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# 11 ANNEXES

## 11.1 Annexe 1. Définition et présentation des rendements utilisés pour l'évaluation des filières

### A. Rendement réel en dihydrogène

Le rendement réel en dihydrogène, noté $\eta_{H_2}$ réel et exprimé en $[kg_{H_2}/kg_{déchet}]$ et correspond à la masse de dihydrogène réellement produite par unité de masse de déchet. Cette grandeur dépend directement de la proportion de dihydrogène mesurée dans le gaz de synthèse.

Sa valeur peut être déterminée par le produit des trois grandeurs physiques suivantes :

- la proportion volumique de dihydrogène dans le gaz de synthèse, notée $P_{H_2}$ et exprimée en $[Nm^3_{H_2}/Nm^3_{gaz de synthèse}]$;

- le rendement en gaz, c'est-à-dire le volume de gaz de synthèse produit par unité de masse de déchet converti, noté $\eta_{gaz}$ et exprimé en $[Nm^3_{gaz de synthèse}/kg_{déchet}]$;

- la masse volumique du dihydrogène (CNPT), notée $\rho_{H_2}^N$ et exprimée en $[kg/Nm^3]$.

Ce qui donne :

$$ \eta_{H_2 \text{ réel}} = P_{H_2} \cdot \eta_{\text{gaz}} \cdot \rho_{H_2}^N \quad (11.1) $$

Si la valeur de $\rho_{H_2}^N$ est donnée dans la littérature et que la proportion $P_{H_2}$ est connue d'après les compositions de gaz de synthèse moyennes qui peuvent être récupérée auprès des fournisseurs d'unités de gazéification, il faut néanmoins préciser que le rendement en gaz est une grandeur dont la valeur est rarement disponible.

Au regard des valorisations actuelles du gaz de synthèse, plutôt orientées vers la combustion, la grandeur physique importante fournie dans les données constructeurs est le PCI, qui peut être calculés uniquement à partir de la composition chimique du gaz de synthèse.

### B. Rendement potentiel en dihydrogène

Le rendement potentiel en dihydrogène, noté $\eta_{H_2 \text{ potentiel}}$ et exprimé en $[kg_{H_2}/kg_{déchet}]$, correspond à la somme du rendement réel et des quantités supplémentaires de dihydrogène qui seraient obtenues par la conversion shift du monoxyde de carbone et le vaporeformage du méthane présents dans le gaz de synthèse.

Le calcul de ce rendement s'appuie donc sur les deux réactions chimiques suivantes :

$$ CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2 \quad (11.2) $$

$$ CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3 H_2 \quad (11.3) $$

A partir des réactions (11.2) et (11.3), il est possible de déterminer les masses de dihydrogène produites respectivement par unité de masse de monoxyde de carbone et méthane.

D'après l'équation (11.2), il vient que :
$$1 \text{ mole CO} \rightarrow 1 \text{ mole H}_2 \qquad (11.4)$$

En multipliant par les masses molaires, la correspondance massique obtenue est :

$$28 \text{ g de CO} \rightarrow 2 \text{ g de H}_2 \qquad (11.5)$$

La masse de dihydrogène formée par unité de masse de monoxyde de carbone au cours de la réaction de Water Gas Shift, notée m<sub>H₂/CO</sub>, vaut donc :

$$m_{\text{H}_2/\text{CO}} = \frac{2}{28} = 71,4 \text{ g H}_2/\text{kg CO} \qquad (11.6)$$

L'utilisation du même raisonnement avec l'équation (11.3) débouche sur la masse de dihydrogène produite par unité de masse de méthane lors de la réaction de vaporeformage, notée m<sub>H₂/CH₄</sub>, soit :

$$m_{\text{H}_2/\text{CH}_4} = \frac{6}{18} = 375 \text{ g H}_2/\text{kg CH}_4 \qquad (11.7)$$

A noter que le CO produit par le reformage sera également transformé par la réaction de WGS.la quantité de CO atteint :

$$m_{\text{CO/CH}_4} = \frac{28}{18} = 1556 \text{ g CO/kg CH}_4 \qquad (11.8)$$

Une fois les coefficients m<sub>H₂/CO</sub> et m<sub>H₂/CH₄</sub> connus, la masse de dihydrogène supplémentaire produite par la conversion du CO et du CH₄, notée m<sub>H₂ sup</sub> et exprimée en [kgH₂/kg déchet], est déterminée à partir de la relation :

$$m_{\text{H}_2 \text{ sup}} = (m_{\text{H}_2/\text{CO}} \cdot P_{\text{CO}} \cdot \rho_{\text{CO}}^N + (m_{\text{H}_2/\text{C H}_4} + m_{\text{H}_2/\text{CO}} \cdot m_{\text{CO/C H}_4}) \cdot P_{\text{CH}_4} \cdot \rho_{\text{CH}_4}^N) \cdot \eta_{\text{gaz}} \qquad (11.9)$$

avec :

