7 octobre 2005 edf r&d / spe / production décentralisée et énergies renouvelables 1 cours...

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]


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

7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

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


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

Fermentation alcoolique

• À partir de sucres• Après hydrolyse chimique

Voies du futur : biochimie et synthèse biologique


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


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, mobile, fixe, en escalier, …

Vitrifié, humide, sec …


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


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


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 chaufferie à plaquettes


La chaudière à granulés


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


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 - gazéification


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)


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)


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


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 %


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


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


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


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 Harboore (DK), société Voelund


Installation de Louvain (B), société Xylowatt


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

7 octobre 2005 edf r&d / spe / production décentralisée et énergies renouvelables 1 cours...

Documents