Biocarburants Etat des lieux Zoom sur la voie thermochimique

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1 Biocarburants Etat des lieux Zoom sur la voie thermochimique
Thierry MELKIOR CEA

2 Pourquoi les biocarburants ?

3 Contexte énergétique mondial
Scénario « Politiques actuelles » Comme son nom l’indique, il est fondé sur le maintien des politiques énergétiques actuelles et le non-respect des engagements pris pour améliorer l’efficacité énergétique de nos sociétés, pour réduire l’utilisation d’énergies fossiles fortement émettrices de gaz à effet de serre. Scénario « Nouvelles politiques » A l’inverse du scénario précédent, il prend en compte les engagements politiques généraux et les plans d’action annoncés pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Scénario 450 Il propose des des trajectoires énergétiques cohérentes pour limiter le réchauffement climatique à 2°c en moyenne, ce qui suppose de parvenir à limiter la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère à 450 ppm d’équivalent CO2.

4 Contexte énergétique Energies fossiles = 80% de l’énergie

5 Demande en énergie (carburants)
Contexte énergétique Effet de serre (CO2) Ressources fossiles Demande en énergie (carburants)

6 Le défi énergétique : quelles solutions ?
Limiter la consommation énergétique Augmenter la part des énergies renouvelables D’après les objectifs fixés dans l’Union Européenne

7 Les filières de biocarburants

8 1ere génération …Les agrocarburants

9 1ere génération Aujourd’hui : réalité industrielle
Incroporation dans essence (éthanol jusqu’à 7%, ETBE jusqu’à 15%), SP95-E10 Biodiesel : incorporation de diester jusqu’à 7% dans le gazole Usine d’éthanol de ble Roquette a Beinheim, Alsace Usine de production de diester du Meriot, Aube (Prolea)

10 1ere génération

11 2eme génération Aujourd’hui : stade de développement de pilotes
Il reste quelques points techniques à résoudre Intégration énergétique : réduire les coûts de production

12 3eme génération Aujourd’hui : Semble très prometteur
Etudes de laboratoire (biologie, génie chimique) Evaluations technico-économiques

13 La biomasse

14 La biomasse Biomasse sèche ou lignocellulosique Biomasse humide
Bois (bûches, granulés, plaquettes…) Résidus agricoles (pailles…) Sous-produits du bois (branches, écorces, sciures, palettes…) Plantations énergétiques (miscanthus, peuplier…) Biomasse humide Produits de l’agriculture traditionnelle (céréales, oléagineux) Sous-produits de l’industrie (boues issues de la pâte à papier, pulpes de raisin…) Déchets organiques (boues d’épuration, ordures ménagères, fumier…) (betterave, canne à sucre) Biomasse algale Microalgues

15 Propriétés physico-chimiques biomasse lignocellulosique
Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France ( ) Densité très faible surtout pour résidus agricoles Teneur en eau variable (durée de séchage, période de récolte) Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricoles Matières volatiles : Presque toute la masse C6H9O4 Mesures Unités Bois forêt Résidus agricoles Densité apparente - 0,27 0,05 Teneur en eau %m 10-50 10-70 Cendres %ms 1,4 4,6 Matières volatiles 86,9 87,4 C 49,7 47,0 H 5,9 5,8 O 42,5 42,1 PCI sur sec MJ.kg-1 18,4 17,3 Gazole : 44MJ/kg Essence : 47 MJ/kg (*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres (**) d’après la littérature

16 Le potentiel de biomasse lignocellulosique en France
Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici ! Potentiel (MTep) Estimation basse Estimation haute Bois (rémanents, produits en fin de vie) 5,5 11,6 Résidus agricoles 1,4 8,7 Cultures énergétiques 8,2 Déchets 2 Total ~7 ~30 Le potentiel / la quantité disponible : Ressources non valorisées actuellement et exploitables (rentabilité économique) Valeur subjective Valeur évolutive dans le temps Rester prudent : Chiffres divergents selon les sources ! Ce qui pourrait représenter jusqu’à : Environ 10% de la consommation française d’énergie primaire Environ 40% de la consommation française de carburant

