Dans un contexte de changement climatique marqué par l’intensification des phénomènes météorologiques et la dégradation progressive des écosystèmes, la question de l’énergie occupe une place centrale. Pour limiter son impact sur nos sociétés, il devient indispensable de réduire nos consommations, de substituer les énergies fossiles et de promouvoir des sources d’énergie renouvelables. Parmi les solutions envisagées, certaines technologies encore méconnues suscitent un intérêt croissant. C’est le cas de la gazéification de la biomasse, un procédé capable de transformer des résidus locaux en un gaz énergétique polyvalent. En valorisant des ressources souvent sous-exploitées, cette technologie offre non seulement une alternative aux combustibles fossiles, mais s’inscrit également dans une logique d’économie circulaire, car elle offre une voie de valorisation pour des résidus locaux qui seraient autrement incinérés ou enfouis. Explorer son fonctionnement et ses applications permet de mieux comprendre son rôle dans la transition énergétique.

La biomasse : le pilier méconnu de la transition

Face à la nécessité de diversifier nos sources d’énergie, la biomasse apparait comme une ressource stratégique : renouvelable, largement disponible et issue de matières organiques, elle représente une alternative crédible aux combustibles fossiles pour répondre à une demande énergétique en constante augmentation.

La biomasse désigne l’ensemble des matières organiques non fossilises et biodégradables : résidus agricoles (paille, coque, tiges), déchets forestières (branches, sciures), sous-produits de l’industrie du bois, ou encore fractions organiques de certains déchets. Autrement dit, il s’agit de ressources déjà présentes sur nos territoires, souvent considérées comme des déchets. Bien que son utilisation doive être encadrée pour garantir sa durabilité, la biomasse est considérée comme une source d’énergie à faible impact climatique car elle n’augmente pas les émissions totales de CO₂ de la terre (le carbone libéré lors de sa transformation correspond au CO₂ précédemment capté par les plantes au cours de leur croissance) et est considérée ainsi neutre en gaz à effet de serre.

La gazéification : transformer les résidus en gaz énergétique

La gazéification est un procédé de valorisation thermochimique qui permet de transformer des matières solides riches en carbone en un gaz combustible à haute valeur énergétique. Pour comprendre le principe, on peut la comparer à un feu de bois mais contrôlé de manière très différente : dans une combustion classique on apporte beaucoup d’air et le combustible brûle complétement pour produire de la chaleur, des cendres et de la fumée. Dans la gazéification, en revanche, la matière est chauffée à haute température dans un environnement ou le débit d’air est soigneusement contrôlé. Cela change tout : avec moins d’air, la matière ne brûle pas directement mais elle se décompose d’une manière bien plus intéressante, déclenchant une série de réactions chimiques. Le résultat est un gaz synthétique riche en énergie, appelé syngaz.

Ce gaz composé majoritairement de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H₂) peut ensuite être utilisé pour un usage direct dans la production de chaleur ou d’électricité, ou comme intermédiaire pour la synthèse de biocarburants et de molécules d’intérêt, telles que le méthane, qui est un gaz facilement transportable et stockable, ou l’hydrogène, qui ne rejette pas de CO₂ par sa consommation.

Prédire la composition et l’énergie potentielle du syngaz pour accélérer la transition

Si la gazéification présente un potentiel prometteur, son déploiement industriel présente plusieurs obstacles. Le principal défi tient à la variabilité des ressources utilisés car la composition du syngaz produit dépend fortement des caractéristiques des matières premières (taux d’humidité, teneurs en carbone, hydrogène, oxygène, cendres, etc.), ainsi que des conditions opératoires (type de réacteur, température, débit d’air, etc.).

Aujourd’hui, évaluer à l’avance la qualité du syngaz produit et ses possibles voies de valorisation, nécessite des essais expérimentaux lourds, longs et coûteux. Cette contrainte freine les études de faisabilité et limite l’exploration de nouvelles ressources. De même, les fournisseurs de technologie, restent prudents face à des ressources locales atypiques, pourtant disponibles en grande quantité. 

Ces obstacles sont à la fois techniques, économiques et scientifiques. D’un côté il s’agit de limiter les risques liés à la valorisation de nouvelles matières premières afin de faciliter la prise de décision, d’orienter au mieux les différentes voies de valorisation et ainsi accélérer le déploiement de cette source d'énergie renouvelable. De l’autre, il reste nécessaire de mieux comprendre les mécanismes de transformation de la biomasse et d’anticiper, de manière fiable, la composition du syngaz produit en fonctions des différents paramètres.

C’est dans cette perspective qui s’inscrit l’objectif de ma thèse : développer un outil de modélisation à la fois rapide, robuste et suffisamment précis pour estimer, dès les premières phases d’étude, la composition du syngaz issu de la gazéification et son potentiel énergétique, et ce pour différents types de ressources.

Prenons un exemple concret : imaginez un agriculteur dans son champ de lavande. Après avoir récolté et transformé sa lavande pour produire de l’huile essentielle, il se retrouve avec des tonnes de paille de lavande inutilisée. Pour lui ce résidu n’ayant aucun intérêt, il s’apprête à le brûler. Pourtant, ce qui finirait en fumée représente à mes yeux une ressource énergétique inexploitée.

Grâce à l’outil que je développe, nous pourrions déterminer la viabilité de cette ressource à partir des variables d’entrée (propriétés de la biomasse et conditions opératoires). L’outil pourrait prédire précisément ce que l’on peut obtenir et pour quelles applications : cette paille, autrefois sans valeur, pourrait ainsi servir à chauffer ses serres ou à alimenter l’exploitation en électricité si valorisée par cogénération. Mieux encore, en revendant l’énergie produite, il pourrait transformer une charge en revenu. Ce qui hier était un déchet inutile pourrait devenir aujourd’hui une ressource pour son exploitation, faisant de lui un agriculteur acteur de l’économie circulaire.

De la même manière, un tel outil pourrait répondre aux besoins d’autres agriculteurs ou d’industriels à la recherche des solutions pour valoriser différents types de résidus.

Rédigé par Silvia Pena Meneses, doctorante en 3^ème année au Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTEN) à Polytech Nantes et en collaboration avec l’Icam. Cette thèse a été cofinancée par la Région Pays de la Loire et le bureau d’études S3d Ingénierie.