénération : en-dessous de 1 MWe, les technologies envisageables sont essentiellement le moteur à vapeur et le cycle organique de Rankine, et en démonstration le moteur Stirling et la gazéification couplée à un moteur à gaz ; au dessus d’1 MWe, on peut avoir recours aux turbines à vapeur, cycles organiques de Rankine, ainsi qu’à la gazéification associée à une turbine à gaz (démonstration).

8 Tableau 2 : Récapitulatif des technologies sur le marché pour la production de chaleur et/ou d’électricité à partir de bois

Technologie Fluide Gamme de

puissance

Rendement électrique

Rendement global annuel

max

Etat de la filière

Comportement à charge partielle

Avantages Inconvénients

Appareil domestique eau chaude <10 kWth - 70-85% éprouvé moyen

Chaudière collective eau chaude >500 kWth - 80% éprouvé moyen

Turbine vapeur >1 MWe

1<P<5 12-15%

5<P<10 15-20%

1<P<5 15-20%

5<P<10 20-25%

-combinaison des 2 >10 MWe +5% coût élevé à petite P

-soutirage >qq 10 MWe +5% -5% usages thermiques

possibles coût élevé à petite P

Moteur à Vapeur vapeur <1.5 MWe 5-15% 75% éprouvé bon coût d'exploitation

élevé Cycle Organique de

Rankine (ORC) huile thermique <3 MWe 10-16% 75% éprouvé moyen

pas de cycle à haute pression (huile thermique)

coût

rdt élec. limité

Moteur Stirling air chaud <150 kWe 10-20% 80% démonstration bon possible à petite P coût

Gazéification +

- moteur à gaz >100 kWe 20-30% 80% bon

- turbine à gaz >1 MWe 20-30% 80% moyen

- cycle combiné >qq 10 MWe 30-40% 85% moyen coût élevé à petite P

- injection réseau gaz ou carburant

valorisation découplée

de la production coût élevé à petite P démonstration

75%

30%

CHAUDIERE + …

VOIE THERMO- CHIMIQUE

VOIE THERMIQUE

vapeur

gaz de synthèse

coût rdt élec. limité par la

thermodynamique rdt élec. valorisation thermique

difficile (basste t°) -contre-pression

-condensation

simplicité des installations

éprouvé moyen

Remarque : tous les rendements sont exprimés selon l’énergie utile (autoconsommation déduite) rapportée à la ressource entrante.

Sources :

Cogénération à partir de biomasse : La filière combustion/vapeur en petite puissance, Rapport final, ADEME, Biomasse Normandie et Heat Technics, 2001.

Participation à un colloque : State-of-the-art technologies for small biomass co-generation, organise par la Task 32 de l’IEA, 7 octobre 2010, actes disponibles en ligne : www.ieabcc.nl.

State-of-the-art and future developments regarding small-scale biomass CHP systems with a special focus on ORC and stirling engine technologies, Obernberger, I., Carlsen, H., Biedremann, F., International Nordic Bioenergy Conference, 2003.

Pyrolyse et gazéification de la biomasse pour la production d’électricité, Procédés et acteurs, ADEME, CIRAD, 2001.

Site internet du bureau d’étude ECOREN, www.ecoren.fr .

9 Contraintes techniques

Différents types de contraintes apparaissent dès lors qu’on envisage de valoriser de la biomasse en énergie :

Ressource : la plupart des technologies ne sont pas capables de valoriser des types de biomasse différents : une chaudière conçue pour brûler des plaquettes forestières ne peut pas être utilisée pour brûler de la paille de blé. Même une variation du taux d’humidité ou de la granulométrie du bois aura un impact sur le rendement et la durabilité de l’installation : il est donc important que les caractéristiques de la ressource soient constantes.

Taille critique : étant données les contraintes d’exploitation (nécessité d’une maintenance qualifiée et d’un suivi de l’installation), environnementales (nécessité de traitement des fumées), techniques (notamment pour la production d’électricité, si on veut obtenir des rendements électriques acceptables), les installations de petite puissance (<1 MW) ne sont pas optimales. A l’inverse, les installations de grande puissance (>10 MW), même si elles permettent des économies d’échelle importantes, posent des problèmes d’approvisionnement (difficulté à mobiliser la ressource), d’occupation de l’espace (les infrastructures nécessitent environ 10 fois plus d’espace que le gaz à puissance égale), et de valorisation de la chaleur produite (existence de gros preneurs à proximité).