- les proportions volumiques de monoxyde de carbone et de méthane dans le gaz de synthèse, qui sont respectivement notées P<sub>CO</sub> et P<sub>CH₄</sub>, et exprimées en [Nm³<sub>CO</sub> / Nm³<sub>gaz de synthèse</sub>] et [Nm³<sub>CH₄</sub> / Nm³<sub>gaz de synthèse</sub>];

- les masses volumiques du monoxyde de carbone et du méthane dans les (CNPT), qui sont respectivement notées ρ<sub>CO</sub><sup>N</sup> et ρ<sub>CH₄</sub><sup>N</sup> et exprimées en [kg/Nm³].

Enfin, le rendement potentiel en dihydrogène est calculé à partir de la somme suivante :

$$\eta_{\text{H}_2 \text{ potentiel}} = \eta_{\text{H}_2 \text{ réel}} + m_{\text{H}_2 \text{ sup}} \qquad (11.10)$$

### C. Rendement maximal théorique en dihydrogène

Le rendement maximal théorique en dihydrogène, noté η<sub>H₂ max</sub> et exprimé en [kgH₂/kg déchet], permet de connaitre la quantité maximale de dihydrogène (théoriquement) récupérable par unité de masse de déchet. Sa valeur numérique est déterminée en considérant que tous les atomes d'hydrogène qui entrent dans la composition chimique du déchet sont convertis en molécules de dihydrogène. De plus,
la réaction du déchet avec la vapeur d'eau, contenue dans l'agent gazéifiant, permet de former une quantité de dihydrogène supplémentaire par décomposition des molécules H₂O.

Le calcul du rendement maximal théorique en dihydrogène se fait à partir d'une modélisation de la formule chimique brute du gisement de déchet, qui prend uniquement en compte les fractions massiques en éléments carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O).

Le recours à ce modèle se justifie par le fait que ces trois éléments sont, généralement, majoritaires dans la composition chimique des différents gisements de déchets (Voir paragraphe 0) et qu'ils sont les seuls à avoir une influence sur la réaction idéal de production du dihydrogène par gazéification à l'eau.

La formule chimique brute modélisée du gisement de déchet s'écrit sous la forme :

$$C_{X_C} H_{X_H} O_{X_O} \qquad (11.11)$$

avec X_C, X_H et X_O respectivement fractions molaires de carbone, d'hydrogène et d'oxygène.

La masse molaire correspondante est définie par la relation :

$$M_{C_{X_C} H_{X_H} O_{X_O}} = X_C M_C + X_H M_H + X_O M_O \qquad (11.12)$$

Les valeurs des fractions molaires sont calculées à partir de la composition chimique du gisement de déchets, qui présente les fractions massiques des différents éléments. Ces informations sont déterminées en laboratoire au cours d'une analyse élémentaire.

La fraction massique d'un élément i, notée Y_i, est définie par la relation :

$$Y_i = \frac{m_i}{m_{Totale}} = \frac{n_i M_i}{n_{Totale} M_{Totale}} = X_i \frac{M_i}{M_{Totale}} \qquad (11.13)$$

avec :

- i : élément entrant dans la composition du gisement de déchet

- m_i, m_{Totale} : respectivement, masse de l'élément i et masse totale du gisement de déchet, exprimée en [kg]

- n_i, n_{Totale} : respectivement, nombre de moles de l'élément i et nombre de moles total du gisement de déchet, exprimée en [mol]

- M_i, M_{Totale} : respectivement, masse molaire de l'élément i et masse molaire totale du gisement de déchet, exprimée en [g/mol]

- Y_i : fraction massique de l'élément i

- X_i : fraction molaire de l'élément i

Les valeurs des fractions molaires X_C, X_H et X_O sont déterminées à partir du système de trois équations suivant :

$$Y_C = X_C \frac{M_C}{M_{Totale}} \qquad (11.14)$$

$$Y_H = X_H \frac{M_H}{M_{Totale}} \qquad (11.15)$$

$$Y_O = X_O \frac{M_O}{M_{Totale}} \qquad (11.16)$$

**Remarque** : Une fois les valeurs des fractions molaires X_H et X_O déterminées, la masse molaire totale, qui représente la masse molaire réelle du gisement, peut être calculée à partir de l'égalité suivante :
$$ M_{\text{gisement}} = \frac{X_{\text{C}}M_{\text{C}} + X_{\text{H}}M_{\text{H}} + X_{\text{O}}M_{\text{O}}}{Y_{\text{C}} + Y_{\text{H}} + Y_{\text{O}}} = \frac{M_{\text{C}X_{\text{C}}H_{\text{H}}O_{\text{X}_{\text{O}}}}}{Y_{\text{C}} + Y_{\text{H}} + Y_{\text{O}}} \quad (11.17) $$

