Types de biocarburants : comparaison des caractéristiques des carburants solides, liquides et gazeux

Une alternative aux ressources énergétiques traditionnelles sont divers types de biocarburants, dont la production utilise des matières premières végétales ou animales, des déchets industriels et les résultats de l'activité vitale des organismes.

Nous proposons de comprendre les avantages et les inconvénients de l'utilisation d'un tel carburant, de connaître les caractéristiques de production, les caractéristiques fonctionnelles et également d'évaluer l'efficacité de l'utilisation de différents types de carburant biologique. Les informations fournies vous aideront à naviguer dans le choix de sources alternatives de ressources énergétiques.

Qu'est-ce que le biocarburant

L'orientation la plus prometteuse dans le secteur de l'énergie concerne les technologies qui impliquent l'utilisation de ressources renouvelables, notamment le carburant biologique.

Le type de combustible biologique le plus courant est le bois de chauffage ordinaire. 38% de la population mondiale les utilise pour se chauffer et cuisiner

Comme matière première pour sa production, vous pouvez prendre de la biomasse d'origine végétale/animale, y compris des déchets industriels ou animaux.

Le traitement de ces substances est effectué par des méthodes thermochimiques ou biologiques, dans ce dernier cas, le carburant est obtenu à l'aide de divers types de micro-organismes.

La part d'utilisation des carburants biologiques est en constante augmentation, ce qui contribue à la conservation des ressources en hydrocarbures fossiles (+)

De nombreux pays disposent de programmes spéciaux visant à accroître la part des biocarburants dans la consommation énergétique nationale et régionale. Un certain nombre d'États ont également des normes obligatoires pour l'utilisation de cette source d'énergie.

Avantages et inconvénients des biocarburants

Les carburants biologiques ont leurs côtés positifs et négatifs. L'intérêt pour l'utilisation de ce type de matière première est dû à ses avantages incontestables.

Ceux-ci inclus:

• Coût budgétaire. Bien qu'à l'heure actuelle, les prix des biocarburants soient presque les mêmes que ceux de l'essence, les substances biologiques sont considérées comme un type de carburant plus rentable car elles produisent moins d'émissions lorsqu'elles sont brûlées. Le biocarburant peut être utilisé dans diverses conditions et peut être adapté à des moteurs de différentes conceptions. Un autre avantage est l'optimisation du fonctionnement du moteur, qui reste propre plus longtemps grâce à la faible quantité de suie et de gaz d'échappement.
• Mobilité. Le carburant biologique diffère des autres sources d’énergie alternatives par sa portabilité. Les installations solaires et éoliennes comprennent généralement des batteries lourdes, elles sont donc le plus souvent utilisées en permanence, tandis que les biocarburants peuvent être transportés d'une région à une autre sans trop de tracas.
• Source d'énergie renouvelable. Même si les chercheurs estiment que les gisements de pétrole brut existants dureront au moins plusieurs centaines d’années, les réserves fossiles restent limitées. Les biocarburants, fabriqués à partir de déchets végétaux et animaux, font partie des ressources renouvelables qui ne risquent pas de disparaître dans un avenir proche.
• Protéger l'atmosphère terrestre. Un inconvénient majeur des hydrocarbures traditionnels est le pourcentage élevé de CO₂, qui est libéré lorsqu'il est brûlé. Ce gaz crée un effet de serre dans l’atmosphère de notre planète, créant ainsi les conditions du réchauffement climatique. Lorsque des substances biologiques sont brûlées, la quantité de dioxyde de carbone est réduite à 65 %. De plus, les cultures utilisées dans la production de biocarburants consomment du monoxyde de carbone, ce qui réduit sa part dans l'air.
• Sécurité Economique. Les réserves d'hydrocarbures sont inégalement réparties, de sorte que certains États sont obligés d'acheter du pétrole ou du gaz naturel, dépensant ainsi de grosses sommes d'argent pour l'acquisition, le transport et le stockage. Différents types de combustibles biologiques peuvent être produits dans presque tous les pays. Étant donné que sa production et sa transformation nécessiteront la création de nouvelles entreprises et, par conséquent, d'emplois, cela profitera à l'économie nationale et aura un impact positif sur le bien-être des personnes.

L’amélioration de la technologie et le développement de nouvelles méthodes peuvent renforcer les effets positifs des biocarburants. Ainsi, le développement de technologies utilisant le plancton et les algues réduira considérablement son prix.

