204 - La biomasse forestière, de la bioénergie à la bioéconomie : rêver vert

La conjoncture économique, environnementale et énergétique incite notre société et ses industries à entreprendre un virage vert et à réduire sa dépendance aux ressources fossiles. Une des voies privilégiées porte sur la fabrication et l'utilisation d'énergie, de matériaux et de produits issus de la biomasse. L'utilisation durable de la biomasse est non seulement porteuse sur le plan économique et environnemental, mais aussi sur le plan social. Plusieurs régions en dépendent alors qu'elle peut aider les industries et entreprises à entreprendre leur transition énergétique, réduire leurs besoins en ressources fossiles, diversifier leurs produits et générer de nouveaux revenus.

Les nouvelles utilisations de la biomasse exigent des choix technologiques et stratégiques qui sont complexes à prendre en raison des multiples possibilités de valorisation. Des chercheurs du CRMR ont mis de l'avant une approche de bioraffinage à l'échelle communautaire qui facilite cette prise de décision. Cette approche est centrée sur la valorisation de la biomasse locale et les choix se basent sur les réalités et les atouts d'une région ainsi que sur des utilisations locales des coproduits. L'approche nécessite de réunir les principaux acteurs locaux avec des centres de recherche et de transfert technologique pour couvrir l'ensemble de la chaîne de valeur des nouveaux produits. Le lien entre la biomasse, l'écologie industrielle et l'approche de bioraffinage communautaire sera expliqué lors de cette conférence.

La biomasse forestière résiduelle représente une source énergétique non-négligeable pour le chauffage des bâtiments industriels, commerciaux et institutionnels. Dans un souci de diversification, c'est en 2006-2007 que l'idée du développement de la filière de la biomasse forestière au sein des coopératives forestières du Québec commence à prendre forme.

Pour être en mesure d'évaluer les avantages et les inconvénients de la mise en place d'une chaîne d'approvisionnement en biomasse forestière donnée, tant du point de vue opérationnel qu'environnemental, une série d'essais terrains ont été réalisés durant l'automne 2013 et l'été 2014. Pour ce faire, plusieurs scénarios de récolte de bois énergie ont été comparés entre eux et au scénario de récolte conventionnelle de bois marchand. Les résultats montrent que, pour certains scénarios, la récolte de biomasse forestière résiduelle est une option intéressante pour les praticiens forestiers. D'autant plus, le bilan carbone calculé pour certains de ces scénarios entrevoit des bénéfices pour l'atmosphère dans un délai inférieur à 10 ans.

Cette présentation va vous permettre de connaître les principaux modèles de chaînes d'approvisionnement qui existent au sein des coopératives forestières, leur faisabilité opérationnelle et leur impact quant à leur contribution dans la lutte aux changements climatiques.

Agrosphère est un projet d'intégration d'une bioraffinerie agricole au sein d'une ferme à Lanaudière sur lequel l'UQTR et plusieurs collaborateurs travaillent depuis 2008. Il s'agit en fait d'un modèle de centre régional de préparation de la biomasse visant à produire des sucres (ou mélasses) cellulosiques et des coproduits utilisables sur place (ex. : hémicelluloses pour l'alimentation des porcs sur place et lignine pour des entreprises locales, Coop Profid'Or et DuPont). Parallèlement, une nouvelle une étude de pré-faisabilité d'une bioraffinerie dans le PIPB a été démarrée par l'UQTR. Celle-ci offrirait un approvisionnement en molécules plateformes et en produits biosourcés pour les industries chimiques de proximité et servirait aussi à attirer de nouvelles entreprises dans le parc. L'idée serait d'utiliser Agrosphère comme un modèle avancé de RBPD et de l'adapter au paysage agricole et forestier du Centre-du-Québec et de la Mauricie. Les RBPD seraient localisés à des points stratégiques dans les régions. La bioraffinerie située dans le PIPB, serait le point central du réseau de collecte et de transformation de la biomasse provenant des RBPD. Un projet de doctorat sur le sujet est en cours. Les résultats préliminaires ainsi que les tenants et aboutissants du projet seront présentés.

Dans un contexte d'incertitude grandissante à l'égard des impacts potentiels liés à la récolte de biomasse dans les forêts naturelles, des solutions alternatives durables s'imposent. L'utilisation du peuplier hybride (un arbre à croissance rapide) dans les bandes riveraines et les friches agricoles pourrait s'avérer une solution hautement productive et bénéfique pour l'agroenvironnement.

