29 novembre 2005 edf en - dt 1 bioénergies edf en 29 11 2005 guillaume bourtourault 01 40 90 23 48...

29 novembre 2005 EDF EN - DT1

Bioénergies

EDF EN29 11 2005

Guillaume Bourtourault

01 40 90 23 [email protected]


Enjeu biomasse

Les sources d’énergies renouvelables

utilisées dans l’Union [Maniatis 2002]


Biomasse

Filièrebio-

carburants

Filièrebio-

électrique

Filièrebiochaleur

Éthanol

Huiles combustibles

Méthanol

Hydrogène

Électricité

Thermique industriel

Climatique collectif

Climatique individuel

0,3 / 50,4 Mtep

9 / 70 Mtep

Chauffage des bâtiments : 44 Mtep dont 10 électriques et 10 biomasseConsommation totale d’énergie primaire en France : 275 Mtep

1 / 32 Mtep

2 / 450 TWh

Les bioénergies dans le bilan


Perspectives de développement


1

Les filières


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


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, …


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


Une énergie polymorphe


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 : applications, traitement du gaz

Montage de pilotes

=> pyrolyse : production de biopétrole

Machines thermiques :

=> Stirling

=> ORC

=> MAV


Stirling

gazéification

rustique

méthanisation

à la ferme

méthanisation

pyrolyse

gazéification

combustion

co-combustion0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Investissement en €/kWe

Les technologies : le prix de l’innovation

Puissance en MWe


Energie disponible en ktep/an

Coût du combustible en €/MWh PCI

La ressource : l’exemple français

Granulés TCR Saule

Exploitation

forestière

Paille

Bois rebut

Industries du

bois

Déjection,

litières et lisiers

Farines animales

Déchets

biodégradables

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10 20 30Déchets


min estim. max.

Investissement 20 30 60

Coût combustible 20 60 120

O&M 8 15 40

Cogénération -90 -40 0

Total hors cogénération 60 90 120

Total avec cogénération 30 65 80

Coût de production en €/MWhLes coûts de production


2

Les filières biochimiques


Les filières biochimiques

Méthanisation

• En décharge

• En méthaniseur : différentes ressources et différentes tailles À la ferme Industriel

• Paramètres : température, humidité, composition

• Production électrique, cogénération, injection réseau, biocarburant

Fermentation alcoolique

• À partir de sucres

• Après hydrolyse chimique

Voies du futur : biochimie et synthèse biologique


La méthanisation

digesteur20 MWthdigesteur20 MWth

biomasse humide50 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


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


3

Les filières thermochimiques


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, fixe, mobile, en escalier, …

Vitrifié, humide, sec …


La chaufferie à plaquettes


Introduction de la biomasse

• étanchéité

• retour de flamme

• montée en température

• répartition sur la grille

• dévolatilisation

• régularité

• temps de séjour

• mélanges


Adéquation entre combustible et procédé

• préparation : homogénéité, propriétés de combustion

• Automatismes : humidité, gestion des stocks

• Mélanges : rôle de la fosse

Comportement des cendres :

• Fusion : teneur en Mg, K, Na

• Proportion : 1 à 40%

Corrosion : Cl, S Performance

• Rc = 90 % vapeur

La combustion


Chaudière

BOIS

Usage Chaleur

Condenseur

Turbine ou

Moteur

Eau

Vapeur HP Vapeur BP

30 à 90 bars 0,1 à 4 bar

Les technologies : la filière vapeur

Usage Chaleur

vapeur

vapeur

vapeurélectricité


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


La combustion : ancienne et mature, mais limitée

parce que la biomasse est hétérogène et peu énergétique température et pression de chaudière limitée grosses installations émissions polluantes

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

=> gazéification


Gazéification de la liqueur noire


- on tire des étapes de lavage le soufre « volant »

- on produit une liqueur de cuisson polysulfure de très bonne qualité (haute « sulfidité ») en mélangeant le soufre liquide obtenu avec la liqueur blanche

- on améliore ainsi le rendement en pulpe de 1,9%

liqueur noire

gazéification

gaz brut

lavage du gaz

gaz épuré

synthèse

méthanol / DME

cendresliqueur blanche

soufre

liqueur de cuisson de haute qualité



4

La gazéification


La pyrolyse - gazéification


Lit fixe, lit fluidisé bouillonnant

• Jusque 2 MWe avec combustible bois

• Installation commerciale en cogénération : DK, F, A, B

Lit fluidisé circulant

• Jusque 10 MWe avec TAC et plus avec chaudière

• En cocombustion

Flux entraîné

• fusion des cendres

• problème de préparation de la charge

La gazéification


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


Composition du gaz

sec de Güssing

H2 35 %

CO 25 %

CO2 25 %

CH4 10 %

N2 5 %

La gazéification

Performances

• gaz combustible à 40 - 70 %

• 4 - 15 MJ / Nm3 (GN = 36 MJ)

• Rendement de conversion énergétique jusque 80%

• Rendement électrique jusque 32 %

Composition du gaz

sec de PRME

H2 5 %

CO 16 %

CO2 14 %

CH4 5 %

N2 58 %


Lit fluidisé bouillonnant

biomasse

biomasse

biomasse

Cendres

Cendres

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]


