7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables1
Cours Bioénergie
Insa Rouenannée 2005-2006
Guillaume BourtouraultEDF R&D
01 30 87 78 [email protected]
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Les filières
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Rappel des enjeux techniques
CO2 + H20 matière organique (C, H, O, N) énergétique
Matière organique exposée à une agression chimique, biologique, ou physique
énergie solaire
CO2 + H20
bioénergie
Sels minéraux
Cendres
Polluants
Naturelle ou artificielle
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Rappel des enjeux techniques
Une contribution nulle à l’effet de serre, mais pas à la pollution atmosphérique
Eléments minéraux : P, K, Na, S, Cl, oligo-éléments, métaux lourds
Polluants issus de la dégradation de la biomasse : - inorganiques : NOx, SOx, HCl, H2SO4, …- organiques : suies, goudrons, méthane, …
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La bioéconomie
Biomasse renouvelable accumulable
et locale
déchets
produits et co-produits
Primaire : agriculture
sylviculture…
Secondaire : agroalimentaire
meublespanneaux
restaurationpapier carton
…
bioélectricité
biochaleur
bioproduitsbiocombustibles biocarburants
Séquestration du CO2 Libération du CO2
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Une énergie polymorphe
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Etat de l’art de la production d’énergie à partir de biomasse (hors biocarburants)
Amélioration de technologies établies
=> combustion : rendement, émissions
Technologies de démonstration
=> gazéification : applications, traitement du gaz
=> méthanisation
Montage de pilotes
pyrolyse : production de biopétrole
Stirling, ORC, MAV
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Les filières biochimiques
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Les filières biochimiques
Méthanisation
• En décharge• En méthaniseur : différentes ressources et différentes tailles
À la ferme Industriel
• Paramètres : température, humidité, composition
Fermentation alcoolique
• À partir de sucres• Après hydrolyse chimique
Voies du futur : biochimie et synthèse biologique
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La méthanisation
digesteur20 MWthdigesteur20 MWth
biomasse humide50 000 kt/an
épurationépuration
biogaz
6 000 000 Nm3/an Moteur ou turbine à gaz
Moteur ou turbine à gaz
1,3 MWe électricité10 000 MWhe/an
chaleur chaleur chaleur
digestat à composter
- Chaleur principalement utilisée dans le procédé- Faible rendement électrique- Voie de traitement des déchets
compost 19 kt/an
chaleur
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Le traitement du biogaz
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Le traitement du biogaz
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Le traitement du biogaz
Éléments Majoritaires : CH4 + CO2 > 95 %
Éléments traces : COV, soufrés, halogénés, siloxanes, …< 1% v. (env. 577 composés)
Éléments Majoritaires : CH4 + CO2 > 95 %
Éléments traces : COV, soufrés, halogénés, siloxanes, …< 1% v. (env. 577 composés)
% vol. CET, STEP, lisiers, …
% CH4 30 – 75
% CO2 22 – 34
% N2 0 – 26
% O2 0 – 8
H2O 4 à 6 à 30-40°C
H2S mg/m3 5 – 10 000
Soufrés : protéïnes, gypse, sols
Halogénés : CFCs, PVC, résines
Siloxanes : cosmétiques, lubrifiants, construction
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Les filières thermochimiques
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Procédé traditionnel = combustion sur grille
Lits fixes, fluidisés, flux entraîné
Mode d’introduction de la biomasse
Air primaire, secondaire, tertiaire
Extraction des cendres
La combustion
Grille vibrante, inclinée, mobile, fixe, en escalier, …
Vitrifié, humide, sec …
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Adéquation entre combustible et procédé
• préparation : homogénéité, propriétés de combustion
• automatismes
• mélanges
Comportement des cendres :
• Mg / K, Na
• Combustible : 3 à 20%
Corrosion : Cl, S
Performance
• Rc = 90 % vapeur
La combustion
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Chaudière
BOIS
Usage Chaleur
Condenseur
Turbine ou
Moteur
Eau
Vapeur HP Vapeur BP
Électricité
30 à 60 bars 0,1 à 2 - 4 bars
Les technologies : la filière vapeur
Usage Chaleur
Usage Chaleur
Usage Chaleur
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La cogénération papetière
parc à bois
évaporation
combustioncaustification
clarification
liqueur noire
liqueur noireconcentrée
liqueur verte
liqueur blanche
Vap BP et MP
Vap BP
Vap HP
Chaudière déchets bois
turbines
cuisson lavage épuration séchoir
Vap BP et MP
blanchiment épuration
Vap BP
four à chaux
turbine
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La chaufferie à plaquettes
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La chaudière à granulés
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La combustion : ancienne et mature, mais limitée
pour limiter le coût des matériaux pression de la vapeur limitée (40 - 50 bars)
parce que la biomasse est très hétérogène température de combustion limitée (~ 500 °C)
parce que la vente de chaleur est nécessaire à l’équilibre économique utilisation de la vapeur pour la production électrique limitée
parce que la ressource est dispersée, et les coûts de transport élevés les installations sont petites, décentralisées, proches de la ressource
les pertes thermodynamiques et hydrodynamiques sont élevées
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Nouveaux systèmes de combustion : ORC, MAV, Stirling
Technologie
Gam m e de
puiss ance
(k W e)
Rendem ent
élec trique
Inves tis sem ent
spéc ifique
(E ur/kW e) Carac téris t iques
M oteur 120 à 1500 15 à 20% 600 à 900 plus perform ant que les turbines en faible puiss anc e
à vapeur faible pres s ion de travail : 30 bars
coûts d'inves tis sem ent et d'exploitat ion élevés
ORC 300 à 1000 12 à 15% 1200 à 1800 huile therm ique au lieu de vapeur
(TA V : faible sens ibilité aux variat ions de c harge
400 à 1200) pas de dém ult iplic ateur
pas de diphas ique
S tirling 1 à 350 20 à 30 % 1800 à 2300 seule poss ibilité à très petite puiss ance
(M A G : 800) rendem ents élec triques potentiellem ent élevés
s ilenc ieux , fac ilité de m is e en oeuvre,
com bus tion ex terne
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Le moteur Stirling
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Le moteur Stirling
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La pyrolyse - gazéification
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La pyrolyse
production de gaz, de biopétrole, et de charbon
biopétrole pour stockage, transport, raffinage, synthèse ou combustion - en une étape.