Courbe de charge : de manière générale, les installations fonctionnant à partir de biomasse supportent mal les variations fréquentes de charge et le fonctionnement à charge partielle, qui engendrent une dégradation du rendement, des pics d’émissions et diminuent la durabilité de la chaudière. Or l’énergie thermique est soit valorisée dans l’industrie, soit utilisée pour couvrir les besoins en chauffage, qui par nature sont irréguliers.

Le choix du transformateur au moment de la conception est une étape importante, qui est entièrement liée au type de bois à valoriser (plaquette forestière sèche ou humide, sciure, connexes de scierie…) et aux possibilités de valorisation des énergies produites (a-t-on des débouchés pour l’électricité et la chaleur produites ?).

En résumé, il est techniquement complexe de valoriser du bois énergétiquement. Concernant la cogénération, les technologies sont peu nombreuses et relativement onéreuses, surtout compte tenu des rendements électriques atteints, qui restent modestes par rapport à ceux envisageables avec des technologies basées sur le gaz. D’autre part, les installations doivent impérativement être pilotées sur les besoins en chaleur et non en électricité (comme cela se pratique souvent) afin d’atteindre des rendements globaux aussi intéressants qu’en combustion seule. En contrepartie, les rendements et la durabilité des installations seront affectés par les variations fréquentes de charge.

Dans ces conditions, il peut sembler pertinent de réserver le bois naturel aux usages exclusivement thermiques et d’utiliser d’autres énergies plus « faciles » pour la production d’électricité.

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Bois naturel : valorisation

La valorisation de l’énergie et des coproduits issus de la transformation de la biomasse en énergie est une étape clé dans la réussite d’un projet dans la mesure où, sauf si on part d’une ressource déchet, elle constitue l’unique apport financier devant permettre d’atteindre une certaine rentabilité. Les coûts à financer lors de cette étape sont :

• L’approvisionnement en bois et son stockage,

• L’amortissement du coût du transformateur, son entretien, sa maintenance et le coût des énergies auxiliaires utilisées,

• L’amortissement du coût de l’infrastructure propre de valorisation comme un réseau de chaleur, son entretien, sa maintenance, le coût des énergies auxiliaires utilisées et ceux liés à la facturation.

Dans certains cas, comme lors de la création d’un chauffage à distance, les investissements nécessaires à la valorisation peuvent être une part importante du total.

La valorisation énergétique de la biomasse concerne plusieurs formes, en termes de produits et coproduits :

Energie thermique, valorisable à condition d’être proche des utilisateurs ou d’une infrastructure de chauffage à distance, pour alimenter :

o un procédé industriel (« process »), qui constitue la meilleure opportunité car la demande est stable tout au long de l’année, par contre la pérennité peut être peu assurée sur le long terme,

o le chauffage de bâtiments, qui induit à l’inverse une demande très fluctuante mais pérenne (surtout avec les clients « captifs » d’un chauffage à distance).

La température de fourniture n’est pas une forte contrainte dans la mesure où on part de la combustion du bois. Notons tout de même que dans le cas de la cogénération, il peut y avoir des limitations au niveau de la température si on veut garder un bon rendement de conversion vers l’électricité.

Energie électrique, sa valorisation demande simplement d’être proche d’une ligne de distribution ou de transport selon la puissance. Sauf dans des situations isolées et en « bout de réseau », il y a peu de limite physique pour la reprise du courant ;

Energie chimique (gaz, carburant,...) autre que le bois. Le degré de maturité des technologies n’est pas suffisant à notre avis pour l’envisager aujourd’hui ;