Dans le même temps, au stade actuel de développement de la science et de la technologie, la production de biocarburants est associée à un certain nombre de difficultés et d'inconvénients. Tout d’abord, il s’agit de limitations naturelles dans la culture des plantes.

Pour la croissance des cultures destinées à la production de biomasse, un certain nombre de facteurs doivent être pris en compte, à savoir :

• Utilisation de l'eau. Les plantes agricoles consomment beaucoup d’eau, ce qui constitue une ressource limitée, notamment dans les zones arides.
• Caractère invasif. Les cultures cultivées pour le carburant sont souvent agressives.Ils étouffent la flore authentique, ce qui peut faire souffrir la biodiversité et l'écosystème de la région.
• Les engrais. De nombreuses plantes ont besoin de nutriments supplémentaires pour pousser, ce qui peut nuire à d’autres cultures ou à l’écosystème dans son ensemble.
• Climat. Certaines zones climatiques (par exemple le désert ou la toundra) ne sont pas adaptées à la culture de biocarburants.

La culture active des plantes agricoles est également associée à l'épuisement ressources agricoles... Le non-respect des règles de la technologie agricole peut entraîner une diminution de la teneur en composants utiles du sol et, par conséquent, leur épuisement, ce qui aggravera la situation. problème de nourriture.

L'écosystème est perturbé. La production de biomasse nécessite généralement une expansion des zones agricoles.

Souvent, à cet effet, le territoire est défriché, ce qui entraîne la destruction du microécosystème (par exemple les forêts), la mort des plantes et des animaux.

De nombreuses cultures sont déjà cultivées pour produire des biocarburants. Plus de 50 % du colza produit en Europe, plus d’un tiers des céréales américaines et près de la moitié de la canne à sucre cultivée au Brésil sont utilisés pour la production de biomasse.

Des problèmes surviennent avec la croissance des monocultures. Pour obtenir des rendements de biomasse plus importants, les producteurs ensemencent souvent leurs terres avec une plante spécifique. Cette pratique n'est pas très bonne pour les terres agricoles, car la monoculture entraîne des changements environnementaux.

Les champs occupés par un type de plante sont généralement infestés par des types particuliers de ravageurs.Tenter de les combattre à l'aide d'insecticides et de pesticides ne fait que conduire au développement d'une résistance à ces agents.

Pour éviter les problèmes décrits ci-dessus, les scientifiques conseillent de ne pas négliger la biodiversité des cultures en combinant plusieurs plantes dans les champs, et également d'utiliser des variétés locales de flore.

Générations de carburants alternatifs

La large gamme de matières premières végétales utilisées pour la biomasse est généralement divisée en plusieurs générations.

Première génération. Cette catégorie comprend les cultures agricoles qui contiennent un pourcentage élevé d’amidon, de sucres et de graisses. Ce sont des plantes aussi populaires que le maïs, la betterave sucrière, le colza et le soja.

Parce que la culture de ces cultures nuit au climat et que leur retrait du marché affecte les prix des denrées alimentaires, les scientifiques tentent de les remplacer par d’autres types de biomasse.

Presque tous les types de carburants liquides modernes (biodiesel, éthanol) sont actuellement produits à partir de plantes agricoles appartenant à la première génération de matières premières.

Deuxième génération. Le groupe de la biomasse comprend le bois, l'herbe et les déchets agricoles (coquilles, balles). Produire du biocarburant à partir de telles matières premières coûte cher, mais cela permet de résoudre le problème du recyclage des résidus non alimentaires avec la production simultanée de matières combustibles.

Une caractéristique des cultures incluses dans cette variété est la présence de lignine et de cellulose. Grâce à eux, la biomasse peut être brûlée et gazéifiée, ainsi que soumise à une pyrolyse pour produire du combustible liquide.

Le principal inconvénient de la biomasse de deuxième génération est considéré comme un rendement par unité de surface insuffisant, raison pour laquelle des ressources foncières importantes doivent être allouées à de telles cultures.

Troisième génération. La matière première pour la production de biocarburant est l'algue, cultivée à l'échelle industrielle, par exemple dans des réservoirs ouverts.

L'option la plus prometteuse est considérée comme celle des biocarburants obtenus à partir d'algues unicellulaires. Ces plantes prennent rapidement du poids et n’ont pas besoin de terres fertiles pour être cultivées.

Cette pratique est très prometteuse, mais actuellement, ces technologies sont seulement en cours de développement. Les scientifiques mènent également des recherches pour créer des techniques permettant d'obtenir des biocarburants de quatrième, voire cinquième génération.