Charbon : particuliers / actif
gazéification partielle
toutes les applications à différents stades de R&D– pyrolyse rapide au stade pilote, mauvaise visibilité– qualité produits : norme, préparation– à moyen terme
Performance
• Rc = 60 à 90 % biopétrole
• 17 MJ / kg (0,5 x diesel)
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La pyrolyse
Projets européens de recherche en Italie, Espagne, Pays-Bas– Pyrolyse de bois pour la production de biopétrole– En lit fluidisé– Autonomie énergétique du procédé– Essais de moteurs diesel
Pyrolyse lente : 2 installations industrielles en Europe– En France : Usines Lambiotte
– 100 000 t/an de bois– 20 000 t/an de charbon de bois– Autonomie énergétique de la pyrolyse : gaz non condensable– Acide acétique, méthanol, solvants, arôme de fraise des bois !
– En Allemagne : Chenviron– Autres synthèses chimiques « de niches » (fumé)
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Lit fixe, lit fluidisé bouillonnant
• Puissance : jusque 2 (5) MWe, combustible bois
• Installation commerciale : oui en cogénération, DK et F
Lit fluidisé circulant
• Puissance : jusque 10 (80) MWe
• Installations de démonstration
Lit suspendu ou flux entraîné
• fluidisation et gestion des cendres, problème d’homogénéité
La gazéification
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Composition du gaz
de synthèse
H2 30 - 45%
CO 20 - 30%
CO2 15 - 25%
CH4 8 - 12%
N2 3 - 5%
La gazéification
Performances
• gaz combustible à 40 - 80 %
• 4 - 15 MJ / Nm3 (GN = 36 MJ)
• Rendement de conversion énergétique jusque 80%
• Rendement électrique = 40 %
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La gazéification : les enjeux
Tolérance combustible
• Temps de séjour peut être long
• Gaz : simple.
• Eau intervient directement dans les équilibres.
De nombreux systèmes brûlent le gaz en sortie de gazéifieur
• Haute température, souplesse combustible, co-combustion, petits systèmes, automatisation, vitrification des cendres, calcination du calcaire…
Gaz réducteur
• Reburning pour abaisser les Nox
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La gazéification : les enjeux
Pureté du gaz
• Seul production de solides = cendres volantes, goudrons, fines
• Gaz de synthèse
Parfaite maîtrise des émissions atmosphériques
• Traitement des déchets
Et des résidus solides
• Lit : sable. Traitement des goudrons : magnésie.
• Agriculture, cimenteries
les cyclonesles cyclones
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La gazéification : les réactions en jeu
Gazéification
• C + 1/2 O2 CO C + O2 CO2
• C + H2O CO + H2
Equilibres
• CO + H2O CO2 + H2
• CO + 3 H2 CH4 + H2O
Et synthèses
• CO + 2 H2 CH3OH
• CO + 2 H2 -- CH2-- + H2O
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Lit fluidisé bouillonnant
biomasse
biomasse
biomasse
Cendres
Cendres
Thermogaz et fumées
Thermogaz et fumées
Thermogaz et fumées
Comburant et
agent gazéifiant
Cendres
Cendres volantes et particules organiques
Comburant et
agent gazéifiant
Comburant et agent
gazéifiantLit fixe contre-courant
Lit fixe co-courant
Les gazéifieurs [1]
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Lit fluidisé circulant
Lit fluidisé circulant allotherme à 2 chambres
cendresbiomasse
biomasse
Lit, cendres volantes, et particules organiques
Thermogaz et fumées
Agent gazéifiant Comburant
Lit, charbon, cendres
Lit, charbon, cendres
fuméesthermog
az
Cendres
volantes
Comburant et agent gazéifiant
Cendres de lit
Les gazéifieurs [2]
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Combustion partielle des vapeurs
biomasse
Comburant
Comburant
Cendres vitrifiées
Charbon
Gaz et vapeurs
Gaz de synthèse
Combustion partielle du charbon
biomasse
Cendres
thermogaz
syngaz
Comburant
Lit froid et char
Lit haute température
Lit chaud
Gaz de combustio
n
Les gazéifieurs [3]
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Installation de Harboore (DK), société Voelund
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Installation de Louvain (B), société Xylowatt
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Université technique du Danemark (DK), société COWI, système BIG-LOW-TAR [1]
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2ème étagegazéification
1er étageSéchage et pyrolyse
oxydation partielle
surchauffe
Evaporation
Moteur
Refroidissement et épuration
préchauffe
eau
air
biomasse
Charbon
VapeursGaz
Gaz
Gaz Gaz
flux matière et énergie
Université technique du Danemark (DK), société COWI, système BIG-LOW-TAR [2]
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Société EDL (Australie), commune de Wollongong,
système complet de traitement des déchets… à l’arrêt.
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Un combustible, des combustibles…
1 m3
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