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De la biomasse à la bioéconomie : une stratégie pour la France

10 février 2016 : De la biomasse à la bioéconomie : une stratégie pour la France ( rapport de l'opecst )

PREMIÈRE PARTIE : LES USAGES DE LA BIOMASSE

I. LA BIOMASSE : DES USAGES APPELÉS À JOUER UN RÔLE CLEF DANS LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE

La biomasse est appelée à jouer un rôle important dans la transition énergétique, même si elle n'est pas toujours identifiée comme telle par le grand public, qui assimile généralement les énergies renouvelables aux seules énergies éolienne et solaire, c'est-à-dire aux énergies intermittentes.

La biomasse présente des caractéristiques intéressantes dans la perspective de cette transition. D'une part, elle constitue une énergie renouvelable dont la disponibilité est réputée permanente, contrairement à celle des énergies intermittentes. Cependant, cette caractéristique ne doit pas être exagérée car la quantité de biomasse disponible sur un territoire donné est plafonnée du fait d'un certain nombre de contraintes naturelles ou d'usage.

D'autre part, les ressources en biomasse sont susceptibles, à certaines conditions (pour la biomasse sèche : le bois, la paille...), d'être stockées.

Enfin, le recours à la biomasse-énergie est vu comme un facteur de réduction des émissions de gaz à effet de serre, quoique dans des proportions variables et controversées, en fonction de l'analyse du cycle de vie de chaque production énergétique.

L'étude de faisabilité a visé tout d'abord à recenser les enjeux aujourd'hui associés au développement de différents usages de la biomasse comme source d'énergie.

Elle a examiné, ensuite, l'opportunité d'inscrire la réflexion sur le développement des usages de la biomasse dans le cadre plus global du développement des produits biosourcés. En effet, les usages énergétiques de la biomasse ne sont pas complètement dissociables de ses autres usages, notamment la production de matériaux.

Il ressort des très nombreux travaux existants le caractère encore assez exploratoire en France d'un domaine d'activité qui, tout en faisant l'objet d'engagements, suscite des espérances à confirmer mais aussi des controverses.

Tenter de les concilier pourrait être un objectif en soi à l'heure où la France adopte un projet de loi sur la transition énergétique et accueille la conférence sur les changements climatiques. L'OPECST a souhaité participer pleinement à ce processus et votre rapporteur lui a recommandé d'organiser une audition publique consacrée aux contributions de la biomasse et à ses perspectives.

La biomasse n'est pas une source d'énergie nouvelle. Le bois est utilisé comme combustible depuis des millénaires. Jusqu'au dix-huitième siècle, il a constitué la seule source d'énergie calorifique, servant à produire le charbon de bois utilisé pour le chauffage des métaux, avant la généralisation de l'emploi de la houille.

À l'heure où des alternatives aux énergies fossiles sont recherchées, la biomasse est à nouveau considérée comme une source d'énergie d'avenir. Le développement de la recherche dans le domaine des biotechnologies permet d'envisager des usages nouveaux et diversifiés, bien loin du seul retour à une technologie ancienne.

Étant donné la diversité des ressources naturelles disponibles en France, le recours à la biomasse est un atout dans la transition énergétique : cet atout peut être mis à profit, à court terme, pour les filières déjà matures, et, à plus long terme, pour les filières émergentes.

A. RESSOURCES ET USAGES DE LA BIOMASSE

La biomasse est produite par les organismes vivants : plantes, animaux, insectes, micro-organismes.... Ses ressources sont très diverses, de même que ses usages, qui touchent à de nombreux secteurs économiques.

1. Les ressources issues de la biomasse

Il paraît utile d'énumérer rapidement les principales ressources offertes par la biomasse, à partir de la définition commune de cette notion.

a) La définition de la biomasse

La biomasse se caractérise par son origine vivante. Elle désigne l'ensemble de la matière organique végétale ou animale issue de la forêt, de l'agriculture, de la pêche et de l'aquaculture, ainsi que des industries connexes, et la fraction biodégradable des déchets industriels ou ménagers.