Amendement agricole, qui constitue une valorisation très importante pour les autres filières biomasse (bio méthanisation et compostage) puisque, si la biomasse est issue du cycle du carbone, d’autres éléments lui sont indispensables (phosphore, azote, …). Pour la pérennité de ces ressources, il faut absolument qu’une partie revienne sous forme matière dans le sol (tout ne peut pas partir en fumée ou en déchets inertes). Pour le bois, ce recyclage matière a été pris en compte dans l’aspect ressource dans la mesure où une partie de l’accroissement naturel n’est pas considérée comme accessible (rémanents,…) afin d’assurer les cycles naturels indispensables. Le point particulier des cendres doit être souligné⁴. Depuis toujours, la cendre de bois est utilisée comme amendement agricole puisque riche en minéraux comme le calcium, le phosphore ou le potassium. La quantité de cendres représente environ 1 à 2 % de la masse de bois et son contenu en métaux lourds dépend de la provenance du

4Voir par exemple l’étude de Severine Bouvot-Mauduit sur

http://www.ofme.org/bois-energie/documents/Environnement/Valorisation_cendres.pdf, consulté en février 2011.

11 combustible et éventuellement de la chaudière. Même si des expériences positives ont été menées dans certains pays nordiques quant à son utilisation comme amendement forestier, les cendres ne sont que très rarement valorisées dans les installations collectives et pratiquement toujours traitées comme des déchets. L’incidence du coût de la prise en charge des cendres comme déchets reste faible dans le bilan financier (de l’ordre de 0.1 cts/kWh).

Certificats CO2 : la combustion du bois est neutre en terme de CO2 dans la mesure où la ressource est gérée de façon durable (voir point précédent). En substitution à une énergie fossile, la valorisation du bois énergie va donc diminuer la quantité de gaz à effet de serre émise et donc permettre de négocier des certificats CO2. Pour fixer les idées, en substitution d’un mixte équilibré gaz/mazout et en tenant compte d’un rendement utile de 85%, la tonne CO2 évitée échangée à un prix de 50 frs va contribuer à hauteur de 1.5 ct par kWh à la valeur du kWh thermique (en Suède, la tonne CO2 évitée dans le domaine de la chaleur est valorisée à plus de 100 € la tonne, soit près de 4 cts le kWh)⁵. On peut s’attendre à ce que le prix des certificats CO2 devienne à terme un élément non négligeable dans le financement d’installations de valorisation de la biomasse.

Image / certification, valorisation difficile à quantifier mais importante dans la mesure où les prises de décision dans le domaine énergétique ne sont pas absolument rationnelles. Dans la décision de se connecter à un réseau de chaleur alimenté tout ou en partie par du renouvelable local, le prix de l’énergie est important mais pas toujours décisif. Il est connu que des actions dans le domaine des économies d’énergie parfaitement rentables ne sont souvent pas mises en œuvre dans les entreprises⁶ en raison de la faible priorité accordée à l’énergie, considérée comme un bien facilement accessible. A contrario, un acteur qui mettra une priorité élevée sur l’énergie ou qui aura conscience des incertitudes sur l’évolution du prix de l’énergie fossile et de sa possible (probable) envolée sera prêt à accepter un prix plus élevé dans le court terme en diminuant le risque d’un bond futur et sans contrôle de sa facture. Ce raisonnement est particulièrement vrai dans le cas d’une démarche Haute Qualité Environnementale, où l’investissement pour obtenir intrinsèquement une faible consommation énergétique est logiquement complété par un approvisionnement local renouvelable. Un label comme Minergie® favorise d’ailleurs explicitement l’alimentation par de l’énergie renouvelable en la pondérant dans le calcul de la consommation normalisée permettant l’obtention du Label. Toutes ces considérations ne sont que très rarement explicitées et rarement conscientes ; elles participent, avec d’autres quelquefois moins nobles, à ce que l’on appelle « l’image verte ».