Cette conférence présentera des résultats expérimentaux de la productivité du peuplier en zone riveraine et en friche agricole pour des plantations arrivées à maturité et montrant les plus forts rendements jamais observés pour des arbres au Québec. Les facteurs environnementaux et génétiques (choix des cultivars) favorisant des rendements en biomasse élevés seront également discutés. Parallèlement, nos recherches montrent que le potentiel des systèmes agroforestiers de peuplier pour restaurer des services écosystémiques sur la ferme est important compte tenu de leurs effets positifs sur l'habitat et la biodiversité (flore et faune), sur le stockage du carbone et sur l'accumulation dans la biomasse ligneuse du phosphore et de l'azote, deux nutriments largement responsables du déclin de la qualité de l'eau et de l'habitat aquatique dans le sud du Québec. Les modalités d'aménagement des systèmes agroforestiers de peuplier seront enfin présentées dans une perspective de multifonctionnalité des paysages ruraux.

Au Québec et ailleurs au Canada, de grands volumes de bois sont attribués par le gouvernement aux compagnies forestières à des fins de transformation en produits forestiers traditionnels, mais qui pose des enjeux de transformation reliés à une faible qualité de fibre. Les bois affectés par les perturbations naturelles telles que les épidémies d'insectes et les feux de même que les bois morts secs et sains en sont un bon exemple. L'objectif de cette étude était de déterminer dans quelle mesure la production de bioénergie pourrait s'avérer une avenue financièrement rentable pour ce type de biomasse. Une analyse financière a d'abord été effectuée afin d'évaluer à partir de quels stades de dégradation du bois il deviendrait plus profitable de transformer les arbres morts pour des usages énergétiques plutôt que traditionnels. Nous avons ensuite testé et simulé différents scénarios d'approvisionnement afin d'alimenter différentes capacités d'usine de granules sous différentes contraintes opérationnelles, écologiques et économiques. Les résultats de l'analyse financière indiquent que, pour une scierie, la transformation d'arbres morts pour la production de granules de bois offrirait un bilan financier similaire à celui rattaché à la production de copeaux vendus à une usine de pâte. Quant aux différentes simulations, les résultats montrent que les résidus de coupe et de feux pourraient alimenter en moyenne entre 6 et 66% de la capacité annuelle d'une usine de 50 000t/an.

Bien souvent, la biomasse résiduelle forestière se trouve sur des sites éloignés d'une grande superficie, qui de plus, se situent à quelques heures d'un village. Considérant ces faits, il est donc difficile de rentabiliser les projets de valorisation de la biomasse forestière. Les principaux freins sont souvent liés à la préparation de la biomasse ainsi qu'au transport. L'implantation de plateformes régionales de conditionnement pourrait être la solution à cette problématique.

Une plateforme de conditionnement est donc un endroit en forêt où la biomasse résiduelle est accumulée et traitée. Le procédé consiste à broyer la biomasse et de la tamiser ensuite. Lors du tamisage, il est possible de produire trois ou quatre différentes grosseurs de particules pour la production de différents bioproduits. Ce procédé a plusieurs avantages : procédé mobile, réduction du coût de conditionnement, diminution des coûts de transport, élimination des fines et des matières inorganiques, etc. Ce concept de plateforme de conditionnement en forêt peut également être adapté pour un fonctionnement à proximité d'une scierie ou d'une bioraffinerie.

La valorisation de la biomasse, que ce soit pour une application énergétique ou le développement d'un bioproduit, repose sur la qualité de la matière première. Le conditionnement de la biomasse s'avère donc une étape cruciale pour le développement de la filière biomasse.

Une quantité industrielle de traverses de chemin de fer est retirée chaque année des voies ferrées pour être remplacée par de nouvelles. La plupart des installations d'entreposage ne sont pas conformes, ce qui constitue un réel danger pour l'environnement. En effet, les traverses sont fabriquées à partir de bois traité à la créosote, un produit chimique qui possède des caractéristiques toxicologiques en raison des substances qu'elle renferme, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques qui ne sont jamais complètement fixés au bois. Le SEREX œuvre dans le développement d'une nouvelle technologie de décontamination des traverses usagées pour une valorisation permettant de leur donner une seconde vie. La technologie proposée repose sur un procédé de traitement thermique sous vide partiel. Le bois étant placé entre deux plaques d'aluminium chauffées, sa température peut atteindre jusqu'à 220 °C. De telles conditions permettent d'amorcer le processus de décontamination qui consiste à la réduction, voir l'élimination, de la plupart des composés de la créosote. Les résultats obtenus ont démontré clairement le potentiel du traitement. Dans certaines conditions, le taux de décontamination peut atteindre jusqu'à 90 %. D'un point de vue apparence, le bois décontaminé possède une couleur brunâtre très foncé. Cependant, le traitement peut occasionner l'apparition de petites fissures sans toutefois affecter considérablement les propriétés mécaniques.

