Il se compose de la somme des émissions à la combustion, à l’extraction, et pour le bois qui est très humide à la récolte il y a des émissions au séchage.
1 – émissions à la combustion :
Elles se calculent à partir du pouvoir calorifique et de la teneur en carbone : c’est le carbone qui « contient » l’énergie de ces combustibles et l’émission de co2 est proportionnelle à l’émission de chaleur ; c’est la « densité énergétique » des éléments chimiques carbonés qui fait la différence d’émissions entre les combustibles.
En gros, le carbone est une batterie qui emmagasine et restitue de l’énergie. Il est plus ou moins chargé en énergie selon le combustible. Par analogie, si vous mettez de piles à moitié chargées dans la lampe de votre vélo, vous allez jeter deux piles là où vous n’en auriez jeté qu’une si vous aviez utilisé des piles complètement chargées.
Le pouvoir calorifique correspond à l’énergie libérée par un kg de combustible, quand tout le carbone est retourné à l’état de co2 : le principe même de la combustion est la transformation du carbone en co2, qui s’accompagne de la libération d’énergie.
La teneur en carbone donne la quantité de carbone de ce kg de combustible.
C’est pourquoi une simple division entre les deux chiffres donne les émissions carbonées du combustible, pour une combustion totale.
Ensuite il faut rajouter le « poids de l’oxygène », puisque le carbone qui était lié à de l’hydrogène (le plus léger des éléments chimiques, masse atomique = 1) ou à d’autres atomes de carbone (masse atomique 12) se retrouve affublé de deux atomes d’oxygène (masse atomique 16). Ainsi la molécule de co2 est 3.67 fois plus lourde que l’atome de carbone seul, et ainsi nos combustibles carbonés émettent allègrement deux fois plus de co2 que leur propre poids !
Pour le charbon :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Charbon#Classification_am.C3.A9ricaine
https://fr.wikipedia.org/wiki/Charbon#Classification
La houille contient env 80 % de carbone, pour un pouvoir calorifique PCS 30 à 32,6 Mj/kg
Pour convertir ce PCS (pouvoir calorifique supérieur) en Mj/kg vers les kWh/kg, il faut diviser par 3,6 : 8,33 à 9 kWh/ kg ce qui fait une moyenne de 8,66 Kwh/kg.
Pour avoir le PCI (pouvoir calorifique inférieur) il faut diviser par 1,05 : 8,66/1,05 = 8,2 Kwh/kg
(le pouvoir calorifique inférieur est, comme son nom l’indique, inférieur au pouvoir calorifique supérieur car il ne tient pas compte de l’énergie contenue dans l’eau dégagée sous forme de vapeur à la combustion, et qui restitue cette énergie lors qu’elle se condense. Les valeurs de PCI et PCS étant différentes, il est important de veiller à comparer ce qui est comparable)
autres chiffres sur le pouvoir calorifique du charbon, qui confirment la première source :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Pouvoir_calorifique#Pouvoir_calorifique_moyen_de_quelques_combustibles
http://www.renovationdurable.eu/Notions-Valeurs-de-conversion.html
(pour le bois = 0 en émissions de co2:)
Charbon à 8,33 Kwh/kg en PCI
http://www.econologie.com/pouvoirs-calorifiques-pci-pcs-fuel-gaz/
coke 7,9 kWh/kg
Houille à 8,1 Kwh/kg
anthracite 8,7 kWh/kg
Pour retrouver les émissions de co2, il faut diviser le taux de carbone par le pouvoir calorifique. Pour du charbon à 80 % de carbone, dans 1 kg il y a 0,8 kg de carbone, et on a calculé que ce kg de charbon donne 8,2 kWh. Donc chaque kWh émet 0,8/8,2 = 0,097 g de carbone soit en rajoutant le poids de l’oxygène 3,67 fois plus question CO2, : 0,356 kg/kWh ou encore 356 g/kWh.