Trois types de biocarburants

Selon l'état d'agrégation dans lequel se trouve la substance, il existe trois principaux types de biocarburant :

1. Solide: bois de chauffage, tourbe, déchets animaux et agricoles.
2. Liquide: biodiesel, éther diméthylique, bioéthanol, biobutanol.
3. Gazeux: biogaz, méthane, biohydrogène.

Chaque type de substance a ses propres spécificités, qui seront discutées ci-dessous.

Type n°1 : dur

Les types de combustibles biologiques solides les plus populaires comprennent le bois, la tourbe et les déchets animaux.

Bois (bois de chauffage, copeaux, sciure)

Un type ancien de biocarburant est le bois de chauffage bien connu, utilisé depuis longtemps pour chauffer les maisons et cuisiner les aliments. Jusqu'à présent, ils sont activement utilisés dans différents pays pour produire de la chaleur et de l'électricité. En particulier, une grande centrale thermique autrichienne d'une capacité de 66 mégawatts fonctionne au bois.

Dans le même temps, ces matières premières présentent des inconvénients. La valeur énergétique du bois de chauffage est relativement faible : lorsqu'elle est brûlée, une partie de la substance se dépose sous forme de suie, c'est pourquoi les cheminées et les poêles doivent être nettoyés régulièrement.De plus, il faut un certain temps pour reconstituer les réserves de bois - les nouveaux arbres ne pousseront qu'après 15 à 20 ans.

Une excellente alternative au bois de chauffage conventionnel sont les pellets (granulés), pour la production desquels du bois de qualité inférieure est utilisé : écorces, copeaux de bois, sciure pressée, salope.

Les pellets obtenus à partir de bois, de tourbe et de déchets divers ont des couleurs différentes. Les plus clairs sont utilisés pour allumer les cheminées et les poêles, tandis que les plus foncés, à forte teneur en écorce, sont destinés aux chaudières à combustible solide.

Pour produire des pellets de combustible, les matières premières sont broyées en poussière, qui est ensuite séchée et pressée à haute température. Grâce à la lignine contenue dans le bois, une masse collante se forme à partir de laquelle se forment de petits cylindres d'une longueur de 5 à 70 mm et d'un diamètre de 6 à 10 mm.

Les briquettes combustibles à quatre, six ou octogonales constituent une alternative moderne au bois de chauffage traditionnel. Ce matériau respectueux de l'environnement a un transfert de chaleur élevé

Vous pouvez mettre en place vous-même la production de pellets en fabriquant presse pour briquettes de combustible.

Parmi les types de biocarburants les plus populaires figurent les copeaux de bois, qui servent souvent de source d'énergie dans les centrales thermiques européennes. La production de ces matières premières est réalisée sur des sites d'exploitation forestière ou sur des lignes de production spéciales équipées de broyeurs.

Tourbe combustible des marais et des forêts

Il s’agit d’un type courant de biocarburant utilisé à des fins domestiques et industrielles depuis des siècles. La tourbe est une couche de mousse qui ne s'est pas complètement décomposée dans des conditions marécageuses et qui est extraite dans de nombreux pays du monde : Russie, Biélorussie, Canada, Suède, Indonésie et autres.

La tourbe, contenant 50 à 60 % de carbone, est considérée comme un matériau gazeux populaire. Cette matière première précieuse peut être utilisée non seulement comme combustible, mais aussi comme engrais ou isolant thermique.

Pour faciliter le processus de production, la biomasse est généralement traitée sur le site d'extraction. Le processus consiste à nettoyer (tamiser) les matières premières des inclusions étrangères, suivi du séchage et du moulage en briquettes ou en granulés.

Carburant issu de déchets agricoles

Dans la production agricole, en règle générale, un grand nombre de déchets végétaux divers s'accumulent : coques extérieures des plantes, coquilles de noix, paille.

Ces matières premières peuvent également être pressées et granulées, produisant des pellets de combustible dont les caractéristiques ne diffèrent pratiquement pas de celles des pellets fabriqués à partir de biomasse ligneuse.

Biocarburants d'origine animale

En plus du bois de chauffage, dans les temps anciens, les gens ont commencé à utiliser du combustible d'origine animale, à savoir du fumier séché d'animaux domestiques. Les technologies modernes de séchage et de traitement de ces matières premières permettent d'obtenir des variétés solides de biocarburants totalement dépourvues d'odeur désagréable.