17 Zoom sur la voie thermochimique

18 La gazéification : étapes du procédé

19 Gazéification (biomasse sèche)
Chaleur, électricité Biomasse Moteur turbine à gaz cycle combiné Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse Carburant liquide (Diesel Fischer-Tropsch, méthanol) Carburant gazeux (SNG) Carburant gazeux (H2PAC)

20 Gazéification (biomasse sèche)
Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

21 Le prétraitement Matière première : Séchage  humidité visée : 15-20 %
Plaquettes forestières Paille ou autres produits agricoles : fagots ou en vrac Séchage  humidité visée : % Broyage  granulométrie visée : fonction du réacteur de gazéification Lit fluidisé : 1-50 mm Flux entraîné : µm décomposition thermique sous gaz neutre Transformation T (°C) Vitesse de chauffage Produits Réacteur Avantages / inconvénients Pyrolyse rapide 500 >1000°C.s-1 >75% liquide Lit fluidisé, double vis, cône rotatif, ablatif… Production d’un liquide facilement transportable et injectable Coûteux Pyrolyse lente ~5°C.min-1 30% gaz 30%liquide 30%solide Four tournant Broyage fin du solide facilité Transformation bien maîtrisée Pas décentralisable Torréfaction 80% solide 20% gaz+liquide Four tournant, à plateaux ? Perte de masse limitée Pas encore industrialisée

22 Gazéification (biomasse sèche)
Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

23 La gazéification Biomasse C6H9O4 Humidité : 15-20% Séchage
T= °C Très rapide Matières volatiles : Goudrons Gaz (H2, CO, CO2, CH4, H2O) Résidu solide ( surtout C) Pyrolyse Gazéification + H2O T= °C H2, CO Très lent + O2 + composés inorganiques : H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl… + particules + suies Combustion CO, CO2 Lent

24 Réacteur à lit fluidisé
Température °C Pression 1-10 bars Taille particules 1-50 mm Atmosphère gaz H2O, O2 Temps de séjour solide ~ minutes Puissance 1-100 MWé Avantages : Technologies variées et matures pour la biomasse : échelle industrielle atteinte pour les applications cogénération Particules « grosses » (cm) : préparation et injection simples Inconvénients des LF : Températures de gazéification <1000°C => Gaz contenant encore CH4, CO2, Gaz chargé en goudrons Fonctionnement en pression pas toujours possible ( selon techno) Pb d’agglomération de lit pour certaines biomasses Pas adapté pour les tailles importantes

25 Réacteurs à flux entrainé
Flux Entraîné Température °C Pression 5-80 bars Taille particules <0,2 mm Atmosphère gaz H2O+O2 Temps de séjour solide ~ secondes Puissance >100 MWé Avantages du RFE : Haute température (1300°C)=> équilibre thermodynamique Gaz presque exclusivement CO + H2, Craquage des goudrons Fonctionnement en Pression (20-80 bars) Cendres fondues et récupérées dans la zone de trempe Adapté pour les installations centralisées ( grande taille : 500 MWth et +) Inconvénients du RFE : Injection de liquide, de slurry ou de poudre (300µm) => préparation : Broyage fin (coûteux)/Pyrolyse (huile )/Torrefaction + Broyage Pas adapté pour installations décentralisées ( petites et moyennes tailles < 100 MWth)

26 Gazéification (biomasse sèche)
Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

27 Le post-traitement C H O + 2 H O => 6 CO + 6,5 H 6 9 4 2 2 Gaz issu de la gazéification : H2, CO (H2/CO=1) + impuretés Nettoyage des impuretés selon les spécifications du post-traitement Ajustement du rapport H2/CO  2 (Fischer-Tropsch, méthanol)  3 (méthanation)

28 Le post-traitement : nettoyage des impuretés
Les étapes en aval (synthèse) imposent l’élimination + ou – poussée : Des particules et aérosols Des goudrons Eventuellement du CH4 et des hydrocarbures légers Des composés inorganiques : H2S, SO2, NH3, HCN, HCl, HF, KCl… Cyclones, filtres Destruction haute Tre, catalyse, laveur Filtre, laveur Installations industrielles encrassées par la condensation de goudrons (photos ECN).