La biomasse est, par conséquent, produite :

- soit directement dans la nature, dans le cas des végétaux et animaux ;

- soit indirectement, dans le cas des résidus issus de matière vivante, c'est à dire des déchets animaux et végétaux issus des activités humaines. Dans le cas des déchets, seule la fraction fermentescible de ces déchets est assimilée à de la biomasse.

HYDROCARBURES ET BIOMASSE

Les hydrocarbures sont, eux aussi, issus de la biomasse accumulée et transformée dans le sous-sol mais ils ne sont pas considérés comme de la biomasse car leur usage n'est pas renouvelable, du moins à l'échelle de la vie humaine.

Leur combustion produit du CO2 supplémentaire, qui vient accroître la concentration de ce gaz dans l'atmosphère, tandis que la combustion de la biomasse ne fait que relâcher le CO2 préalablement assimilé par les plantes, lors de la photosynthèse.

On distingue par ailleurs la biomasse sèche (végétaux récoltés) de la biomasse humide (déchets, effluents d'élevage...), dont les usages diffèrent.

La biomasse est définie, en France, par l'article 19 de la loi n° 2009-967 de programmation relative à la mise en oeuvre du Grenelle de l'environnement :

« La biomasse est la fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l'agriculture, y compris les substances végétales et animales issues de la terre et de la mer, de la sylviculture et des industries connexes, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers »

Cette définition s'inspire de celle donnée dans la directive 2001/77/CE du Parlement européen et du Conseil du 27 septembre 2001 relative à la promotion de l'électricité produite à partir de sources d'énergie renouvelables sur le marché intérieur de l'électricité1(*), qui constitue un référentiel pour la réglementation ultérieure.

Dans le cas des végétaux, la biomasse est issue de la photosynthèse, processus par lequel des composés organiques (glucides) sont synthétisés, grâce à l'énergie issue de la lumière du soleil, qui permet d'oxyder l'eau et de réduire le gaz carbonique2(*). La biomasse assure donc une fonction de stockage de l'énergie solaire. Le rendement énergétique de ce processus est toutefois faible, de l'ordre de 3 % à 6 % selon les plantes. Ces rendements sont minimes comparés à ceux de l'utilisation directe de l'énergie solaire (20 % à 30 %).

Le caractère renouvelable de la ressource biomasse suppose que la plante repousse après avoir été prélevée, c'est-à-dire que son stock soit géré de façon durable, sans décroître avec le temps, le stock de carbone demeurant, ainsi, au moins stable.

b) Les ressources mobilisables

Les principales ressources de la biomasse, mobilisables pour un usage énergétique, sont énumérées ci-après.

Il s'agit soit de ressources affectées à la production d'énergie, soit de coproduits et déchets issus d'autres activités, dont la filière énergétique permet ainsi la valorisation.

(1) Les produits agricoles

Il s'agit des plantes issues de cultures susceptibles de déboucher sur une production énergétique, notamment des plantes servant à produire les biocarburants de première génération :

- la betterave, la canne à sucre (riches en sucres), le blé, le maïs (riches en amidon), sont utilisés pour produire de l'éthanol (bioéthanol), qui est un alcool produit par fermentation, substituable à l'essence ;

- le colza, le tournesol, le soja, le palme, l'arachide sont employés pour produire de l'huile, qui permet d'obtenir des esters dont le biodiesel, substituable au gazole.

Pour une surface agricole donnée, ces cultures sont en concurrence avec les cultures alimentaires ; par ailleurs, elles nécessitent un apport spécifique d'eau - ce qui est un facteur parfois très limitant -, de produits phytosanitaires, et la consommation d'une certaine quantité d'énergie, d'origine souvent fossile.

Ces aspects doivent être pris en compte pour l'analyse du bilan de la production énergétique considérée.