Parmi les conflits d’usage existants lors de la valorisation, soulignons les 2 suivants :

Chaleur / électricité : dans tous les cas, la plus grande partie de l’énergie est transformée en chaleur, mais la valorisation électrique est seule à être massivement soutenue par les pouvoirs publics, des 2 côtés de la frontière. A l’obligation de rachat, s’ajoutent une durée garantie (de l’ordre de 20 ans) et un prix garanti pouvant s’élever jusqu’à 31 cts le kWh dans le modèle suisse (RPC, Reprise à Prix Coûtant⁷) pour les petites unités de cogénération et un peu moins côté français⁸. Si, des 2 côtés de la frontière, des conditions d’efficacité globale sont introduites, celles-ci sont jugées quelquefois comme trop faibles vis-à-vis de la valorisation chaleur (voir par exemple la critique de la mesure RPC formulée en octobre 2010 par C. Aeschbacher⁹, directeur d’énergie-bois suisse), situation pouvant amener à une

5 Observ’ER barometre bois, http://www.energies-renouvelables.org/observ-er/stat_baro/observ/baro200c.pdf, consulté en janvier 2011.

6 C. Cooremans, Les déterminants des investissements en efficacité énergétique des entreprises, thèse de la faculté des sciences économiques et sociales de l’Université de Genève, 2010

7 Office fédéral de l’énergie, http://www.bfe.admin.ch/energie/00588/00589/00644/index.html?lang=fr&msg- id=31503, consulté en janvier 2011.

8Legifrance,

http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=LEGITEXT000005629085&dateTexte=20110208, , consulté en janvier 2011.

9 C. Aeschbacher, La RPC – malédiction ou bénédiction ?, Energies renouvelables, N°5, octobre 2010.

12 utilisation peu efficace de la ressource. Rappelons que la valorisation chaleur est techniquement plus difficile à réaliser dans la mesure où la demande thermique pour le chauffage fluctue énormément en fonction des conditions climatiques, que la chaleur ne se transporte que difficilement et que le chauffage a toujours été un marché en concurrence.

Puissance/énergie : dans la mesure où la valorisation thermique est sérieusement considérée, la forte fluctuation de la demande thermique - si elle est liée au climat - va devoir être prise en compte. Comme vu précédemment, les transformateurs biomasse / énergie supportent mal les fluctuations de taux de charge (baisse de l’efficacité, émissions polluantes en hausse et amortissement plus difficile). La solution la plus simple, systématiquement utilisée en France, est l’utilisation d’une énergie de complément supportant les fluctuations de charge : ainsi, dimensionner une installation bois à 1/3 de la puissance de chauffage maximum permet de fournir environ les 2/3 de l’énergie, sur une durée d’utilisation plus longue et donc plus compatible avec une valorisation électrique. La Figure 2 est basée sur la demande de chaleur de deux systèmes différents : un bâtiment Minergie® de 20'000 m² chauffé au gaz et un chauffage à distance villageois alimenté au bois.

La couverture énergétique annuelle, en %, est représentée en fonction du taux de couverture en puissance, également en %. A partir d’environ la moitié de la puissance demandée maximum, les gains en énergie sont marginaux. Ainsi, il peut être intéressant de couvrir les 10% ou 20% de chaleur de pointe avec une ressource demandant un faible investissement comme le gaz ou le mazout, ce qui permet de limiter l’investissement nécessaire dans le transformateur bois et d’améliorer son fonctionnement. Ce conflit est très présent côté suisse, où les projets « bois » ont souvent la volonté de faire du 100%

renouvelable, se privant ainsi de la complémentarité d’une ressource plus souple d’utilisation.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Energie relative

Puissance relative

Relation Energie relative / Puissance relative pour la demande de chaleur annuelle

CAD bois villageois, Pmax = 1600 kW

Immeuble minergie, 20'000m² Pmax = 500kW

Figure 2 : relation énergie relative fournie – puissance relative installée dans le cas de la demande annuelle de chaleur (chauffage et eau chaude sanitaire). Cas de deux systèmes très différents.

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Autres Biomasses : ressources

Pour les coproduits agricoles et les déchets organiques, les différents gisements ont été estimés à la suite d’études plus générales sur les flux de matière et d’énergie¹⁰. Le détail des calculs est disponible dans R5, y compris pour les filières « bois usagés ».

Les deux principaux points explicités dans le chapitre ressources sur l’accessibilité réelle et la répartition entre les filières matière et énergie ressortent presque à l’identique pour les autres ressources.