A noter : le charbon est très variable dans son taux de carbone, et dans son pouvoir calorifique aussi. Les deux varient dans le même sens : le taux de carbone diminue en même temps que le pouvoir calorifique. pour les charbons de mauvaise qualité. les émissions de co2 sont globalement plus importantes pour les charbons moins énergétiques, mais avec une certaine pondération.
Pour le bois :
le PCI du bois sec à 0 % est de 5 kwh/kg , https://fr.wikipedia.org/wiki/Bois_%C3%A9nergie#Pouvoir_calorifique
et 50 % de carbone, https://fr.wikipedia.org/wiki/Bois#Composition_chimique
selon le même calcul que pour le charbon, taux de carbone divisé par le pouvoir calorifique :
0,5/5 = 0,100 kg de carbone et 3.67 fois plus sous forme de co2, soit 0,367 kg de co2/kWh ou encore 367g/kWh.
Émissions équivalentes à ce qu’émet la combustion de la houille donc.
Émissions pour le gaz naturel :
le méthane est à 75 % de carbone par définition, à partir du poids moléculaire : CH4 c’est une molécule de carbone, masse atomique 12, et 4 d’hydrogène, masse atomique 1. La masse atomique de la molécule est 16 (12+4×1), et 12 (masse du carbone) /16 = 0,75.
Son pci est de 50 MJ/kg, https://fr.wikipedia.org/wiki/Pouvoir_calorifique#Pouvoir_calorifique_moyen_de_quelques_combustibles
il faut diviser par 3,6 pour convertir ces mégajoules en kWh : 50/3,6 = 13,9 kwh/kg.
Ensuite, comme d’habitude maintenant, diviser le taux de carbone par ce pouvoir calorifique :
0,75/13,9= 0,054 kg de carbone, donc 0,054 x 3,67 = 0,198 kg par kWh à la combustion, ou encore 198 g co2/kWh.
Ce qui donne en résumé : (émissions en g de co2 par kWh)
bois 367,
charbon 356,
méthane 198 soit 1,8 fois moins que le bois ou le charbon.
2 – émissions à l’extraction :
le taux de retour énergétique (EROI) donne la quantité d’énergie nécessaire à l’extraction rapportée à la quantité d’énergie utilisable ; on peut en déduire les émissions de CO2 correspondantes.
Pour convertir ces dépenses énergétiques en CO2 je vais considérer que cette extraction a consommé du fioul, ce qui est le plus probable.
Quelques sources sur le taux de retour énergétique :
http://energie-developpement.blogspot.fr/2012/10/EROEI-taux-retour-energetique.html
| Biodiesel | 1.3 |
| Sable bitumineux | 3 |
| Huile de schiste | 5 |
| Solaire photovoltaïque | 6.8 |
| Nucléaire | 10 |
| Hydrocarbures | 14.5 |
| Éolien | 18 |
| Charbon | 80 |
| Hydroélectrique | 100 |
– pour le charbon :
2 à 30, 80 sur la précédente source… je pourrais retenir 16, moyenne de la première source, la deuxième semblant au chiffre retenu pour les gisements exploités au début du siècle précédent.
Si l’évolution de l’eroi du charbon a suivi celle des hydrocarbures, il serait plus logique de retenir un eroi de 10.
un eroi de 10, ça veut dire que pour 10 kWh produits avec du charbon il a fallu dépenser 1 kWh pour extraire ce charbon.
Donc pour 1 kWh il a fallu 0,1 kWh pour l’extraction.
Avec 324 g de CO2 par kWh pour le fioul (tableau ci dessous), ces 0,1 kWh ont émis 0,1 x 324 = 32,4 g de CO2.
– Pour le gaz :
je retiens un eroi de 5, moyenne des sources.
Ce qui veut dire que pour 5 kWh produits avec du gaz il a fallu 1 kWh pour extraire ce gaz, soit par kWh produit avec du gaz il faut 1/5 = 0,2 kWh.