(2) Les ressources halieutiques

Il s'agit notamment des algues, et des micro-algues, dont la productivité, en termes de matière sèche produite par hectare et par an, est bien supérieure à celle des plantes terrestres.

Les micro-algues font l'objet de recherches en vue de la production de biocarburants de troisième génération. Leur coût de production élevé demeure toutefois un obstacle.

(3) Le bois des forêts

La forêt couvre près de 30 % de la surface de la France métropolitaine. Elle croît régulièrement depuis un siècle. L'État possède 10 % de cette forêt (forêt domaniale), les collectivités locales 15 % et les propriétaires privés, qui sont au nombre de 3,5 millions, 75 %. La surface moyenne de la forêt privée est de 3,3 hectares.

La forêt joue un rôle de puits de carbone. Cette capacité de stockage, forte en phase de croissance, décroît ensuite au cours de la vie du végétal.

Chaque année, la forêt française produit 100 millions de m3 de bois, dont seulement 60 % sont récoltés.

La ressource forestière offre donc a priori un potentiel important quoique difficile à mobiliser.

Les taillis à courte rotation (TCR), de sept à neuf années, voire à très courte rotation (deux à quatre années), peuvent être consacrés à la production d'énergie.

(4) Les coproduits et résidus agricoles 

Les coproduits, dérivés d'une autre activité agricole, sont donc complémentaires plutôt que concurrents des produits alimentaires. Ils ne nécessitent pas d'apports spécifiques en eau et produits phytosanitaires, en dehors des apports nécessaires à la culture principale.

Ces résidus sont des pailles issues de diverses cultures, ou encore des adventices (mauvaises herbes).

Un exemple connu d'usage de ces résidus est celui de la bagasse, qui est un résidu fibreux issu du broyage de la canne à sucre, utilisé notamment au Brésil et à la Réunion pour produire de l'électricité.

Le prélèvement de ces résidus n'est néanmoins pas neutre d'un point de vue environnemental. En effet, il empêche le retour au sol des composés organiques qui les constituent. Or ces composés organiques sont essentiels au maintien de la qualité et de la viabilité des sols.

De façon générale, un équilibre doit être trouvé entre le prélèvement de la biomasse et sa restitution aux sols.

(5) Les déchets de bois

L'usage énergétique du bois ne peut être considéré indépendamment de ses autres usages : bois d'oeuvre (utilisé dans la construction), bois matériau (mobilier, papeterie), dans le cadre d'une politique de structuration de la filière bois.

Cette filière représente, au total, 425 000 emplois.

L'utilisation du bois comme matériau de construction doit être privilégiée car elle permet de stocker le carbone et de créer une valeur ajoutée supérieure à celle du bois-énergie.

La filière bois-énergie ne peut se structurer qu'autour d'une filière bois-matériau forte, permettant de minimiser les importations de déchets de bois, dont le bilan écologique est contestable.

En outre, ne peuvent être considérés comme constitutifs de biomasse les déchets (bois) qui auraient été traités par des produits chimiques toxiques.

Le bois-énergie est la première source d'énergie renouvelable en France.

(6) Les autres déchets fermentescibles

Divers déchets industriels et ménagers peuvent être utilisés, ainsi que les boues des stations d'épuration. Là aussi, des problèmes sanitaires peuvent se poser liés à la pollution de ces boues ou des déchets.

2. Les usages de la biomasse

L'exploitation des ressources issues de la biomasse implique différentes filières industrielles, correspondant à autant de technologies de conversion de la biomasse : chaleur, électricité, biocarburants, biomatériaux...

a) Les usages de la biomasse au niveau mondial

La quantification des usages de la biomasse fait l'objet d'évaluations parfois contrastées. D'un point de vue qualitatif, on peut avec une certaine assurance indiquer qu'elle ne représente encore qu'une faible proportion des usages non alimentaires avec, toutefois, une place relative qui dépend du niveau de développement mais aussi de considérations locales.

