1 La Biomasse

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05/01/2011)Veolia Environnement Recherche & Innovation

Les énergies renouvelables :

La Biomasse

Université Pierre et Marie Curie

master spécialité énergétiques et environnement

4. Janvier 2011

Stefanie KOHLER [email protected]

05/01/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation 2

Plan de la présentation

énergies fossiles et renouvelables biomasse : source d’énergie

technologies de valorisation de biomasse

• procédés biologiques/ chimiques digestion anaérobique esterification d’huiles

hydrolyse d’enzymes & fermentation

• procédés thermiques combustion gazéification pyrolyse

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énergies fossiles et renouvelables

énergie

charbon

biomasse

eau : hydro, marée, vagues solaire

ENERGIE PRIMAIRE

ENERGIE SECONDAIRE

carburants hydrogène vapeur électricité

électromagnétique UTILISATION FINALE DE L’ENERGIE

thermique chimique mécanique

chaleur métaux, polymères moteur éclairage, télécom.

uranium

fossile nucléaire

éolien géothermie renouvelable pétrole

gaz naturelle

carburants pétroliers carburants synthétiques biocarburants

uranium 6%

biomass 11%

hydraulic 7%

coal 23%

natural gas 19%

oil 34%

Consommation d’énergie primaire

en 1996

consommationglobal : 9.5 • 10⁹toe

en 2100

10 à 12 • 10⁹people

& consommation/ tête ~5 fois plus élevée

toe :

• tonne of oil equivalent, une unité d’énergie

• la quantité d’énergie libérée lors de la combustion d’une tonne de pétrole brute

• ~42 GJ

→ explication toe

boe : barrel of oil equivalent 1 barrel = 0,146 toe Exemple de conversion

• 1 t diesel = 1,01 toe

• 1 t pétrole = 1,05 toe

• 1 t biodiesel = 0,86 toe

• 1 t bioéthanol = 0,64 toe

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Inconvénients des énergies fossiles

disparité des ressources

méthodes d’extraction : proche de leur limite de production déplétion des énergies fossiles

• pétrole et gaz : environ 100 ans

• charbon (300 ans) < uranium (selon téchnologie)

• nouvelles sources (méthane clathrate, oil shale)

→

instabilité d’approvisionnement & augmentation du coût de l’énergie

pollution & changement climatique

solutions

Problème : l’énergie utile ne représente que 37 % de l’énergie primaire

→besoin/possibilité d’amélioration :

• transport de l’énergie primaire : bateau, camion, piping,…

secondaire : fuites,…

finale : isolation des réseaux de chaleur, (smart) grid,…

• Conversion de l’énergie

primaire →secondaire (raffineries, turbines,…) secondaire →finale (chimie, chauffage,…)

Actions à mener en parallèle :appel à la conscience des consommateurs

→faire changer les habitudes, lois, coûts,…?

Approche technique :captage, transport & stockage du CO2

• Possible d’un point de vue technique

• Mais diminue l’efficacité des procédés suite à une augmentation de la consommation d’énergie

différents types d’énergies renouvelables

wind

hydropower concentrating solar power (CSP)

photovoltaics (PV) photosynthesis

biomass

énergies renouvelables

but Européen : 21% de l’énergie = de l’énergie renouvelable avantages

• infinie

• Contribue moins à la production de gaz à effet de serre (dépends de l’échelle de temps, voir transparent suivant)

inconvénients :

• pas de source d’énergie concentrée mais « diluée »

• pas en continue, mais entrecoupé

• Dans la plupart des cas: non représentatif en terme d’approvisionnement d’énergie

L’utilisation des énergies renouvelables ne va pas arrêter l’augmentation du coût de l’énergie!

energy and carbon cycle

CO₂: accumulation in

atmosphere

short cycle (to be re-balanced (possible?))