Les trois équations du système sont mathématiquement liées, c'est pourquoi les expressions littérales des fractions molaires X_H et X_O ont été exprimées en fonction de X_C :

$$ \left\{ \begin{array}{l} X_H = X_C \frac{Y_H}{Y_C} \frac{M_C}{M_H} \\ X_O = X_C \frac{Y_O}{Y_C} \frac{M_C}{M_O} \end{array} \right. \qquad (11.18) $$

$$ \left\{ \begin{array}{l} X_H = X_C \frac{Y_H}{Y_C} \frac{M_C}{M_H} \\ X_O = X_C \frac{Y_O}{Y_C} \frac{M_C}{M_O} \end{array} \right. \qquad (11.19) $$

Par convention, et conformément au raisonnement suivi dans la publication [106], la fraction molaire en carbone est fixée à X_C = 1. Les deux relations précédentes peuvent ainsi s'écrire sous la forme :

$$ X_H = \frac{Y_H}{Y_C} \cdot \frac{M_C}{M_H} \qquad (11.20) $$

$$ X_O = \frac{Y_O}{Y_C} \cdot \frac{M_C}{M_O} \qquad (11.21) $$

L'équation qui décrit la production de dihydrogène par gazéification du déchet est :

$$ C H_{x_H} O_{x_O} + (1 - x_O) H_2 O \rightarrow CO + \left(1 - x_O + \frac{x_H}{2}\right) H_2 \qquad (11.22) $$

Si le monoxyde de carbone est totalement converti selon la réaction de Water Gas Shift, la réaction finalement obtenue est :

$$ C H_{x_H} O_{x_O} + (2 - x_O) H_2 O \rightarrow CO_2 + \left(2 - x_O + \frac{x_H}{2}\right) H_2 \qquad (11.23) $$

Cette dernière équation permet de déterminer la masse de dihydrogène produite par unité de masse du composé C H<sub>xH</sub> O<sub>xO</sub> introduite en réactif.

Or, le rendement maximal théorique en dihydrogène prend en compte la totalité du gisement, ce qui se traduit par la relation :

$$ M_{\text{gisement}} = \frac{X_{\text{C}}M_{\text{C}} + X_{\text{H}}M_{\text{H}} + X_{\text{O}}M_{\text{O}}}{Y_{\text{C}} + Y_{\text{H}} + Y_{\text{O}}} = \frac{M_{\text{C}X_{\text{C}}H_{\text{H}}O_{\text{X}_{\text{O}}}}}{Y_{\text{C}} + Y_{\text{H}} + Y_{\text{O}}} \qquad (11.24) $$

avec :

- M<sub>H<sub>2</sub></sub> : masse molaire du dihydrogène, exprimée en [g/mol].

D'après la remarque précédente, il est possible d'écrire :

$$ \eta_{H_2 \text{ max}} = \frac{\left(2 - x_O + \frac{x_H}{2}\right) M_{H_2}}{M_{C \times_C H_{x_H} O_{x_O}}} (Y_C + Y_H + Y_O) \qquad (11.25) $$

Le rendement maximal théorique en dihydrogène est ainsi exprimé en fonction de paramètres dont la valeur est connue ou peut être déterminée.

Après cette description détaillée de la démarche de calcul du rendement maximal théorique en dihydrogène, un protocole regroupant les quatre étapes clés pour déterminer sa valeur est proposé ci-après :
1) Récupération de la composition chimique (massique) du gisement de déchets ;

2) Calcul des valeurs des fractions molaires X<sub>H</sub> et X<sub>O</sub> (par convention, X<sub>C</sub> = 1) ;

3) Calcul de la valeur de la masse molaire du composé : C<sub>X<sub>C</sub></sub> H<sub>X<sub>H</sub></sub> O<sub>X<sub>O</sub></sub> ;

4) Calcul de la valeur du rendement maximal théorique en dihydrogène : η<sub>H<sub>2</sub> max</sub>.

o Exemple de calcul du rendement maximal théorique

La publication de la *International Association for Hydrogen Energy* [106] présente un rendement maximal théorique en dihydrogène 165 g H<sub>2</sub>/kg sciure valant pour la gazéification de sciure de bois. Le paragraphe ci-après détaille la démarche de calcul nécessaire pour obtenir ce résultat. La première étape consiste à récupérer la composition chimique de la sciure de bois.

