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

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