Au niveau mondial, selon certaines estimations, la biomasse, c'est-à-dire ce qui est collecté de la production végétale, représente 5 GTep3(*).

Cette biomasse est utilisée de la façon suivante4(*) :

-   745 MTep (15 %) pour l'alimentation humaine ;

- 1 680 MTep (34 %) pour l'énergie (principalement le bois de chauffage) ;

- 1 633 MTep (33 %) de « pertes » essentiellement dues à l'alimentation animale (conversion en énergie métabolique) ;

- 1 000 MTep (20 %) employés par l'industrie (matériau...).

L'alimentation humaine est donc, quantitativement, une utilisation minoritaire de la biomasse, et même la moins importante si l'on ne compte pas les pertes animales.

b) Les usages non alimentaires de la biomasse

Les usages non alimentaires de la biomasse sont divers, faisant jusqu'à présent coexister des concepts et des dynamiques économiques étrangers les uns aux autres. Les paramètres affectant la compétitivité des différentes filières sont multiples.

Ces filières sont les suivantes : intrants agricoles, biomatériaux et bioproduits, biocarburants, production de chaleur et d'électricité.

ORIGINES ET USAGES : LES FILIÈRES DE LA BIOMASSE NON ALIMENTAIRE

 

Amendements engrais

organiques

Biomatériaux

Bioproduits

Biocarburants

Chaleur électricité

Biodéchets et effluents organiques (humides)

Épandage et biofertilisants

(néant)

Biométhane carburant

- méthanisation

- incinération

- gazéification

Sous produits lignocellulosiques

Mulching

- pâte à papier

- panneaux

- bois reconstitués

- polymères fibreux

2ème génération

(thermochimique ou enzymatique - 2020)

- bois /paille énergie

- réseaux de chaleur

- cogénération

Cultures agricoles conventionnelles

Enfouissement

- chimie du végétal

- biopolymères et biocomposites

1ère génération (EMHV - éthanol)

(néant en principe)

Forêts conventionnelles

(néant sauf via les cendres)

Filière bois -panneaux - papier

2ème génération

(sous-produits et rémanents)

- bois énergie

- réseaux de chaleur

- cogénération

(sous-produits et rémanents)

Cultures à plantations « à cellulose »

(néant sauf via les cendres et digestats)

Filière panneaux - papier

2ème génération

- bois énergie

- réseaux de chaleur

- cogénération

Source : rapport précité sur « Les usages non alimentaires de la biomasse »

La biomasse représente, en particulier, 10 % de la consommation d'énergie primaire de l'humanité.

c) Les technologies de la biomasse énergie

La biomasse est convertible en énergie par différents procédés : combustion, fermentation, procédé Fischer-Tropsch...

(1) La production de chaleur

Le bois-énergie représente 80 % de la chaleur renouvelable. La production de chaleur constitue le débouché principal du bois-énergie, le bois étant utilisé sous diverses formes (bûche, briquette, plaquette, granulé).

Les ménages sont les principaux consommateurs de cette chaleur.

En 2012, 7,5 millions de ménages utilisaient un appareil de chauffage au bois, contre 6 millions en 2000. Malgré cette augmentation de l'utilisation du bois-énergie, la consommation de bois est demeurée stable, grâce à la mise sur le marché d'appareils de plus en plus efficients.

Les équipements de chauffage domestique au bois (poêle, foyer fermé, insert, cuisinière utilisée pour le chauffage, chaudière), lorsqu'ils répondent à un certain nombre de critères, correspondant à ceux du label « flamme verte », sont éligibles au crédit d'impôt développement durable, destiné à soutenir la modernisation du parc. Par ailleurs, un taux réduit de TVA (5,5 %) est également susceptible de s'appliquer, ainsi que d'autres aides (éco-prêt à taux zéro, Agence nationale de l'habitat, aides locales).

LE LABEL « FLAMME VERTE »

Créé en 2000, le label « flamme verte » vise à susciter un renouvellement du parc d'équipements de chauffage au bois.