ENERGY

long cycle:

disequilibrium coal, petroleum,

natural gas, uranium biomass

échelle de temps du cycle de carbone :

• Le taux du CO₂dans l’atmosphère a augmenté de 280 ppm à 360 ppm depuis 1800

• Ressources fossiles : âgées de quelques millions d’années

• Captage du carbone par le biais de la photosynthèse (nouvelles forêts) : lent 05/01/2011)Veolia Environnement Recherche & Innovation

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biomasse :

source d’énergie

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biomasse et énergie

La biomasse stocke ~1% de l’énergie solaire.

biomasse = seule source d’énergie renouvelable qui

• peut être transportée sous sa forme d’énergie primaire

• consiste de molécules organiques →biocarburants mais également biopolymères et autres bioproduits…

En France, la biomasse disponible pourrait représenter 10 à 15% de sa consommation globale d’énergie.

description du cycle de vie de la biomasse

biomasse

cultures énergétiques (miscanthus, SRC)

bois (résidus forestières) agri/agro co-produits (paille, etc.)

Approvisionnement carburant récolte - conditionnement stockage - transport

Quel procédé de transformation ? Combustion, autres (méthanisation, etc.)

Adaptation biomasse/ technologie Impact environnemental

émissions

valorisation des cendres

biomasse : production jusqu’à l’usage finale

production de la biomasse

conditionnement catalyseur

produits annexes conditions opératoires

transport stockage conditionnement

alimentation

produit recherché

effluents réacteur

verrous

•variabilité

•dispersion

•stockage

•densification

• adaptation granulométrie

• alimentation/ system de convoyage

•flexibilité

•efficacité

•sélectivité

•modélisation

•scale-up •stabilisation des produits

•nettoyage (goudrons, Cl, S, alkalis, particules)

•adaptation des produits à leur utilisation ultérieure

•coûts de transport

biomasse – différentes voies d’utilisation

chimie

cultures énergétiques

fibres alimentation,

élevage nourriture

matériaux

bioproduits

BIO- ENERGIE

chaleur, électricité bio-fuel biomasse

refuse

refuse refuse refuse refuse

vitamines, lipides, carbohydrates, protéines

papier, bois d’œuvre, meubles, textiles

pharmaceutiques, lubrifiant, autres…

biomasse – définition

grecque : “bios”

bois

la vie

cellulose (40 - 60%) lignine (20 - 40%) hemicelluloses(15 - 30%) cendres (≈≈≈≈1%)

C6H10O5

pour comparaison : taux de cendre de la paille de riz : ≈≈≈≈16%

bois

biomasse aquatique cultures énergétiques déchets organiques

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Objectifs globaux, biomasse

Développer et sécuriser le secteur biomasse à long terme

• Identifier les différents ressources biomasses disponibles

• Sécuriser l’approvisionnement

Identifier les types de biomasse adaptés à la combustion, la méthanisation, la gazéification,… :

• Diversifier et élargir à l’aide des cultures énergétiques, des coproduits de l’agriculture et des résidus forestiers

• Développer du know how technique : schèmes de plantation, récolte / collecte, stockage, préparation et

conditionnement de la biomasse

Modèle cycle de vie de la biomasse : production via transport jusqu’à usage

finale. 05/01/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation 20

Cultures énergétiques

Miscanthus Giganteus Sorghum

Switchgrass

Peuplier

Saule

les plus connues:

• miscanthus

• sorghum

• switchgrass

• taillis (très) courte rotation (TTCR) saule

peuplier

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Les cultures énergétiques

plantations énergétiques

• retour d’expérience concernant le management des cultures énergétiques (agriculteur)

Suivi des cultures énergétiques, de la plantation jusqu’à l’usage final

• modèles de plantation, récolte et exploitation

• caractérisation physico-chimique en fonction de la technologie de valorisation choisie (thermochimique ou biologique)

• approvisionnement (stockage, conditionnement, transport)

• analyse de cycle de vie (par exemple : plantation → chaudière)

• influence de l’épandage de boues ou de cendres sur les cultures énergétiques/ plantation (rendement biomasse, qualité du sol,..)