Pendant longtemps, les peuples nomades ont utilisé le fumier séché des chevaux, des chameaux et du bétail comme combustible. Actuellement, le biocarburant est produit à partir de déchets d'animaux domestiques sous forme de briquettes ou de pellets.

Étant donné que les déjections animales sont actuellement accumulées à l'échelle industrielle, la production de combustible à partir de celles-ci résout simultanément le problème de leur élimination.

Type n°2 : liquide

Les biocarburants liquides, sûrs et respectueux de l’environnement, sont principalement utilisés pour remplacer l’essence et d’autres produits similaires.Les options les plus courantes comprennent le bioéthanol, le biométhanol, le biobutanol, le biodiesel et l'éther diméthylique.

Bioéthanol issu de cultures végétales

Il s’agit d’un biocarburant liquide couramment utilisé pour alimenter les voitures. Bien que la substance pure ne soit pas utilisée comme carburant, son ajout à l’essence contribue à améliorer les performances du moteur, à augmenter sa puissance, à contrôler l’échauffement du moteur et à réduire les émissions d’échappement.

De nombreuses stations-service en Europe, en Asie, en Amérique du Nord et du Sud proposent non seulement du carburant traditionnel, mais également divers types de biocarburant, principalement des mélanges contenant du bioéthanol.

Le bioéthanol était également apprécié des amateurs de cheminées. Cette substance a un bon transfert de chaleur, de plus, lorsqu'elle brûle, aucune suie ni fumée ne se forme et la quantité de dioxyde de carbone libérée est minimisée.

Grâce à ces caractéristiques, le combustible peut même être utilisé pour allumer des foyers dans des immeubles d'habitation. En savoir plus sur le biocarburant pour les cheminées dans Cet article.

Le bioéthanol est produit à partir de matières premières de première génération contenant de l'amidon ou du sucre. Les céréales, le maïs, la canne à sucre et les betteraves sont traités grâce à la technologie de fermentation alcoolique.

Biobutanol pour le ravitaillement des voitures

Le biobutanol est un analogue biologiquement dérivé du butanol. Liquide incolore à l'odeur caractéristique, il est largement utilisé comme matière première chimique dans l'industrie, et peut également être utilisé comme carburant de transport.

L'intensité énergétique du butanol est proche de celle de l'essence, ce qui permet de remplacer partiellement cette dernière dans les piles à combustible. Contrairement au bioéthanol, le biobutanol peut être utilisé indépendamment, sans ajout de carburants traditionnels.

Les matières premières pour la production de cette biosubstance sont des plantes très diverses : betteraves, manioc, blé, maïs.

Éther diméthylique (C₂H₆O)

C'est également un carburant respectueux de l'environnement. Lorsqu'il est brûlé, il n'y a pas de composés soufrés dans les gaz d'échappement et la teneur en composés azotés est inférieure de 90 % à celle lors de la combustion d'essence.

L'éther diméthylique peut être utilisé sans filtres spéciaux, mais des modifications fondamentales doivent être apportées à la conception de la voiture (système d'alimentation, allumage du moteur).

L'éther diméthylique est considéré comme une option prometteuse pour le carburant automobile. Des voitures équipées de moteurs conçus pour ce carburant sont développées par de grandes entreprises telles que Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Sans aucune modification, vous pouvez utiliser un carburant combiné contenant 30 % d'éther diméthylique dans les voitures équipées de moteurs GPL.

Le combustible liquide peut être produit à partir de diverses matières premières : gaz naturel, poussières de charbon, biomasse et surtout à partir de résidus de production de pâtes et papiers, qui sont transformés en liquide sous basse pression.

Biométhanol issu d'algues unicellulaires

Cette substance est un analogue du méthanol ordinaire, largement utilisé pour la production d'un certain nombre de composés chimiques (acide acétique, formaldéhyde), et est également utilisé comme antigel et solvant.

La question de la production de ce type de biocarburant a été soulevée pour la première fois dans les années 1980, lorsqu'un groupe de scientifiques a proposé de produire une substance liquide par transformation biochimique du phytoplancton marin, qui serait cultivé dans des réservoirs spéciaux.

Le biométhanol présente de nombreux avantages potentiels :

• haute efficacité énergétique — 14 pour la production de méthane, 7 pour la production de méthanol ;
• excellente productivité du phytoplancton — jusqu'à 100 tonnes par hectare et par an ;
• organismes unicellulaires peu exigeants, pour la culture duquel de l'eau douce et des sols fertiles ne sont pas nécessaires ;
• conservation des ressources agricoles, puisque le phytoplancton est cultivé dans des étangs ou des baies marines.