<table><caption>Tableau 69. Gisements de biomasse disponibles en France par catégorie (scénario France AgriMer 2012). VTP : Volume total produit ; VTD : Volume total disponible ; VSD : volume supplémentaire disponible.</caption>
  <thead>
    <tr>
      <th>Elément</th>
      <th>Fraction massique [% sur sec]</th>
    </tr>
  </thead>
  <tbody>
    <tr>
      <td>C</td>
      <td>48,01</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>H</td>
      <td>6,04</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>O</td>
      <td>45,43</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>N</td>
      <td>0,15</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>S</td>
      <td>0,05</td>
    </tr>
  </tbody>
  <tfoot>
    <tr>
      <td>TOTAL</td>
      <td>100</td>
    </tr>
  </tfoot>
</table>

Les éléments C, H et O représentent environ 99,5 % de la masse totale de la sciure de bois.

Une fois les proportions massiques en élément carbone, hydrogène et oxygène connues, il est possible
de calculer les fractions molaires X<sub>H</sub> et X<sub>O</sub> afin de modéliser la formule chimique brute de la sciure de
bois.

Ainsi, en sachant que X<sub>C</sub> = 1 par convention, les valeurs numériques obtenues sont :

$$
\begin{equation}
\begin{cases}
X_H = \frac{6,04}{48,01} \cdot \frac{12}{1} \approx 1,5 \\
X_O = \frac{45,43}{48,01} \cdot \frac{12}{16} \approx 0,7
\end{cases}
\tag{11.26}
\end{equation}
$$

Selon ce modèle, la formule brute estimée de la sciure de bois est donc :

$$
C H_{1,5} O_{0,7} \qquad (11.28)
$$

La masse molaire correspondante vaut :

$$
M_{C H_{1,5} O_{0,7}} = 12 + 1,5 \times 1 + 0,7 \times 16 = 24,7 \text{ g/mol}
$$

La réaction modélisée de la sciure de bois avec l'eau s'écrit :

$$
C H_{1,5} O_{0,7} + 0,3 H_2 O \rightarrow CO + 1,05 H_2 \quad (11.29)
$$

Dans l'hypothèse où le monoxyde de carbone serait intégralement converti au cours de la réaction de Water Gas Shift, l'équation globale s'écrirait alors :
$$ C_{H_{1,5}} O_{0,7} + 1,3 H_2 O \rightarrow CO_2 + 2,05 H_2 \qquad (11.30) $$

A partir de cette équation, le rendement maximal théorique en dihydrogène est calculé par la relation :

$$ \eta_{H_2 \text{ max}} = \frac{2,05 \times 2}{1 \times 24,7} \times 0,995 \approx 165 \text{ g H}_2/\text{kg sciure} \qquad (11.31) $$
## 11.2 Annexe 2. Niveau d'industrialisation

Différents niveaux d'industrialisation peuvent être définis en fonction de l'avancée des travaux de Recherche et Développement. Ces niveaux caractérisent les étapes essentielles au processus d'industrialisation allant du laboratoire à l'industrie.

Pour cela une échelle de 1 à 9, dite échelle TRL (Technology Readiness Level), est utilisée avec les caractéristiques suivantes :

* **TRL 9.** Utilisation valides dans plusieurs configurations

* **TRL 8.** Qualification complète (test et démonstrations)

* **TRL 7.** Prototype opérationnel dans son environnement final

* **TRL 6.** Production de prototype de démonstration

* **TRL 5.** Composants basiques produits en environnement simulé

* **TRL 4.** Composants basiques produits à échelle de laboratoire

* **TRL 3.** Expérimentation et preuve du concept (R&D active pour évaluer les paramètres fonctionnelles)

* **TRL 2.** Concept technologique (les applications sont encore spéculatives)

* **TRL 1.** Principes généraux de base observés et rapportés (recherche fondamentale/études papiers)

<figure><img src="image_75.png" /></figure>

Dans le détail, il s'agira de (source INRA) (entre parenthèses et italique, le type de documents permettant d'attester du niveau de maturité atteint) :

**[TRL 1]**. Principes de base observés et rapportés : Plus bas niveau de maturité technologique. La recherche scientifique commence à se traduire en recherche appliquée et développement. Etudes papier des propriétés de base d'une technologie (*Publications de recherches identifiant les principes sous-tendant la technologie*).