29 Le post-traitement : ajustement ratio H2/CO
O => 6 CO + 6,5 H n C O + 2n H => CnH2n(+2) + nH2O 6 9 4 2 2 2 1ère solution : water gas shift On enlève du CO (6  4,5) pour créer H2 (6  9) 1,5 CO + 3 H2O => 1,5 CO2 + 3 H2 On perd 25% du carbone en CO2 2ème solution : hydrogène On garde nos 6 CO… et on ajoute 6 H2 On garde tout le carbone dans le carburant !

30 Gazéification (biomasse sèche)
Post-traitement Prétraitement Gazéification Synthèse

31 Carburants de synthèse
A partir d’un gaz CO + H2 on peut synthétiser : Méthanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 19,8 MJ/kg) Ethanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 29,7 MJ/kg) DiMéthylEther (0,67 ton/m3 ; PCI = 28.4 MJ/kg) Diesel Fischer-Tropsch (0,78 ton/m3 ; PCI = 44 MJ/kg) méthane (gaz) via une unité de méthanation (besoin de H2/CO =3) Le diesel Fischer-Tropsch est intéressant car directement utilisable dans les moteurs actuels Synthèse Fischer-Tropsch Procédé ancien (années 30) Chaînes CnH2n à partir de CO et H2 H2/CO=2 ; T = 250 °C ; P = 25 bars Sous-produits : eau et chaleur basse T 3 usines dans le monde pertes Naphta C5-C9 Diesel – kérosène C10 – C20 off gas C1-C4 Licences existent. Pas d’efforts de r&d requis

32 Situation et acteurs de la gazéification

33 Gazéification : situation actuelle
Technologie ancienne appliquée à l’échelle industrielle au charbon Utilisation grande échelle : périodes de pénurie de pétrole Allemagne : 2ème guerre mondiale Afrique du Sud : Apartheid Applications multiples de maturité différente Majorité des installations : production électricité et chaleur Industrialisation à court-terme ( ) : BtL, DME, SNG A moyen-long terme (2030?) : H2

34 Les verrous actuels de la gazéification
Etapes individuelles maîtrisées dans le cas du charbon (ou gaz naturel) Verrous énergétiques : rendement global du procédé efficacité des différentes étapes Intégration énergétique des étapes dans le procédé Éviter les montées et descentes de T et P Ex : faire la gazéification à la même pression que la synthèse Verrous technologiques : Choix du réacteur optimal / application Résolution des problèmes associés Injection de biomasses sous forme pulvérisée Corrosion des installations… Application aux biomasses Intégration dans le procédé

35 Acteurs de la gazéification
Europe : leader mondial Autres pays impliqués : USA, Chine : surtout orientés charbon Brésil… Allemagne : leader européen Autres pays en pointe : Pays-Bas, Pays nordiques (Suède, Finlande) France : en retard…mais volonté récente d’implication + forte Rejoint les pays en pointe Intérêt récent de nombreux pays : Espagne, Italie, Portugal, Grèce… Centrale FT Güssing, Autriche

36 Principaux acteurs en Europe
Centre de recherche Plusieurs grands centres de recherche appliquée + universités Soutien aux unités pilotes Varkaus Unité pilote Pitea VTT + universités Güssing ECN CHOREN BioTfueL IEC Freiberg Bioliq Bure CEA, CIRAD, CNRS,… KIT Güssing CHOREN Varkaus Gaya TUVienna CENER, CIEMAT