Valorisation de la biomasse

biologique/

chimique

digestion anaérobique biogaz estérification d’huiles biodiesel hydrolyse d’enzymes &

fermentation éthanol, ETBE

thermique

combustion gazéification pyrolyse

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technologies de

valorisation de biomasse

agent oxydant atmosphere inèrte

Procédés thermiques

chimique, utilisation énergétique

gazéification

gaz (CO, H2, CO2) O₂, air, H₂O

pyrolyse

char, liquides, gaz, Ar, N₂ O₂, air

combustion

gaz incombustible

(CO₂)

chaleur, électricité

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À prendre en compte :

• type de biomasse (caractéristiques : taille, taux de cendres, taux d’humidité,..)

• taille de l’installation (biomasse disponible, valorisation de l’énergie produite, législation)

• coûts de la biomasse (approvisionnement à long terme garanti?)

• recettes : revente électricité, vapeur, chaleur

• coûts globaux de l’installation (investissement et exploitation)

choix technologie

• type de technologie: chaudière, gazéification,…

• technologie de la chaudière, spécificités fournisseur rendement de l’installation (besoin de préchauffer, charges électriques internes,…)

évaluation de la technologie

évaluation et optimisation :

« Life Cycle Costs »

combustion

C₆H₁₀O₅ 6 O₂ 6 CO₂ 5 H₂O

17,5 MJ/t :

•chaleur pour sécher/ chauffer

•pour créer de la vapeur (turbine)

technologies :

•lit fixe ou mobile (< 50 MW, technologie mature)

•lit fluidisé (> 10 MW, flexible)

recherche sur :

•réduction des émissions (NOx,…)

•améliorer la récupération de la chaleur (« flue gas condenser »)

•séparation des gaz et cendres

•valorisation des cendres

•utilisation de mélanges « charbon/ biomasse »

Chaudière biomasse, VERI

Air secondaire

Grille dynamique &

inclinée Air tertiaire

Air primaire

Biomass Évacuation fumées

Extraction cendres

Échangeur de chaleur

Weiss boiler, Denmark

Flow scheme, SIEMENS

Fuel Handling

Steam Generator

Flue Gas Cleaning Energy Generation

CFB Reheat

Unload Storage

Cooling water

Fan Extraction condensing turbine

District heating

Bottom ash

Secondary air

Primary air

Filter ash and dry sorption Baghouse filter Re-circulated air

Superheater Strainer Fe-

Separator

Ammonia

Sand Ca(OH)2 /

ac. carbon

Silo

pyrolyse

biomasse liquides charbon gaz

charbon (jusqu’à 40%)

bio-huiles (jusqu’à 80%)

conditions opératoires

lente

(carbonisation)

rapide (flash)

H₂ CO CH₄ HC (jusqu’à 80%)

Température Flux de chaleur Temps de séjour Taille particules

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Pyrolyse lente : carbonisation utilisation du charbon :

• agent réductrice en métallurgie

• carbone active

• électrode

• purification de l’eau

• charbon de bois procédé réalisé en batch :

• meule en terre

• batterie des fours

• cycle : quelques heures jusqu’à plusieurs jours

• température > 300°C

pyrolyse rapide

huiles pyrolytiques

•combustibles

•source pour des composés chimiques

•verrou : instabilité des huiles pyrolytiques gaz

•gaz de synthèse

•possibilité de production de carburants 2^ième génération (Fischer-Tropsch)

lit fixe, fluidisé; réacteur cyclone cycle : qq seconds jusqu’à qq minutes température > 500°C

demande important d’un flux de chaleur

gazéification

C6H10O5 0,5 O2 6 CO 5 H2

utilisation du gaz de synthèse pour

•les applications de cogénération

•la production de biocarburants 2^ièmegénération technologies :

•lit fixe (up-, downdraft)

•lit fluidisé recherche sur :

•réduction des contaminants dans le gaz gaz acides : H₂S, NH₃, HCN, HCl goudrons,

particules (cendres volantes)