Les critères à remplir pour l'obtention de ce label sont les suivants :

- un rendement élevé : les appareils « flamme verte » doivent posséder un rendement d'au moins 70 % (alors que le rendement d'une cheminée ouverte classique est de l'ordre de 10 % à 15 %) ;

- peu d'émissions nocives pour l'environnement : les appareils « flamme verte » sont conçus de manière à rejeter moins de 0,3 % de CO dans les fumées de combustion (à 13 % d'O2) ;

- un indice de performance environnementale ambitieux intégrant les rejets de particules depuis le 1er janvier 2011 ;

- des appareils conformes aux normes de sécurité françaises et européennes.

Le label vise une amélioration continue : rendement, rejets de CO, diminution des poussières font l'objet d'une révision régulière dans le sens d'une protection toujours accrue de l'environnement.

Le principal inconvénient du bois-énergie est la pollution de l'air qu'il engendre, dans des proportions qui dépendent de la qualité et de l'humidité du bois employé. Divers labels de certification du bois permettent de contrôler le combustible.

Par ailleurs, le développement du bois-énergie doit tenir compte des autres usages du bois. En effet, la production de chaleur ne doit pas venir concurrencer des filières à plus haute valeur ajoutée (bois d'oeuvre, bois matériau), comme c'est le cas aussi, ci-après, pour la production d'électricité.

(2) La production d'électricité

Le bois sous forme de granulés est utilisable dans les centrales électriques en remplacement de tout ou partie du charbon, sans nécessiter de modifications importantes, éventuellement en cogénération.

Un exemple, contesté, en est le projet de reconversion d'une unité de la centrale à charbon EON de Gardanne. Alors que le projet initial prévoyait l'importation, tout au long de la durée de vie du projet (vingt ans), de granulés, EON a, par la suite, prévu de faire cesser les importations au bout de dix ans, en 2025, au profit de biomasse d'origine locale. Il a également été choisi de s'orienter vers une importation de plaquettes forestières plutôt que de granulés, plus facilement substituables ensuite par de la ressource locale. Au démarrage de la centrale, deux tiers des plaquettes seront d'origine locale, le tiers restant étant importé principalement d'Europe et d'Amérique du Nord.

Outre les importations de bois, dont le bilan écologique est problématique, c'est la structuration de l'approvisionnement local en bois qui constitue un frein au développement de ce type de projet. L'acheminement de la ressource nécessite de lourds investissements. Les autres usagers du bois craignent la concurrence qu'ils devront subir pour l'accès à la ressource, la production forestière n'étant pas rapidement modulable en fonction des besoins.

(3) La méthanisation

La méthanisation est un processus de digestion anaérobie de la biomasse par des micro-organismes (400 à 500 espèces différentes), produisant du biogaz qui, après purification, est susceptible d'être injecté sur le réseau gazier, à condition d'être préalablement épuré, ou de produire de l'électricité.

La méthanisation produit également un digestat, susceptible, à certaines conditions relatives à son innocuité, d'être utilisé comme fertilisant.

Cette technologie, qui permet la valorisation de déchets et concourt donc à la mise en place d'une « économie circulaire », fait l'objet d'un soutien public dans le cadre du « plan Énergie Méthanisation Autonomie Azote » depuis 2013. L'objectif initial de ce plan était que la France compte 1 000 méthaniseurs à la ferme en 2020. En juillet 2014, la ministre de l'écologie, du développement durable et de l'énergie a annoncé vouloir accélérer la mise en oeuvre de ce plan pour parvenir à lancer 1 500 projets de méthanisation en trois ans.

Il existe actuellement en France 410 sites de méthanisation, dont six permettant l'injection de biométhane dans le réseau de distribution gazier.

Le développement de la méthanisation en France reste embryonnaire, en comparaison de ce qu'il est en Allemagne, où près de 8 000 unités de méthanisation ont été installées en une décennie, dont 144 sont raccordées au réseau.