**[TRL 2]**. Concept technologique et/ou application formulés : L'invention débute. Une fois les principes de base observés, les applications pratiques peuvent être inventées. L'application est spéculative et il peut n'y avoir aucune preuve ou analyse détaillée pour étayer les hypothèses (*Publications ou autres références qui esquissent l'application étudiée et qui fournissent des analyses appuyant le concept*).

**[TRL 3]** – Fonction critique analysée et expérimentée et/ou preuve caractéristique du concept : Une recherche et développement active est initiée. Ceci inclut des études analytiques et des études en laboratoire afin de valider physiquement les prévisions analytiques des éléments séparés de la technologie (*Résultats des tests de laboratoire effectués pour mesurer les paramètres d'intérêt et comparaison avec les prédictions analytiques, pour les sous-systèmes critiques*).
[TRL 4] –Validation en laboratoire du composant et/ou du système : Les composants technologiques de base sont interconnectés en laboratoire afin d'établir que tous les composants fonctionnent ensemble. C'est une maquette, ou encore une réplique "basse fidélité" comparée au système final. (Concepts de systèmes examinés et résultats des essais correspondants sur maquette. Estimation de l'écart entre les résultats de test sur maquette et les performances attendues du système final).

[TRL 5] –Validation du composant et/ou du système dans un environnement significatif : La fidélité de la maquette s'accroit significativement. La maquette est intégrée avec des éléments externes raisonnablement réalistes afin d'être testée dans un environnement simulé. (Résultats d'essais de la maquette système intégrée avec les éléments externes dans un environnement opérationnel simulé. Différences entre environnement simulé et environnement opérationnel. Comparaison entre résultats de tests et attentes.)

[TRL 6]. Démonstration du modèle système / sous-système ou du prototype représentatif dans un environnement significatif : Le modèle ou le système prototype représentatif, proche de la configuration souhaitée en termes de performances, de fonctionnalités, (et, pour des objets matériels, de puissance consommée, de masse, de volume et de coût de revient en fabrication), est testé dans un environnement significatif. Il représente une avancée majeure dans la maturité démontrée d'une technologie. (Résultats de tests du prototype représentatif. Différences entre environnement de test et environnement opérationnel. Comparaison entre résultats de tests et attentes).

[TRL 7]. Démonstration du système prototype en environnement opérationnel : Prototype conforme à l'état final du système tel que planifié, et qui sera mis en œuvre en environnement opérationnel (et, pour des objets matériels, qui sera fabriqué en série). (Résultats de l'essai du prototype en environnement opérationnel)

[TRL 8]. Système réel complet et qualifié par des tests et démonstrations : La preuve a été apportée que la technologie fonctionne sous sa forme finale et sous les conditions attendues (et, pour des objets matériels, qu'il est fabriqué avec le degré requis de fiabilité, de qualité et de coût de revient). Dans la plupart des cas, ce niveau représente la fin du développement. (Résultats de l'essai du système dans sa configuration définitive, à travers la totalité du domaine prévu de conditions d'environnement. (Pour des objets matériels, compte-rendu des essais de production). Évaluation de sa capacité à répondre aux exigences opérationnelles).

[TRL 9]. Système réel validé par une utilisation réussie chez le client / utilisateur final : Application effective de la technologie sous sa forme finale et en conditions opérationnelles, après livraison au(x) client(s). Dans tous les cas, c'est la fin des dernières corrections de problèmes. (Rapport de fonctionnement en opérations (et, pour des objets matériels, rapports du service après-vente)).
## 11.3 Annexe 3. Méthodologie et définition pour l'étude de gisement

### 11.3.1 Biomasse, bio-déchets : définition et classement

Le terme **biomasse** réfère à un ensemble de matières d'origine végétale et animale qui ont pour caractéristique commune le fait d'être biodégradables et renouvelables (à condition d'avoir une approche de production « raisonnée » et basée sur le long terme) ; elles peuvent être volontairement produites ou bien être le sous-produit d'une activité économique (élevage, agriculture, déchets urbains, effluents et déchets de l'industrie, etc.)