•diversification de la biomasse acceptée

Imbert downdraft gasifier

Les réactions au sein d’un gazogène

séchage

• différentes possibilités :

via la chaleur du gaz produit

via la combustion interne du charbon produite

pyrolyse

oxydation réduction

Réalisations de gazogènes

co-courant contre-courant lit fluidisé

• bubbling

• circulating flow lit entrainé

choix dépend de :

• caractéristiques de la biomasse,

• utilisation finale,

• taille de l’installation,

• coûts,

• …

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Gazéification en lit fixe

puissance : 50 kW – 5 MWth, investissement : ~4 500 €/ kWelec

utilisation du gaz de synthèse en moteur à gaz

•nécessite le nettoyage du gaz

la biomasse utilisée : plaquettes forestières restrictions concernant la biomasse

•distribution de la taille des particules : fraction des fines, fraction des particules trop grandes

•taux d’humidité,

•taux des cendres,

•…

Gazéification en lit fixe : schéma

contre-courant (updraft) :

•efficace,

•taux de goudrons important en sortie du réacteur

co-courant (downdraft) :

•plus difficile à exploiter,

•taux de goudrons plus faible en sortie du réacteur

air gaz, goudrons, eau biomasse

pyrolyse réduction combustion C + CO2 = 2CO

C + H2O = CO + H2

C + O2 = CO2 4H + O2 = 2 H2O

air biomasse

gaz, goudrons, eau pyrolyse combustion réduction

cendres C + O2 = CO2

4H + O2 = 2H2O

C + CO2 = 2CO C + H2O = CO + H2

Gazéification en lit fluidisé

puissance : 5 à 100 MWth température < 900°C, flexible difficile à exploiter

utilisations du gaz de synthèse :

•turbine ou moteur à gaz,

•carburants 2^ièmegénération (méthanol, Fischer-Tropsch)

cendres gaz

Freeboard

lit fluidisé

biomasse air/ vapeur d’eau Plenum

Fluidized Bed Gasification – scheme

Gazéification en lit entrainé

cendres biomasse O₂

gaz puissance : 50 à 500 MWth

température > 1100°C, haute pression, consommation d’O₂pure

utilisation du gaz :

•turbine à gaz,

•carburants 2^ièmegénération (méthanol, diesel Fischer-Tropsch)

La courbe d’apprentissage appliquée à la gazéification

estimate actual

Simplified cost estimate with incomplete data

Finalized cost estimate First commercial service

2nd plant in service 3rd plant

4th plant 5th plant Design

construction period

mature plant cost

time constant costper unit of capacity

réduction des coûts d’investissement optimisation des coûts O&M

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Güssing : schéma de gazéification

Epuration Utilisationdu gaz

1 t/h de plaquettes forestières, lit entrainé température ~ 850°C; H2/CO ~ 1,5 2 MWel ; vapeur d’eau/biomasse ~ 0,6

catalyseur : Nickel sur olivine ^05/01/2011 Veolia Environnement Recherche & Innovation 44

Coûts Güssing

installation clé-en-main...9,2 mio EUR démonstration et optimisation……... 1,24 mio EUR mise en service...1,9 mio EUR subventions...6,8 mio EUR

Source : REPOTEC, www.repotec.at

Güssing : approvisionnement biomasse

contrats longue durée (10 ans)

bois local (association des sylviculteurs locaux) résidus bois de l’industrie bois local

prix fixe (adaptations via index) prix 2006 :

• bois de sylviculteurs : 1,6 Cents/kWh

• résidus bois: 0,7 Cents/kWh

Güssing : utilisation de la chaleur et du gaz

réseau de chaleur :

• 300 (95 %) maisons de particuliers

• 50 bâtiments publics

• applications (chambre de séchage) 27 km long

• deux températures prix (injectée dans le réseau):

•chaleur : 2,0 Cents/kWh

•électricité : 12,3 Cents/kWh

Güssing : coûts du projet

17%

37%

10%

13%

11%

2%

1%

6%

1%

2%

0%

Invesmentt Wood Personnel Maintenence Electricity Nitrogen Bed Material RME Precoat Residues Others