Concernant les coproduits agricoles, ceux-ci sont facilement accessibles mais déjà fortement utilisés en interne par l’agriculture (amendement organique) et donc non utilisables pour une valorisation énergétique. Seule une petite partie des pailles pourrait potentiellement être mobilisée pour une chaudière à paille, sous réserve de la faisabilité technico-économique de ce type de projet. Les fumiers et lisiers représentent de faibles gisements mobilisables vus les forts besoins de l’AFVG en amendement organique et la liquidité de ce type de produit (difficilement transportable). Les cultures dédiées ne sont pas considérées ici étant donné le taux d’autosuffisance alimentaire de la région de 30% et la volonté politique de consacrer prioritairement les surfaces agricoles à la production de nourriture.

Les déchets organiques ménagers sont déjà traités, essentiellement dans des processus de compostage ou en incinération s’ils ne sont pas triés. Le gisement mobilisable en énergie reste limité pour deux raisons :

1. Difficultés dans la mise en place du tri des déchets de cuisine (accessibilité), systématiquement moins triés que les déchets de jardin. A Genève, malgré de nombreuses campagnes auprès de la population, seuls 20% des déchets de cuisine sont triés contre 80%

pour les déchets de jardin, alors que 80% des déchets de cuisine sont couverts par une levée communale contre 100% pour les déchets de jardin ;

2. Processus de transformation biochimique qui limite la partie réellement valorisable en énergie : deux tiers du gisement se transforme en compost (valorisation matière).

Globalement, les déchets organiques ménagers sont traités dans chaque territoire administratif, à la fois pour des problèmes de complications législatives et administratives liés au passage de la frontière et en raison de la responsabilité communale et cantonale de traitement local.

Les déchets organiques industriels peuvent être des gisements intéressants mais limités à certains processus industriels et pas toujours stables et pérennes.

Le bois usagé est un déchet dont les filières d’élimination existent déjà, la problématique de l’accessibilité ne se pose donc pas. Environ 10% du flux de bois usagés sont considérés comme des déchets dangereux devant obligatoirement aller dans une usine d’incinération ou une cimenterie.

Mais les 90% restants sont en concurrence entre des filières matière et énergie. Le choix de la filière dépend essentiellement des coûts globaux de traitement de la ressource, y compris les transports.

Ces traitements se déroulent souvent hors de l’AFVG et ont des bilans environnementaux plus ou moins bons selon les filières.

10 Faessler, Gallay, Lachal, 2009, Métabolisme agricole franco-valdo-genevois : état des lieux et synthèse, UniGe, http://www.cuepe.ch/html/recherche/rapport_l.php?id=61 et

Aeberhard, 2009, Biométhanisation dans la région franco-valdo-genevoise : potentiel des ressources, bilans matière-énergie de deux installations typiques, travail de master MUSE 008, Université de Genève.

14 L’estimation globale des différents gisements des biomasses pour l’AFVG en tenant compte des différentes contraintes des filières (hors économiques) aboutit au tableau suivant (voir Tableau 3) :

GISEMENT (Estimations)

UNITE BRUT ACCESSIBLE MOBILISABLE

DÉJÀ MOBILISE

ENERGIE

DÉJÀ MOBILISE

MATIERE

Bois Naturel GWh 1’274 698 43 à 166 153 182

Bois Déchets GWh 240 240 0 à 240 144 96

Coproduits

agricoles GWh 1’523 1’208 49 0 1’523

Déchets organiques ménagers

GWh 243 53 14 2 37

Déchets organiques industriels

GWh 90 34 12 22

SOMME GWh 3’370 2’233 118 à 481 310 1’849

Tableau 3 : Gisements brut, accessible et mobilisable des biomasses de l’AFVG en GWh

Même s’ils paraissent précis, ces chiffres sont des ordres de grandeur. Le gisement brut de biomasse représente en théorie environ 15% de la consommation finale de l’AFVG. Toutefois, comme le montre l’exemple du bois, la majeure partie de ce gisement n’est pas mobilisable pour la filière énergie. Le gisement mobilisé actuellement représente environ 1.5% de la consommation finale actuelle de l’AFVG par rapport à la ressource. Le gisement additionnel pourrait, selon les scénarios, aboutir à 2.5%, voir 3% de la consommation finale de l’AFVG provenant des biomasses.