Lit fluidisé circulant

Lit fluidisé circulant allotherme à 2 chambres

cendresbiomasse

biomasse

Lit, cendres volantes, et particules organiques


Agent gazéifiant Comburant

Lit, charbon, cendres

Lit, charbon, cendres

fuméesthermog

az

Cendres

volantes

Comburant et agent gazéifiant

Cendres de lit



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



Installation de Louvain (B), société Xylowatt


Xylowatt : une solution « emballée »


Güssing


Güssing

Gazéifieur FICFB à vapeur

Filtre à manches

Colonne de lavage au biodiesel

Moteur à gaz Jenbacher

Chaudière à gaz

Puissance combustible = 10 MWth

Capacités = 2 MWe + 5 MWth

rélec = 20% et rglobal = 70%


La gazéification : les difficultés

Les clés de la technologie

• Introduction de la biomasse

• Apport de la chaleur nécessaire à la gazéification

• Lavage du gaz

• Qualité des cendres

Problème des rejets

• Rejets solides : cendres chargées en charbon, suie, goudrons et lit

• Rejets liquides :

• organiques : gazéifiés

• aqueux : recyclés, incinérés ou traités


La gazéification : les enjeux

Avantages d’un combustible gaz

• Gaz épuré avant combustion : NH3, Cl, S

• Flamme mieux maîtrisée, niveaux de température contrôlés (cocombustion, reburning, vitrification des cendres)

• TAC ou MAG, avec possibilité de cycle combiné, y compris dans de petits systèmes

• Gaz de synthèse réducteur utilisable par l’industrie (biocarburant 2G)

Tolérance combustible

• Temps de séjour peut être long : Güssing, PRME

• Agent de gazéification adapté

• Eau intervient directement dans les équilibres


5

Les bioénergies et le Groupe EDF


Activités et compétences du Groupe


EnBW : ingénierie expérimentée, investissement, exploitation, SEM, préparation du combustible et traitement de déchets, ISKA

Dalkia : chaufferies et biogaz en France, logistique via ONYX, compétence cogénération, cocombustion en République Tchèque, R&D

EDF : assistance technique et commerciale, R&D

EDF Energy : cocombustion

ESTAG : petits moyens de production innovants

EDF Polska : cocombustion

TIRU et U-Plus : valorisation des déchets




fait le 25/02/2005 TOTAL

Heat capacity (MWth) 226 y compris

Heat efficiency (%) combustibles fossiles

Power capacity (MWe) 590

Bioheat capacity (MWth) 210 seulement biomasse

Biomass share for power generation (%)

Biopower capacity (MWe) 119

Produced bioheat (MWh thermal per year) 1 164 295 énergie produite

Biopower production time (hours)

Produced biopower (MWh electrical per year) 923 800

EDF Group bioheat capacity (MWth) 174 consolidé Groupe EDF

EDF Group biopower capacity (MWe) 89

EDF bioheat capacity (MWth) 69 consolidé EDF

EDF biopower capacity (MWe) 45 maison mère


Acteurs et marchés

Les grands acteurs producteurs industriels- Electrabel, RWE, Eon, EPR- sinon encore très éclaté- les jeux sont en train de se faire : exemple de VelcanEnergy

Les équipementiers- technologies passent de main en main, sauf certaines bien affirmées comme la paille danoise - fabrication délocalisée- rôle particulier de l’Inde

Les producteurs de biomasse- effets d’annonce (Brésil, ONF)- jeu de la poule et de l’oeuf- géostratégie à l’est de l’Europe


6

FAQ


FAQ

Définition du PCIÉnergie nette libérée au cours de l'oxydation d'une unité de masse de combustible, à l'exclusion de la chaleur requise pour la vaporisation de l'eau du combustible et de l'eau produite par la combustion de son hydrogène combustible. PCI = PCS - 21,998(H) - 2,444(W)

Définition du PCSÉnergie potentielle maximale libérée par l'oxydation complète d'une unité de masse de combustible, y compris l'énergie thermique récupérée par la condensation et le refroidissement de tous les produits de combustion. Étant donné que le PCS varie avec la teneur en humidité, il faut indiquer cette dernière avec les valeurs de PCS.

Définition « empirique » :PCI = énergie masse sèche – 0,006 x hPCI = PCI MS x (100-h) / 100 – 0,006 x h


FAQ

Définition de l’efficacité énergétique

Efficacité globale = (kW élec + kW chaleur) / kW PCI biomasse

Rendement électrique = (kW électrique) / kW PCI biomasse

Énergie vapeur = f (T°C, pression)

1 MWth = 1,40 t vapeur (12 bar) = 1,44 t vapeur (4 bar) = 1,46 t vapeur (2,5 bar)

Variantes appel d’offre :

- sortie chaudière

- cohérence puissance installée / énergie produite


7

Autres éléments


Installation de gazéification de Harboore (DK), société Voelund


Université technique du Danemark (DK), société COWI,

système BIG-LOW-TAR [1]


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]


Société EDL (Australie), commune de Wollongong, système

complet de traitement des déchets… à l’arrêt.


Un combustible, des combustibles…

1 m3


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


Le moteur Stirling


La pyrolyse

production de gaz, de biopétrole, et de charbon

biopétrole pour stockage, transport, raffinage, synthèse ou combustion - en une étape.

Charbon : particuliers / actif

Préalable à la gazéification

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)


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)

29 novembre 2005 edf en - dt 1 bioénergies edf en 29 11 2005 guillaume bourtourault 01 40 90 23 48...

Documents