L'exploitation forestière génère un volume important de résidus, représentant 15 à 35% du volume des arbres coupés. Ces résidus peuvent être utilisés comme source d'énergie pour des chaufferies collectives. Pour réaliser la mise en place d'une chaufferie, il est essentiel d'évaluer la disponibilité et les caractéristiques de la biomasse et de bien dimensionner la chaufferie. Les principales caractéristiques comme combustible comprennent la granulométrie, la teneur en humidité, les pouvoirs calorifiques (supérieur et net) et la teneur en cendres. Les dimensions des copeaux sont généralement de (1-3)'' × (0,5 -1)'' × (0,25-0,50)'' et doivent s'adapter au système d'alimentation. La teneur en humidité a une grande influence sur le pouvoir calorifique net et sur le comportement de combustion. Pour les chaudières de petite puissance (< 1MW), l'humidité doit être inférieur à 35-40%. Dans la conception d'une chaufferie à la biomasse avec système appoint (autre source d'énergie, ex. huile ou électricité), la puissance de la chaudière biomasse doit se situer entre 40% et 60% de la puissance totale nécessaire. Ce dimensionnement doit permettre également une importante couverture des besoins annuels en chauffage par la biomasse (³ 80%) tout en optimisant les investissements et en assurant le secours par une énergie d'appoint.

Relever le défi de créer une filière « grandeur nature », c'est permettre le plein déploiement de son potentiel économique, environnemental et social, tout en s'assurant de réduire au maximum ses impacts. Cet équilibre constitue l'objectif à atteindre. Pour y arriver, il est primordial de réunir les conditions gagnantes : allier les forces de plusieurs organisations aux compétences complémentaires, favoriser les discussions et les compromis, ainsi qu'accepter que le développement se fasse avec prudence, de pair avec les gains de connaissances. Il s'agit d'avancer progressivement et conjointement afin de ne pas avoir à reculer plus tard !

C'est dans cette logique que le regroupement Vision Biomasse Québec a été créé. Les membres du regroupement collaborent afin promouvoir l'utilisation de biomasse forestière résiduelle pour la production de chaleur et de diffuser les connaissances en la matière. En plus de ses cibles, le regroupement s'appuie sur des engagements envers l'environnement et les communautés, qui ont été développés afin de répondre aux préoccupations liées aux changements climatiques, à la qualité de l'air, à la santé des citoyens et des écosystèmes, ainsi qu'à l'intégration des projets dans leur milieu d'accueil. Ces engagements permettent aussi d'assurer la cohérence des actions des membres.

Le biochar est le produit de la pyrolyse de matière contenant du carbone comme la biomasse forestière. L'industrie forestière au Québec produit des millions de tonnes de résidus annuellement. Une partie de ces résidus est maintenant exploitée pour d'autres fonctions que la construction et l'énergie, mais une part importante, comme les branches, les écorces et le bois recyclé, est sous-utilisée. L'exposé présente le potentiel de la transformation de différentes biomasses en biochar et discute des débouchés possibles pour les biochars.

La nouvelle loi sur les matières organiques résiduelles (MOR) interdira totalement leur enfouissement d'ici 2020. Le Québec doit mieux gérer ces millions de tonnes MOR en leur trouvant de nouveaux débouchés. Ces MOR peuvent être pyrolysées en biochar, qui offre de multiples opportunités d'utilisation entre autres en environnement, en agriculture et en foresterie. D'une part, les propriétés de ces biochars varient selon la méthode de pyrolyse et la MOR. D'autre part, chaque utilisation requiert des propriétés spécifiques. Comment faire le bon match fabrication : biochar : utilisation? Un outil diagnostique est en développement afin de répondre à cette question, ce qui diminuera les besoins d'essais et erreurs des utilisateurs et des fabricants. L'outil se base sur les propriétés physico-chimiques statistiquement associées à une panoplie de biochars fabriqués de manières et de sources différentes en lien avec les lois, règlements d'application et les propriétés nécessaires des intrants pour des contextes d'utilisations connues (ex : propriétés des composantes des terreaux en horticulture, amélioration des propriétés des sols, propriétés pour des marais filtrants).