Il s’agit ici d’une analyse de la ressource disponible physiquement sur le territoire de l’AFVG, tenant compte de certaines contraintes techniques et sociales (taux d’accessibilité, transformation biochimique des déchets organiques, filières énergie et matière, etc.) mais ne prenant pas en compte les aspects économiques de développement de ces filières.

Autres biomasses : transformation et valorisation

Le choix du transformateur est intrinsèquement lié au type de ressource à traiter : ainsi, pour d’autres ressources que le bois naturel, on utilise en général d’autres transformateurs. Un récapitulatif de ces technologies est proposé dans le Tableau 4.

De manière générale, les biomasses autres que le bois naturel posent plus de problèmes lors du traitement. Les problèmes récurrents sont les suivants :

Qualité des fumées : des émissions polluantes dépassant les limites réglementaires en l’absence de traitement (coproduits agricoles, bois usagés).

15 Qualité des cendres : formation abondante de mâchefers à cause de la présence de cendres

qui fondent à basse température (coproduits agricoles).

Régularité de la ressource : nécessité d’avoir une qualité constante pour assurer un bon fonctionnement des installations (déchets organiques, coproduits agricoles).

En résumé, les ressources biomasse autres que le bois sont difficiles à valoriser énergétiquement. Les filières actuellement en place ont un certain degré de pertinence :

La valorisation des déchets organiques par méthanisation présente l’avantage de permettre une valorisation matière (compost).

Réglementairement, la valorisation énergétique des bois usagés nécessite un traitement de fumées comparable à celui des usines d’incinération, qui n’a pas de réalité économique à petite puissance.

Dans ces conditions, et compte tenu des meilleurs rendements globaux atteints actuellement en incinération (dépassant les 60%)¹¹, il semble sensé de continuer à valoriser le bois usagé dans les usines d’incinération plutôt que dans des installations dédiées, mais tout en travaillant sur une meilleure valorisation de la chaleur produite.

De façon générale, des opportunités de gains énergétiques existent encore mais globalement, la marge de manœuvre est étroite et les gains en valorisation énergétique se feront en grande partie au détriment d’autres valorisations.

11 Par exemple l’usine TRIDEL à Lausanne, www.tridel.ch, consulté en mars 2011.

16 Tableau 4 : Récapitulatif des technologies sur le marché pour la valorisation énergétique de biomasses autres que le bois naturel

Technologie Ressources utilisables Gamme de puissance

Rendement électrique

Rendement global annuel

max

Etat de la filière Avantages Problèmes

Combustion + Turbine à vapeur

sous-produits agricoles (paille de blé, marc de raisin, tourteaux de colza…)

>10 MWe 15-20% 70% démonstration coût du combustible

quantité et qualité des cendres (fusion à basse t°)

convoyage difficile

traitement de fumées nécessaire et coûteux

Incinération + Turbine à vapeur

tous types de déchets

dont bois usagés >qq 10 MWe 20% 70% éprouvé accepte tous types de

"combustibles"

coût du traitement des fumées valorisation chaleur pas forcément en phase avec le flux de déchets à traiter

Gazéification + Turbine à gaz

sous-produits agricoles,

bois usagés >10 MWe 20% 70% recherche traitement de fumées nécessaire

et coûteux Méthanisation

solide

>10000 t mat.

fraîche/an valorisation matière

- moteur à gaz >100 kWe >10% 33% valorisation chaleur souvent

difficile - injection réseau

gaz ou carburant valorisation assurée

Méthanisation liquide

>2000 t mat.

fraîche/an valorisation matière

- moteur à gaz >100 kWe >15% 50% valorisation chaleur souvent

difficile - injection réseau

gaz ou carburant valorisation assurée

VOIE THERMIQUE ou THERMO-CHIMIQUEVOIE BIOLOGIQUE

Déchets organiques

ménagers/industriels éprouvé

Déchets agricoles (lisiers/fumiers et coproduits )

éprouvé

Remarque : les filières de production de biocarburants ne sont pas prises en compte.