37 Principaux projets pilotes en Europe
Bioliq BioTfueL Bure CHOREN Gaya Güssing Pitea Varkaus Pays Allemagne France Autriche Suède Finlande Application FT DME SNG cogénération BtL DME, méthanol Technologie Flux entraîné (+prétraitement par pyrolyse slurry) Flux entraîné Lit fluidisé (double) Lit fluidisé Echelle (t biomasse sèche/h) 1 (slurry) 3 10 1 a-plant 10b-plant 100s-plant 0,5 1-2 1 (liqueur noire) 2-3 Industriels associés CAC GmbH Lurgi MUT Axens Sofiproteol Total Uhde Non encore défini Daimler GdF-SUEZ Repotec UCFF AEEnergietechnik CTU Volvo Chemrec Stora Enso Neste Oil R&D associée KIT CEA, IFP CEA IEC Freiberg CEA, FCBA, CNRS TUVienna VTT Etat d’avancement En construction Projet démarré en 2010 En cours d’étude a-plant2002 b-planten cours s-plant ? En fonctionnement depuis 2002 2010 Démarrage en 2009 Ressources Energéticien Papetier Pétrolier Motoriste Chimiste Intérêt fort pour les carburants liquides et gazeux Industriels de domaines différents

38 Les principaux acteurs du domaine en France
Renault EdF INRA Véolia Total GdF-Suez GIE-Arvalis ONIDOL De nombreux acteurs… …Mais une communauté restreinte Rôle des régions (Pôles de compétitivité) Centre Champagne-Ardennes Languedoc-Roussillon Lorraine PACA Rhône-Alpes… Air Liquide UTC CEMAGREF AXENS CNRS Nancy CNRS Orléans ONF Sofiproteol UCFF IFP FCBA CEA Europlasma LGC CIRAD Ressources Procédés R&D Industriels EMAC

39 Bilan économique, énergétique & environnemental

40 Les Rendements pour la gazéification de biomasse et synthèse FT
Procédé Rdt masse (%) Carbone Rdt énergie (%) C10+ Électricité injectée (Mwe) Lit Fluidisé seul 7-11 20-26 ~ -7 (produit) Lit Fluidisé + Étage HT avec recyclage partiel des sous produits (naphta) 15-19 ~66 Réacteur à flux entraîné autothermique avec recyclage des sous produits 16-20 39-45 Réacteur à flux entraîné plasma avec recyclage des sous produits 34-38 23-29 ~205 Le procédé optimal dépend de l’objectif : Maximiser rendement masse  diminution rendement énergie Fonctionner sans apport d’énergie externe  diminution rendement masse Source : Les biocarburants, D. Ballerini edition Technip 2011

41 Bilan économique Les coûts de production de la 2G restent encore peu attractifs. Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable development, OECD, 2007

42 Carburants et gaz à effet de serre (GES)
Source : “Well-To-Wheel analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, WTW report, 2007 2G 1G 2G 1G CO2 émis (g/km) Carburants 1G et 2G : gain significatif sur les émissions GES Gain carburants 2G >> gain carburants 1G

43 Biocarburants 2G : les dangers
Mauvaises pratiques forestières Coupe « à blanc » avec extraction de toute la biomasse, Nouvelle Ecosse, Canada. (source Greenpeace)

44 Biocarburants 2G : les dangers
Le « deserto verde » au Brésil

45 Eucalyptus forest for paper manufacturing at Aracruz Celulose in Barra do Riacho, Brazil Photograph: Paulo Fridman/Corbis

46 Merci de votre attention

47 La biomasse sèche : inventaire du potentiel français
Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici ! CEA 2000 Hyp. Basse Haute PLAQUETTES FORESTIERES Rémanents (2) ; Eclaircies de plantation (2) ; Taillis (potentiel 50 Mm3) (1) 4 7 8 DECHETS DE 1ère et 2ème TRANSFORMATION (1) Écorces, délignures, sciures (Non utilisés) ; Copeaux, chutes, rebus (Mal utilisés) 3 DECHETS INDUSTRIELS BANALS (3) 40 Mt dont 25% disponibles (bois en fin de cycle) 5 RESIDUS AGRICOLES (2),(4) Paille et tiges de céréales, mais et oléagineux, taille, noyaux, coquilles,… 43 Mt dont utilisables 10 2 CULTURES ENERGETIQUES (2),(4),(5) Taillis à courte révolution (peupliers,eucalyptus, saules) ; Plantes herbacées (canne de Provence, céréales) 1 DECHETS ORGANIQUES (OM, boues….) (3) 20 Mt dont 60% disponibles 6 3,5 TOTAL sans les déchets ménagers (Mtep) 32 20 8% de la consommation française d’énergie primaire 40% de la consommation française de carburant 20 Mtep : (1) X. DEGLISE, J. LEDE, Entropie n° 94 (1980) (2) R. DUMON (3) Débat énergie et environnement SOUVIRON (1994) (4) Rapport CEE (octobre 1998) (5) Rapport Biomasse et Énergie (Haut Commissaire 2001) Même en potentiel : pas de substitution à 100%