Bien que la production industrielle de biométhanol ne soit pas encore établie, des recherches et des développements technologiques persistants sont actuellement en cours pour développer la production de ce type de carburant alternatif.

Le biodiesel comme alternative au carburant de transport

Il s’agit d’un biocarburant liquide constitué d’un mélange d’esters d’acides gras. La substance est sans danger pour les personnes et les animaux, se décompose presque complètement dans le sol en 28 jours et présente également un point d'éclair relativement élevé (<100).

Le biodiesel réduit le pourcentage d'émissions de gaz nocifs et prolonge également la durée de vie du moteur, car il contient des composants lubrifiants.

Le carburant est utilisé pour ravitailler les moteurs des voitures, à la fois indépendamment et en combinaison avec du carburant conventionnel. Seule la courte durée de conservation de la substance biologique doit être prise en compte : au bout de trois mois, la substance biologique commence à se décomposer avec une perte totale de propriétés.

Pour le biodiesel, une norme spéciale EN14214 a été adoptée dans les pays de l'UE. Dans plusieurs pays, la norme EN590 est également en vigueur, autorisant l'ajout de 5 % de biodiesel aux autres carburants.

Type n°3 : gazeux

Les principaux types de combustibles biologiques gazeux comprennent le biogaz et le biohydrogène.

Le biogaz en remplacement du gaz naturel

Le biogaz est un analogue presque complet du gaz naturel : il contient 13 à 50 % de CO_2, 49-87% de méthane, ainsi que des impuretés H₂ et H₂S.Si cette substance est purifiée du dioxyde de carbone, du biométhane peut être obtenu.

Le biocarburant gazeux est produit à partir de la biomasse par fermentation d'hydrogène ou de méthane. Cette dernière est provoquée par trois types de micro-organismes : dans un premier temps, la matière première est exposée à des bactéries hydrolytiques, qui sont ensuite remplacées par des microbes acidogènes et générateurs de méthane.

La production de biogaz peut être réalisée à l'aide d'appareils industriels et artisanaux. La méthode de production la plus courante est la digestion aérobie dans des réservoirs de méthane.

Divers matériaux peuvent être utilisés comme matières premières : ensilage, fumier, algues, eaux usées, litières, résidus fécaux, déchets ménagers. La substance de départ est amenée à un état homogène, après quoi elle est placée dans le réacteur à l'aide d'un chargeur.

Là, une température confortable de +35-38°C est maintenue, nécessaire au processus de fermentation méthanique.

La matière première est constamment mélangée, tandis que le produit gazeux résultant est déchargé dans un gazomètre (unité de stockage), d'où il entre dans le générateur électrique.

Plus d'informations sur l'obtention de biogaz à partir du fumier et la mise en place d'une installation de biogaz sont écrites dans les articles :

1. Comment fabriquer du biocarburant de vos propres mains à partir de fumier à la maison
2. Installation de biogaz à faire soi-même pour une maison privée : recommandations pour l'appareil et exemple d'aménagement d'un produit fait maison

Biohydrogène obtenu par méthode chimique

Un type de biocarburant gazeux, analogue à l'hydrogène conventionnel, est obtenu à partir de la biomasse par des méthodes biochimiques ou thermochimiques.

Dans la méthode thermochimique, les matières premières préparées (par exemple les déchets de bois) sont chauffées à une température de 500 à 800 °C sans oxygène, ce qui libère des gaz H.₂,CO,CH₄.

La biophtolyse est une méthode prometteuse pour produire du biohydrogène. Dans ce cas, le gaz est produit à partir d'algues, qui sont placées dans l'eau de mer, les eaux usées

Grâce à la méthode biochimique, les matières premières sont conservées dans des conditions confortables, à une pression normale et à une température d'environ 30°C.

Des micro-organismes spéciaux Enterobacter cloacae et Rodobacter speriodes sont introduits dans la biomasse, qui décomposent le produit d'origine en libérant de l'hydrogène. Pour accélérer la production utilisant des polysaccharides, des enzymes peuvent être ajoutées.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Dans la vidéo ci-dessous, vous pouvez voir le processus de fabrication d'un type populaire de biocarburant : les briquettes de bois :

Les types de combustibles biologiques diffèrent non seulement par leur état d'agrégation, mais également par leurs caractéristiques. Lors du choix de tels matériaux, il est nécessaire de prendre en compte leur utilisation prévue, leur efficacité, leurs propriétés fonctionnelles et leur coût.

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