Depuis quelques années, le Canada et les États-Unis sont devenus les principaux exportateurs vers l'Europe de granules de bois comme combustibles. La compression du bois en petits cylindres combustibles facilite sa manutention et diminue son coût de transport au volume, ainsi les centrales thermiques bénéficient d'un prix compétitif après son transport sur une longue distance. En Abitibi-Témiscamingue, le bouleau à papier est généralement délaissé faute d'application intéressante chez les industriels locaux. L'objectif de notre projet est de valoriser ce bouleau en granules de qualité dont le pouvoir calorifique est fortifié par un additif végétal pour le rendre plus attractif. L'additif retenu est la graine de canola cultivée en région. Notre travail de recherche est de déterminer les meilleures conditions de granulation. Pour cela, nous avons doté une petite granuleuse commerciale de l'instrumentation nécessaire pour suivre l'évolution des facteurs d'opérations (puissance, températures, etc.). Puis un plan d'expérience pour les mélanges bouleau-eau-canola a été établi pour estimer des surfaces de réponses et trouver l'optimum. Un grand nombre d'essais de granulation ont été pratiqués avec des tests physiques et mécaniques sur les granules obtenues pour apprécier leur qualité. Finalement, nous avons pu produire des granules de qualité selon les normes et ces premiers résultats vont peut-être aider à enclencher une nouvelle synergie entre la foresterie et l'agriculture.

La disponibilité actuelle des arbres de faible qualité dans les forêts feuillues tempérées du Québec a suscité un intérêt pour l'utilisation de cette biomasse forestière inutilisée. Les avantages des biocarburants en comparaison avec les combustibles fossiles en termes de la stabilité des prix, des émissions de gaz à effets de serre et de sécurité énergétique offrent un potentiel à la biomasse forestière pour la production de biocarburants. Par conséquent, les objectifs de ce projet étaient d'analyser les propriétés énergétiques et les paramètres de fabrication des granules de bois d'érable à sucre en fonction de la vigueur des arbres. Les résultats indiquent que les particules de bois provenant des arbres non vigoureux ont plusieurs avantages pour la fabrication des granules de bois par rapport aux arbres vigoureux. Leurs teneurs en extractibles et en lignine plus élevées ont démontré la pertinence de ce matériau pour la granulation puisque celles-ci pourraient augmenter la valeur calorifique, contribuer à l'auto-adhésion de particules de bois et faciliter le processus de granulation. Cette étude a également indiqué des conditions de granulation optimales à une température de 100 °C et une teneur en humidité de la matière première de 11,2%, selon lequel le procédé de granulation devrait être effectuée afin de minimiser la friction dans l'appareil de fabrication des granules et de maximiser la densité et la résistance mécanique des granulés produits.

La biomasse forestière est une ressource alternative intéressante aux produits pétro-sourcés d'origine fossile, car elle est renouvelable et sans aucun impact environnemental lorsque les résidus forestiers sont considérés. De plus, elle est flexible car elle peut être utilisée et transformée de diverses manières. Si la majorité des technologies et applications existantes sont principalement orientées vers la production d'énergie, il existe d'autres débouchés très prometteurs.

Une des possibilités est l'utilisation de la technologie de pyrolyse pour transformer la biomasse forestière en bio-huiles et les intégrer dans des bitumes. Les enjeux principaux d'une telle utilisation sont la production d'une huile adéquate, i.e. compatible et adaptable au bitume visé tout en garantissant la viabilité économique du projet.

Notre objectif est de présenter le procédé de pyrolyse en ciblant plus particulièrement la condensation fractionnée de la biohuile. Les grades d'huiles seront discutés ainsi que les intérêts et objectifs de développement potentiels dans le domaine. Les bitumes et leurs différentes applications seront analysés succinctement en fonction du potentiel des bio-huiles à y être intégrées. L'état actuel des projets sera aussi revu, et les développements en cours dans notre groupe présentés. Nos conclusions actuelles permettent de concevoir un fort potentiel d'utilisation de la bio-huile fractionnée comme substituant direct ou intégrée partiellement pour la production de bitumes.

