La biomasse est le terme utilisé pour décrire le poids ou la quantité totale d’organismes vivants dans une zone ou un écosystème donné à un moment donné. La biomasse peut varier en fonction de l’espèce, de la communauté ou de l’habitat.
La biomasse est considérée comme une source d’énergie durable et renouvelable parce qu’elle peut être reconstituée rapidement et qu’elle peut absorber le dioxyde de carbone et libérer de l’oxygène au cours de son cycle de croissance. Elle se compose de divers matériaux organiques tels que le bois, les résidus végétaux, les déchets animaux et les déchets municipaux, qui peuvent être utilisés pour produire de l’énergie.
La biomasse est un élément essentiel de la réduction des émissions de carbone et de l’atténuation du changement climatique, car elle offre une alternative viable aux combustibles fossiles.
La biomasse est en grande partie composée de cellulose, d’hémicellulose et de lignine, qui sont les principaux éléments des parois cellulaires des plantes.
La cellulose, un polymère à base de glucose, est le principal composant de la paroi cellulaire, tandis que l’hémicellulose contient des sucres tels que les xylanes. La lignine est un polymère complexe composé d’alcools déshydratés.
La biomasse contient également des sucres qui se dissolvent dans l’eau, des acides aminés, des acides aliphatiques et d’autres composés. La composition de la biomasse dépend de la teneur en paramètres tels que l’humidité, les cendres, le carbone, l’azote et le soufre, qui ont une incidence sur sa valeur énergétique, son efficacité de combustion et son impact sur l’environnement.
Les biocarburants sont des carburants produits à partir de la biomasse, qui est un mélange de plantes et d’animaux provenant de sources renouvelables. L’éthanol et le biodiesel sont deux grandes catégories de biocarburants.
La production de biocarburants fait appel à de multiples processus, notamment la déconstruction, la fermentation et la conversion. La déconstruction consiste à briser la structure rigide de la paroi cellulaire des plantes, qui est constituée de molécules biologiques telles que la cellulose, l’hémicellulose et la lignine.
La fermentation consiste à métaboliser les sucres végétaux par des micro-organismes et à produire de l’éthanol principalement à partir de cultures telles que le maïs, la canne à sucre et le maïs, tandis que le biodiesel est fabriqué à partir d’huiles végétales telles que l’huile de soja et l’huile de canola.
Les biocarburants sont une alternative renouvelable aux combustibles fossiles dans les transports et la production d’électricité. La biomasse peut être convertie en combustibles liquides ou gazeux par des procédés de pyrolyse, de gazéification et de liquéfaction hydrothermale.
La bioénergie peut également être produite en brûlant ou en échangeant de la biomasse sèche ou du biogaz capturé par digestion anaérobie contrôlée. Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, la combustion du charbon consiste à brûler de la biomasse avec des combustibles fossiles.
L’homme utilise la bioénergie depuis des millénaires, depuis qu’il a commencé à brûler des matières végétales ou animales pour alimenter ses feux de cuisson.
L’énergie de la biomasse devient de plus en plus populaire et constitue une alternative renouvelable aux combustibles fossiles, et la technologie progresse rapidement.
Les chercheurs étudient les technologies de production de biocarburants qui utilisent les déchets pour générer des biocarburants avancés.
Analyse thermogravimétrique (ATG) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sont deux techniques d’analyse thermique qui peuvent être utilisées pour examiner la stabilité thermique de la biomasse.
La stabilité thermique et le comportement de décomposition du matériau sont déterminés en mesurant la perte de poids ou le flux de chaleur d’un échantillon de biomasse en fonction de la température à l’aide de ces méthodes.
Le processus de décomposition thermique peut être identifié par la courbe TGA, qui comprend la décomposition de l’humidité, la décomposition de la cellulose et de l’hémicellulose et la décomposition de la lignine.
Le comportement de dégradation thermique et les caractéristiques cinétiques chimiques de différents échantillons de biomasse, tels que les feuilles de palmier, les feuilles d’olivier et la paille de blé, peuvent être étudiés à l’aide de l’ATG.
La stabilité thermique de la biomasse est influencée par des facteurs tels que la vitesse de chauffage, le type et la taille de l’échantillon, l’environnement expérimental et le débit de gaz.
Des taux de chauffage rapides sont un bon moyen d’amener les réactions à des températures plus élevées, tandis que l’augmentation du taux de chauffage et du débit de gaz peut accélérer la décomposition thermique et la perte de poids de l’échantillon.