Le tome 1 du rapport « Usages non alimentaires de la biomasse » (Mission CGAAER (11132 et 11135), CGEDD (008149-01), CGEIET (2012/13), Alexandre et al, 2012) présente un recueil de définitions issues de documents officiels français et européens, dont une définition de la biomasse :

- fraction bio-dégradable 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 (directive 2001/77/CE relative aux déchets) ;

- produits composés d'une matière végétale agricole ou forestière susceptible d'être employée comme combustible en vue d'utiliser son contenu énergétique ; les déchets ci-après : déchets végétaux agricoles, forestiers; déchets végétaux provenant du secteur industriel de la transformation alimentaire, si la chaleur produite est valorisée; déchets végétaux fibreux issus de la production de pâte vierge et de la production de papier à partir de pâte, s'ils sont coincinérés sur le lieu de production et si la chaleur produite est valorisée; déchets de liège; déchets de bois, à l'exception des déchets de bois qui sont susceptibles de contenir des composés organiques halogénés ou des métaux lourds à la suite d'un traitement avec des conservateurs du bois ou du placement d'un revêtement, y compris notamment les déchets de bois de ce type provenant de déchets de construction ou de démolition (directive IED 2010/75/UE relative aux émissions industrielles) ;

- fraction biodégradable des produits, des déchets et des résidus d'origine biologique provenant de l'agriculture (y compris les substance végétales et animales), de la sylviculture et des industries connexes, y compris la pêche et l'aquaculture, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux (directive 2009/28 /CE relative à la promotion de l'utilisation de l'énergie produite à partir de sources renouvelables) ;

- ensemble de la matière organique végétale ou animale: bois, déchets végétaux, graisse animale... Dans le domaine de l'énergie, la biomasse peut être utilisée pour produire de la chaleur, de l'électricité ou du carburant." Une note de bas de page précise que "la biomasse est utilisée pour produire de l'énergie lorsqu'elle ne peut avoir aucun autre usage -alimentaire notamment (site du Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie).

La biomasse peut être classée selon :

1) **sa provenance** (Houllier, 2014) :

a) produits d'origine agricole :

- cultures traditionnelles plantes annuelles (céréales, oléagineux) : graines, tubercules

- cultures énergétiques (miscanthus, panic érigé)

- résidus de cultures et d'élevage

b) produits d'origine forestière :

- bûches, granulés, plaquettes et résidus de l'exploitation forestière

- cultures sylvicoles spécifiques (taillis à courte/très courte rotation : peuplier, eucalyptus)
c) **produits d'origine aquatique** :

- micro- et macro-algues

- résidus de la pêche et de la pisciculture

d) **coproduits et déchets** :

- coproduits et effluents des industries de transformations de matières biologiques (scieries, papeteries, agro-alimentaires, élevages industriels, ...)

- autres déchets organiques (déchets urbains, boues issues des stations d'épuration, ordures ménagères, déchets verts de parcs et jardins, ...)

- graisses animales dans les abattoirs

<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>Figure 69. Représentation des différentes sources de biomasse</figcaption></figure>

2) **ses constituants** (Chong et al, 2009), la biomasse étant alors:

- lignocellulosique (bois, paille, résidus verts, etc.),

- oléagineuse (colza, soja, tournesol, etc.),

- riche en sucres et en amidon, facilement hydrolysable (betterave, canne à sucre, blé, maïs, etc.).

3) qu'elle soit **volontairement produite ou simplement disponible** (De Cherisey et al, 2007):

- **gisements "fatals" concentrés** (par exemple les déchets des activités d'un site industriel)

- **gisements "fatals" diffus** (comme les rémanents des activités d'exploitation forestière : les branches, les souches, ou les sous-produits de l'activité agricole comme les pailles)

- **ressources dédiées**, qu'il s'agisse de cultures/boisements traditionnels dont les marchés sont organisés ou de productions agricoles ou forestières nouvelles dont il faut construire les filières.
### 11.3.2 Evaluation des gisements spécifiques potentiels pour la production de biohydrogène

Le projet international Energy for Biomass d'EKURC (2011) et les projets européens RENEW (Renewable Fuels for advanced Powertrains, 2008) et BEE (Biomass Energy Europe, 2010¹⁵) entre autres, ont mis en évidence la difficulté de l'évaluation des gisements des biomasses potentiellement mobilisables. D'après les principaux résultats de ces études, il apparaît que les estimations de gisements de biomasse dans une unité géographique donnée peuvent varier très fortement. Ces différences notables sont dues principalement à la grande hétérogénéité observée au niveau des approches méthodologiques, des données utilisées, des méthodes retenues pour identifier les surfaces potentielles, etc.

Les études existantes en matière d'évaluation de la biomasse varient également en fonction des catégories de biomasse retenues, de l'étendue spatio-temporelle des analyses et du type de potentiel examiné. Par conséquent, l'interprétation des résultats peut être erronée si les facteurs qui déterminent la mobilisation effective des gisements ne sont pas pris en compte.