48 Contexte énergétique - France
Transport Routier : dépend à 95% des énergies fossiles Biocarburants : 1% de la consommation totale de carburants Consommation d’énergie secteur des transports : ~30 % de la consommation totale

49 Les Enjeux du Secteur des Transports
Environnement Réduction des émissions de gaz à effet de serre Réduction d'autres polluants locaux rejetés par l’Automobile Politique Réduction de la dépendance énergétique vis-à-vis du Pétrole Sécurité d’approvisionnement Préservation de l’environnement Ressources Gisements importants, diversifiés et équitablement répartis Valorisation complémentaire de ressources agricoles, forestières… Social Aménagement du Territoire Création d’emplois dans les pays producteurs

50 Les propriétés physico-chimiques de la biomasse
Valeurs moyennes d’après étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France ( ) Mesures Unités Bois forêt Résidus agricoles Densité apparente - 0,27 0,05 Humidité %m 10-50 10-70 Cendres %ms 1,4 4,6 Matières volatiles 86,9 87,4 C 49,7 47,0 H 5,9 5,8 O 42,5 42,1 N 0,2 0,8 S 0,19 0,15 Cl mg/kg 152 2828 F 35 72 PCI sur sec MJ.kg-1 18,4 17,3 Capacité calorifique J.kg-1.K-1 ~1500 (**) Conductivité thermique (*) W.m-1.K-1 ~0,1-0,3 (**) ~0,03-0,1 (**) Température de fusion des cendres °C 1100 1000 Densité très faible surtout pour résidus agricoles Humidité variable (durée de séchage, période de récolte) Cendres : faible pour bois / + élevé pour résidus agricoles Principalement formées de CaO (bois) /SiO2 et K2O (agricoles) Matières volatiles : Presque toute la masse C6H9O4 Présence de N et S Présence de Cl surtout dans résidus agricoles Présence de ppm de F et autres éléments (Si, Ca, K, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, B, Fe, Al, Mg, P, Mn…) PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur Environ la moitié du PCI gazole (42,6 MJ.kg-1) Gaz émis lors de la décomposition thermique Quantité d’énergie dégagée par la combustion de 1 kg de biomasse, l’eau étant à l’état vapeur Matériau mauvais conducteur de la chaleur Tfusion des cendres variable liée à leur composition (*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres (**) d’après la littérature

51 Gazéification (biomasse sèche)
Biomasse lignocellulosique Gaz de synthèse (H2, CO) Moteur turbine à gaz cycle combiné Post-traitement Gazéification Prétraitement Rendement élevé Exigences limitées sur le gaz de synthèse Compétition autres applications? Chaleur, électricité Moteur Turbine à gaz Cycle combiné

52 Bilan énergétique comparé des filières carburant (sans valorisation des coproduits)
Diesel Kérosène EMHV de colza Filière trituration ETBE MTBE Filière fermentation Filière gazéification Ethanol (betterave) Ethanol (blé) Essence Pour toutes les filières I>1 sauf pour ETBE et MTBE ETBE et MTBE produits à partir d’éthanol et de produit fossile (isobutylène, méthanol) EMHV : le meilleur indice parmi les carburants de 1ère génération Filière gazéification : indice nettement meilleur

53 Bilan économique Les coûts de production de la 2G restent encore peu attractifs. Source : “Biofuels: is the cure worse than the disease?”, Round table on sustainable development, OECD, 2007