En résumé, les techniques d’analyse thermique telles que l’ATG et la DSC sont utilisées pour étudier le comportement thermique, la cinétique et la distribution des produits pendant la combustion ou la dégradation des matériaux de la biomasse, ce qui permet de mieux comprendre le comportement de la biomasse dans différentes conditions.
Ces techniques sont essentielles pour optimiser les processus de production d’énergie et comprendre les caractéristiques de la biomasse pour diverses applications.
L’analyse thermique peut également être très utile pour la caractérisation de la biomasse.
La TGA (thermogravimétrie) enregistre le changement de masse, la DSC (calorimétrie à balayage différentiel) mesure le flux de chaleur et l enthalpie TMA (analyse thermomécanique) mesure le changement de dimension, les déformations, la pénétration, la flexion, la dilatométrie enregistre le changement de dimension/volume, EGA (analyse des gaz évolués) donne des informations précieuses sur les produits gazeux libérés au cours du processus de chauffage.
Toutes les mesures sont enregistrées en fonction de la température dans des conditions contrôlées (température, pression, débit de gaz, présence d’oxygène).
Les méthodes ci-dessus peuvent être combinées (TGA-DSC-EGA).
Les procédures d’essai standard ont été décrites dans l’ASTM:
- ASTM D2584 – Perte à l’allumage des résines renforcées polymérisées
- ASTM E1131 -Analyse de composition par thermogravimétrie
- ASTM E1641 – Cinétique de décomposition par thermogravimétrie selon la méthode Ozawa/Flynn/Wall
- ASTM E2008 – Taux de volatilité par thermogravimétrie
La thermogravimétrie permet de classer les changements chimiques dans l’échantillon, sur la base du signal TG (désorption, craquage en une ou plusieurs étapes, réactions uniques ou multiples). Plusieurs facteurs influencent les courbes TG : la vitesse de chauffage (cinétique de décomposition, rapport des produits de pyrolyse), la taille de l’échantillon (vitesse de réaction, vitesse de diffusion, distribution de la température), l’atmosphère (rapport des produits de décomposition), la pression ou le débit de gaz (rapport des produits de décomposition, vitesse de réaction).
La thermogravimétrie peut être un outil d’investigation de la stabilité thermique (études de décomposition), de la stabilité oxydative (durée de stockage) et de l’analyse de la composition.
Une application particulière de la thermo-balance est une expérience de gazéification du charbon ou de la biomasse où des échantillons contenant du carbone subissent une réaction (avec ou sans rampe de pression) dans de la vapeur d’eau chaude pour former du CO et du CO2 à partir du carbone lié. Cette configuration est une expérience à petite échelle de grands processus de réacteurs qui sont couramment utilisés pour la conversion de la biomasse et qui peuvent donc être facilement optimisés.
La DSC peut être considérée comme une méthode utile pour l’analyse de la biomasse afin de caractériser le flux de chaleur et la capacité thermique dans le processus de pyrolyse et de combustion. La courbe DSC indique la voie de réaction de la biomasse. La DSC permet d’évaluer l’effet de l’évaporation sur la déviation de la température de l’échantillon par rapport à la température du gaz de chauffage et l’énergie d’adsorption sur la surface de l’échantillon. Elle donne des informations sur la nature endothermique/exothermique des processus, contribuant ainsi de manière significative à l’interprétation des changements de poids détectés par les courbes TG. Les courbes DSC peuvent également être utilisées comme caractéristiques discriminantes (par exemple pour la lignine/hémicellulose).
Citations :
- Ahmed I. Osman, Neha Mehta, Ahmed M. Elgarahy, Amer Al-Hinai, Ala’a H. Al-Muhtaseb & David W. Rooney : Conversion of biomass to biofuels and life cycle assessment : a review Volume 19, pages 4075-4118, 23rd July 2021.
- Sangita Mahapatra, Dilip Kumar, Brajesh Singh, Pravin Kumar Sachan : Les biocarburants et leurs sources de production : A review on cleaner sustainable alternative against conventional fuel, in the framework of the food and energy nexus Energy Nexus Volume 4, 30th December 2021, 100036.
- Dr. Sunita Barot : Biomasse et bioénergie : Ressources, conversion et application – Chapitre 9 : Énergies renouvelables pour une croissance durable Évaluation, 25 février 2022.