Présents dans les extraits d'écorces, les tannins ont prouvé leur application industrielle dans divers produits de commodité. Ils sont principalement utilisés pour le tannage du cuir mais également comme adhésifs pour la fabrication de panneaux de bois dans plusieurs pays d'Amérique du Sud et en Afrique du Sud.
Cependant, très peu d'études exhaustives ont été réalisées sur les tannins des écorces du Québec. Dans ce contexte le SEREX a mis sur pied un programme de recherche qui vise à valoriser les écorces dont les tannins sont utilisés en tant que composantes fonctionnelles ou réactives dans les formulations de résines et adhésifs. Rien qu'au Bas-Saint-Laurent et la Gaspésie, l'industrie de transformation du bois a généré en moyenne 150 000 tma d'écorces de résineux au cours des 5 dernières années dont la quasi-totalité est utilisée comme combustible.
Cette communication présente l'étude de caractérisation de huit écorces indigènes du Québec en vue de leur application comme adhésifs et/ou résines biosourcés pour l'industrie des panneaux à base de bois et l'écoconstruction. Les résultats ont permis d'identifier les espèces forestières offrant le meilleur potentiel pour la formulation des résines et adhésifs. Le concept proposé permettra de créer de nouvelles opportunités pour les écorces locales jusque-là brulées sans aucune forme de valorisation.

Des adhésifs à base de soya-furfural ont été fabriqués par réticulation de farine de soya et furfural, un produit issu de la biomasse forestière, en conditions alcalines et cet adhésif a été évalué à l'aide de tests sur des panneaux contreplaqués. Un total de 30 conditions de synthèse furent évaluées (5 niveaux de contenu en furfural et 6 niveaux de contenu en NaOH/pH). Trente panneaux contreplaqués à 2 plis furent pressés à 140°C durant 4 minutes. Les panneaux furent testés en cisaillement selon la norme ASTM D2339-1998 (2004). Les meilleurs panneaux furent faits à partir d'adhésifs comportant de hauts niveaux de NaOH et de hauts niveaux de furfural. L'analyse statistique a montré une interaction entre les niveaux de furfural et la concentration de NaOH. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire ¹³C a permis l'acquisition de spectres indiquant qu'il y a eu hydrolyse des protéines de soja et le furfural a participé à la réticulation.

La valorisation de la cellulose, qui est le biopolymère le plus abondant de la planète, est devenue un enjeu crucial pour les industries de biens de consommation¹. Ainsi la cellulose, produit bon marché, a été utilisée pour renforcer du polyéthylène. En effet, la cellulose confère aux matériaux de nombreux avantages tels qu'une faible densité, un faible coût, une haute rigidité, de bonnes propriétés thermiques, une plus grande déformabilité et une biodégradabilité comparée aux fibres traditionnelles de verre et organiques². Malheureusement, cela présente des limites, car la cellulose a généralement une forte sensibilité à l'humidité et elle affiche une mauvaise compatibilité avec les polymères hydrophobes généralement utilisés comme matrices. Notre approche consiste à utiliser des filaments de cellulose avec une surface spécifique élevée, pour renforcer le polyéthylène. Les propriétés mécaniques de ces composites ont montré un module de Young très élevé lorsque le contenu de cellulose est de 40%. Ces matériaux absorbent très peu l'humidité. L'ajout de polyéthylène maléaté comme agent de couplage n'a pas entraîné l'augmentation du module de Young. La cellulose a également été chimiquement modifiée. Nous présenterons nos résultats les plus significatifs.

¹Reddy, N; Yang Y. Biofibers from agricultural byproducts for industrial applications. Trends in Biotechnol.

2005, 23, 22–7.

²Ghosh, S; Sinha, M. K. Assessing textile value of pineapple fiber. The Indian Textile Journal.

1997, 88, 111–5.

Fort d'une croissance annuelle de l'ordre de 6%, le marché des matériaux composites s'est élevé à 81,6 milliards d'euros de chiffre d'affaires pour 9,2 millions de tonnes produites en 2012¹. La raréfaction des ressources pétrolières et l'augmentation de la conscience environnementale conduisent à une demande croissante en matériaux bio-composites. Le remplacement des fibres synthétiques par des fibres naturelles engendre un intérêt certain dont les motivations principales sont la réduction de l'impact environnemental, la diminution des coûts, l'obtention d'un matériau plus léger à volume égal, l'absence d'abrasion envers l'équipement et la facilité d'incinération. Le principal frein rencontré est la faible compatibilité entre les fibres hydrophiles et les matrices hydrophobes.

Notre approche consiste à utiliser des filaments de cellulose fournis par Kruger, notre partenaire industriel, pour renforcer le polyéthylène. Pour ce faire, différents esters, éthers et siloxanes de cellulose ont été développés. Ces modifications chimiques présentent le double avantage de diminuer le caractère hydrophile de la cellulose, tout en réduisant l'absorption d'eau des filaments. L'incorporation de lignine comme troisième agent est également étudiée. Cette dernière permet notamment d'augmenter la compatibilité entre les différentes phases, de limiter l'absorption d'eau et d'améliorer la stabilité du matériau final.

[1] Source : INSEE