Afin de pouvoir disposer de données correctes sur les quantités de biomasse disponibles pour un usage énergétique, le projet BEE a défini 4 types de gisements de la biomasse selon leur potentiel de mobilisation (Figure 25) :

1. Théorique

2. Technique

3. Economique

4. D'implémentation

Un cinquième potentiel d'implémentation « durable » de gisement qui intégrerait les aspects économiques, environnementaux et développement durable peut aussi être considéré (BEE, 2010a) [257]. Offermann et al (2010) [84] ont introduit également la notion de potentiel géographique, limité au potentiel terrestre excluant la biomasse marine.

La méthodologie adoptée pour la réalisation de cette étude de gisements est celle proposée par le projet BEE [257].

1) Au niveau mondial et européen, les études recensées dans cette revue concernent des données sur le potentiel théorique et/ou technique ; il a été en revanche plus difficile de trouver des données concernant les potentiels économiques et d'implantation. Ces valeurs peuvent varier de façon significative, en fonction du contexte de l'étude (méthodologie, période de temps, dimension régional, etc.). Pour certaines régions du monde comme l'Europe et l'Amérique du Nord les données disponibles sont considérées comme fiables, alors que pour certaines régions comme l'Afrique les données manquent et elles ne sont pas très fiables. Enfin, les études considèrent généralement uniquement la biomasse terrestre en détriment de la biomasse des océans.

2) Au niveau national en revanche, des données sur le potentiel des gisements « mobilisables » (équivalent aux gisements économique et d'implantation) sont disponibles, car il est plus aisé d'obtenir ces informations à l'échelle locale (départementale ou régionale).

<footnote n="15">¹⁵ Evaluation des gisements de biomasse en Europe.</footnote>
Une étude réalisée par l'ADEME en 2013 [97] pour estimer les gisements potentiels de substrats utilisables en méthanisation a proposé une méthode équivalente à la méthode BEE, dans laquelle, après évaluation des gisements bruts disponibles, le gisement net disponible est évalué à partir d'un taux de mobilisation estimé selon des critères technico, socio-économiques (Figure 70).

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>**Figure 70.** Potentiel de mobilisation des gisements de biomasse définis par le projet BEE en fonction des différentes contraintes (techniques, économiques, environnementales, etc. adapté de BEE, 2010 [94] et Offerman et al, 2010 [84]).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>**Figure 24 :** Estimation des gisements potentiels des substrats utilisables en méthanisation [97].</figcaption></figure>
## 11.4 Annexe 4 : Synthèse bibliographique des microorganismes

Synthèse bibliographique des microorganismes rapportés dans la littérature comme producteurs d'hydrogène en cultures pures, dépendant non seulement du genre, mais également de l'espèce voire de la souche étudiée.