Toutefois, d'après les projections de l'ADEME, le réseau gazier français pourrait comporter 10 % de gaz renouvelable avant 2030 ; il serait produit par 1 400 installations avec injection dans le réseau. À terme, le biométhane pourrait représenter 40 % de la consommation actuelle de gaz naturel.

(4) La production de biocarburants

Les biocarburants sont produits à partir des sucres (par fermentation) ou des lipides (par « transestérification ») présents dans les plantes. Ils font l'objet de recherches en vue d'une deuxième et d'une troisième génération de biocarburants, pour le moment émergents.

Seuls les biocarburants de première génération ont atteint le stade industriel. La France a atteint un taux d'incorporation de 7 %, essentiellement grâce à sa production de biodiesel.

Les biocarburants représentent 3,1 % de la consommation mondiale d'énergie dans le secteur routier.

Il s'agit d'éthanol, à hauteur de 75 % de la consommation de biocarburants dans le monde (mais de seulement 15 % de la consommation en France). L'éthanol est produit à partir de la fermentation du sucre ou de l'amidon contenu dans la betterave, la canne à sucre et dans certaines céréales. Le bioéthanol est incorporable dans les moteurs à essence. À partir d'éthanol, on peut aussi produire de l'ETBE5(*).

Le biodiesel représente 25 % de la consommation de biocarburants dans le monde (85 % en France). Il est produit à partir d'huiles végétales (colza, soja, palme...) et est utilisable dans les moteurs diesel.

Les biocarburants de deuxième génération sont en phase de décollage industriel. Ils utilisent la biomasse lignocellulosique (bois, paille...), c'est-à-dire, contrairement aux biocarburants de première génération, une ressource qui n'entre pas en concurrence avec la production alimentaire.

La première unité commerciale de biocarburants de deuxième génération a démarré en Italie en 2013 (usine Beta Renewables de Crescentino).

Le développement de la deuxième génération est clef pour atteindre l'objectif communautaire de 10 % d'énergies renouvelables dans les transports à l'horizon 2020, dans la mesure où le développement de la production des filières de première génération est aujourd'hui limité.

En France, selon certains diagnostics, aller au-delà du taux d'incorporation actuel de 7 % ferait courir des risques en termes de concurrence avec l'alimentaire et d'émissions de gaz à effet de serre. C'est pourquoi il a été décidé, à la fin de l'année 2012, de limiter le taux d'incorporation des biocarburants de première génération à 7 %, seule l'émergence des biocarburants de deuxième génération étant, par conséquent, susceptible de permettre d'atteindre l'objectif de 10 %. Cette position permet de préserver les investissements réalisés.

Les biocarburants de deuxième génération sont produits à partir de divers procédés, évoqués ci-après (II).

Quant aux biocarburants de troisième génération, ils tirent parti de la biomasse algale, c'est-à-dire de micro-algues lipidiques ou d'autres algues, riches en cellulose, dont la productivité serait intéressante en raison de leur croissance rapide. La capacité d'un passage au stade industriel n'est pas démontrée pour le moment. Le bilan énergétique et le coût de cette production constituent des freins à son développement.


* 1 La définition de la biomasse figurant dans ladite directive est la suivante : « la fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l'agriculture (comprenant les substances végétales et animales), de la sylviculture et des industries connexes, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux ».

* 2 Il faut six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau pour synthétiser une molécule de glucose, relâchant six molécules de dioxygène, grâce à l'énergie lumineuse soit : 6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse ? C6H12O6 (glucose) + 6 O2

* 3 Tonne d'équivalent pétrole

* 4 Source : Rapport de mission établi à la demande des ministères chargés de l'écologie, de l'agriculture et du redressement productif « Les usages non alimentaires de la biomasse, tome 1 » (septembre 2012).

* 5 Éthyl-tertio-butyl-éther (ETBE) obtenu à partir de l'éthanol par réaction avec l'isobutène d'origine pétrolière.