Convertis en CO2 sur la base des émissions du fioul, les émissions du gaz pour l’extraction sont de : 324 x 0,2 = 64,8 g de CO2.
– Pour le bois :
cette source ADEME donne les émissions CO2 du bois à la récolte, par déduction :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Contenu_CO2#.C3.89missions_directes_en_CO2_des_combustibles
| Combustibles | Émissions directes |
Émissions ACV |
|---|---|---|
| Bois énergie | 18,8 | 29,5 |
| Charbon | 345 | 377 |
| Essence (SP95, SP98) | 253 | 314 |
| Fioul domestique | 272 | 324 |
| Fioul lourd | 283 | 324 |
| Gaz naturel | 204 | 243 |
| Gazole | 256 | 323 |
| GPL | 233 | 260 |
Sur ce tableau 18,8 g de CO2 sont comptabilisés pour la combustion, et l’analyse en cycle de vie donnerait donc 29,5 – 18,8 = 11,7 g de co2/kWh pour cette part d’extraction.
Les émissions trouvées par le calcul se recoupent plutôt bien avec celles de ce tableau : pour le gaz (+8%) et pour le charbon (-3%) ce qui rassure sur la validité du calcul. Les émissions calculées du gaz sont sur la base du méthane pur, ce qui peut expliquer la différence avec les émissions du gaz naturel données sur ce tableau.
3 – cas particulier du bois, le séchage :
Le bois vert contient plus de la moitié de son poids en eau. .https://fr.wikipedia.org/wiki/Bois_%C3%A9nergie#Teneur_en_eau
C’est la raison pour laquelle les bûches doivent sécher à l’air deux ans avant d’être efficaces comme combustible. Le bois est séché mécaniquement dans le processus de fabrication des plaquettes, et qui plus est, séché au bois, ce qui rend le calcul plus simple : il est juste de rajouter les émissions de cette énergie sur la base des émissions du bois.
Cette énergie se retrouve aussi par le calcul, en calculant l’énergie nécessaire à échauffer cette eau de 20° à 100° (4,18 KJ soit 0,00116 kWh par Kg d’eau et par degré,), puis pour la faire évaporer, c’est à dire la chaleur latente de vaporisation de cette eau (2265 Kj/kg, soit 0,63 kWh/kg).
En prenant 50 % de taux d’humidité, ce bois contient, par kg, 0,5 kg d’eau pour 0,5 kg de matière sèche. Pour 1 kg de matière sèche il y a donc 1kg d’eau à évaporer. Pour chauffer cette eau : 0,09 Kwh (=1 x 0,00116 (100°-20°)), Pour évaporer cette eau : 0,63 Kwh (=1×0,63) Soit 0,72 Kwh au total.
Le pouvoir calorifique du bois sec à 0 % est d’environ 5 kWh/kg, il est toujours inférieur en pratique puisqu’il y a une eau résiduelle qui est évaporée en prélevant de l’énergie de la combustion du bois.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Bois_%C3%A9nergie#Pouvoir_calorifique
Donc dans 2 kg de bois à 50 % d’humidité, il y a 1 kg de bois sec qui a un pouvoir calorifique de 5 kWh, et 1 kg d’eau qui a demandé 0,72 kWh pour son évaporation.
En proportion cela fait 0,72/5= 0,144 soit 14,4 % de l’énergie contenue dans le bois.
Ce séchage émet donc 367g x 0,144 = 52,8 g co2 / kWh
Le total des émissions du bois est donc de : 367 g (combustion) + 11,7 g (extraction) + 52,8 g (séchage) soit 431,5 g co2/kWh.
TOTAL DU BILAN : (g co2/kWh) :
gaz méthane : 198 + 64,8 = 262,8
charbon : 356 + 32,4 = 388,4
bois : 367 + 11,7 + 52,8 = 431,5