<table><thead><tr><td>Souche</td><td>Substrat</td><td>Culture</td><td>Rendement max H<sub>2</sub></td></tr></thead><tbody><tr><td>Clostridium acetobutylicum ATCC824</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium beijerinckii Fanp3</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2,52 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium butyricum CGS5</td><td>Saccharose / xylose</td><td>Batch</td><td>0,73 mol.mol xylose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium butyricum CGS5</td><td>Sucrose</td><td>Batch</td><td>2,78 mol.mol sucrose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium butyricum CGS2</td><td>Saccharose / xylose</td><td>Batch</td><td>0,95 mol.mol DCO<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium pasteurianum CH1</td><td>Saccharose</td><td>Batch</td><td>2,07 mol.mol hexose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium pasteurianum CH4</td><td>Saccharose</td><td>Batch</td><td>2,07 mol.mol hexose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium pasteurianum CH5</td><td>Saccharose</td><td>Batch</td><td>2,07 mol.mol hexose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium pasteurianum CH7</td><td>Saccharose</td><td>Batch</td><td>2,07 mol.mol hexose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium paraputrificum M-21</td><td>Chitine et N-acetyl-glucosamine (GlcNAc)</td><td>Batch</td><td>-</td></tr><tr><td>Clostridium thermocellum 27405</td><td>Cellulose</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>Clostridium thermocellum 27405</td><td>Cellobiose</td><td>Batch</td><td>-</td></tr><tr><td>Clostridium thermocellum 27405</td><td>Sources cellulosiques</td><td>Batch</td><td>1,6 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium thermolacticum</td><td>Lactose</td><td>continu</td><td>3 mol.mol lactose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium sp. strain no. 2</td><td>Cellulose</td><td>continu</td><td>2,14 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium sp. Fanp2</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2,53 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium paraputrificum M-21</td><td>N-acetyl-glucosamine (GlcNAc)</td><td>Batch</td><td>1,9 mol.mol GlcNAc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Clostridium paraputrificum M-21</td><td>N-acetyl-glucosamine (GlcNAc)</td><td>Batch</td><td>2,2 mol.mol GlcNAc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes HO-39</td><td>Glucose</td><td>Batch continu</td><td>1 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>-</td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes HU-101</td><td>Glycérol</td><td>Batch continu</td><td>0,6 mol.mol glycerol<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes</td><td>Amidon hydrolysé</td><td>Batch</td><td>1,09 mol.mol d'amidon<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes E 82005</td><td>Molasse</td><td>continu</td><td>3,5 mol.mol de sucre<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter cloacae IIT-BT 08</td><td>Glucose</td><td>continu cellule fixée</td><td>-</td></tr><tr><td>Enterobacter cloacae IIT-BT 08</td><td>Saccharose / glucose</td><td>Batch</td><td>6 mol.mol sucrose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter cloacae IIT-BT 08</td><td>Cellobiose</td><td>Batch</td><td>5,4 mol.mol cellobiose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes HU-101</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>0,56 mol.mol gluc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Enterobacter aerogenes IAM1183</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>1,54 mol.mol gluc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Klebsiella</td><td>Saccharose / xylose</td><td>Batch</td><td>0,73mol.mol xylose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Escherichia coli MC13-4</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>1,2 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Escherichia coli</td><td>Glucose</td><td>Continu</td><td>2 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Souche</td><td>Substrat</td><td>Culture</td><td>Rendement max H<sub>2</sub></td></tr></thead><tbody><tr><td>Escherichia coli</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2 mol.mol glc</td></tr><tr><td>Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum KU001</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2,4 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Thermococcus kodakaraensis KOD1</td><td>Amidon ou pyruvate</td><td>Continu</td><td>-</td></tr><tr><td>Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum PSU-2</td><td>Saccharose</td><td>Batch</td><td>2,53 mol.mol hexose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Thermotoga elfii</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>3,3 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Thermotoga neapolitana</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2,4 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Caldicellulosiruptor saccharolyticus</td><td>Saccharose</td><td>Batch</td><td>5,9 mol.mol sucrose<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Caldanaerobacter subterraneus</td><td>Glucose</td><td>Continu</td><td>3,32 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Pseudomonas sp. GZ1</td><td>Boue de STEP</td><td>Batch</td><td>0,007 mol.g DCOt<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Hydrogen-producing bacteria B49</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>0,1 mL.L culture<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Ruminococcus albus</td><td>Glucose</td><td>Continu / batch</td><td>0,42 (continu) / 2,52 (batch) mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Hafnia alvei</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>-</td></tr><tr><td>Citrobacter amalonaticus Y19</td><td>Glucose</td><td>Batch</td><td>2 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr><tr><td>Ethanoligenens harbinense YUAN-3</td><td>Glucose</td><td>Continu</td><td>1,93 mol.mol glc<sup>-1</sup></td></tr></tbody></table>
## 11.5 Annexe 5 : Stockage d'hydrogène par adsorption sur acide formique

Bien qu'il ait été reconnu pour la première fois en 1978, le stockage du dihydrogène sous forme d'acide formique (HCOOH) semble aujourd'hui être une voie prometteuse. Cette technique fait notamment l'objet d'études menées par les chercheurs de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), dont les travaux ont débouchés sur la rédaction deux publications [249], [250].

L'intérêt suscité par l'utilisation de l'acide formique en tant que moyen de stockage du dihydrogène trouve son explication dans ses propriétés intrinsèques, qui sont notamment :

- une densité volumique en hydrogène de 53 g/L, soit près de deux fois supérieure à celle de l'hydrogène compressé à 350 bars (voir Tableau 65).

- il est peu toxique,

- il se trouve à l'état liquide dans les conditions ambiantes.

Le principe de fonctionnement de cette technique de stockage repose sur un cycle réversible qui alterne les phases d'hydrogénation du dioxyde de carbone (phase de stockage, endothermique) et de décomposition de l'acide formique (phase de récupération, exothermique), comme illustré ci-dessous :

<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>**Figure 71.** Cycle « Acide formique / dioxyde de carbone » pour le stockage de l'hydrogène [249]</figcaption></figure>

Au niveau de la phase de récupération du dihydrogène, la décomposition de l'acide formique peut survenir selon deux réactions :

$$ (11.32) \quad \text{Déshydrogénation} \quad HCOOH \rightarrow H_2 + CO_2 \quad \Delta H^0 = -32,9 \text{ kJ/mol} $$

$$ (11.33) \quad \text{Déshydratation} \quad HCOOH \rightarrow H_2O + CO \quad \Delta H^0 = -20,7 \text{ kJ/mol} $$

A noter que les deux réactions chimiques illustrées dans ce tableau sont reliées par la réaction de Water Gas Shift.