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

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

2 2 Pourquoi les biocarburants ?

3 3 Contexte énergétique mondial

4 4 Contexte énergétique

5 5 Effet de serre (CO 2 ) Effet de serre (CO 2 ) Demande en énergie (carburants) Ressources fossiles

6 6 Daprès les objectifs fixés dans lUnion Européenne o Limiter la consommation énergétique o Augmenter la part des énergies renouvelables Le défi énergétique : quelles solutions ?

7 7 Les filières de biocarburants

8 8 1 ere génération …Les agrocarburants

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

10 10 1 ere génération

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

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

13 13 La biomasse

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

15 15 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 C 6 H 9 O 4 (*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres (**) daprès la littérature Valeurs moyennes daprès étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France ( ) Propriétés physico-chimiques biomasse lignocellulosique

16 16 Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici ! Ce qui pourrait représenter jusquà : –Environ 10% de la consommation française dénergie primaire –Environ 40% de la consommation française de carburant Potentiel (MTep)Estimation basseEstimation haute Bois (rémanents, produits en fin de vie)5,511,6 Résidus agricoles1,48,7 Cultures énergétiques08,2 Déchets02 Total~7~30 Le potentiel de biomasse lignocellulosique en France

17 17 Zoom sur la voie thermochimique

18 18 La gazéification : étapes du procédé

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

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

21 21 Le prétraitement Matière première : –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 TransformationT (°C)Vitesse de chauffage ProduitsRéacteurAvantages / inconvénients Pyrolyse rapide500>1000°C.s -1 >75% liquideLit fluidisé, double vis, cône rotatif, ablatif… Production dun 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 ~5°C.min -1 80% solide 20% gaz+liquide Four tournant, à plateaux ? Broyage fin du solide facilité Perte de masse limitée Pas encore industrialisée

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

23 23 La gazéification Résidu solide ( surtout C) + H 2 O H 2, CO CO, CO 2 + O 2 Biomasse C 6 H 9 O 4 Humidité : 15-20% Biomasse C 6 H 9 O 4 Humidité : 0% Matières volatiles : Goudrons Gaz (H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 O) Matières volatiles : Goudrons Gaz (H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 O) Séchage T= °C Gazéification Combustion Très lent Très rapide Lent Pyrolyse T= °C + composés inorganiques : H 2 S, SO 2, NH 3, HCN, HCl, HF, KCl… + particules + suies + composés inorganiques : H 2 S, SO 2, NH 3, HCN, HCl, HF, KCl… + particules + suies

24 24 Réacteur à lit fluidisé Lit Fluidisé Température °C Pression1-10 bars Taille particules1-50 mm Atmosphère gazH 2 O, O 2 Temps de séjour solide~ minutes Puissance1-100 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 Gaz contenant encore CH4, CO2, Gaz chargé en goudrons -Fonctionnement en pression pas toujours possible ( selon techno) -Pb dagglomération de lit pour certaines biomasses -Pas adapté pour les tailles importantes

25 25 Réacteurs à flux entrainé Flux Entraîné Température °C Pression5-80 bars Taille particules<0,2 mm Atmosphère gazH 2 O+O 2 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 26 Biomasse Prétraitement Gazéification (biomasse sèche) Gazéification Post- traitement Synthèse

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

28 28 Le post-traitement : nettoyage des impuretés Les étapes en aval (synthèse) imposent lélimination + ou – poussée : Des particules et aérosols Des goudrons Eventuellement du CH 4 et des hydrocarbures légers Des composés inorganiques : H 2 S, SO 2, NH 3, HCN, HCl, HF, KCl… Cyclones, filtres Destruction haute T re, catalyse, laveur Filtre, laveur Installations industrielles encrassées par la condensation de goudrons (photos ECN).

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

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

31 31 Carburants de synthèse A partir dun 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 C 5 -C 9 Diesel – kérosène C 10 – C 20 off gas C 1 -C 4

32 32 Situation et acteurs de la gazéification

33 33 Gazéification : situation actuelle Technologie ancienne appliquée à léchelle 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?) : H 2

34 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… Intégration dans le procédé Application aux biomasse s

35 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 dimplication + forte Rejoint les pays en pointe Intérêt récent de nombreux pays : Espagne, Italie, Portugal, Grèce… Centrale FT Güssing, Autriche

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

37 37 Principaux projets pilotes en Europe PiloteBioliqBioTfueLBureCHORENGayaGüssingPiteaVarkaus Pays AllemagneFrance AllemagneFranceAutricheSuèdeFinlande Application FT DME FT SNGcogénération SNG BtL DME, méthanol BtL Technologie Flux entraîné (+prétraitement par pyrolyse slurry) Flux entraîné Lit fluidisé (double) Flux entraîné Lit fluidisé Echelle (t biomasse sèche/h) 1 (slurry)3101 -plant 10 -plant 100 -plant 0,51-21 (liqueur noire) 2-3 Industriels associés CAC GmbH Lurgi MUT Axens Sofiproteol Total Uhde Non encore défini CHOREN Daimler GdF-SUEZ Repotec UCFF AEEnergietech nik Repotec CTU Volvo Chemrec Stora Enso Neste Oil R&D associée KITCEA, IFPCEAIEC FreibergCEA, FCBA, CNRS TUViennaVTT Etat davancement En constructionProjet démarré en 2010 En cours détude -plant plant en cours -plant ? Projet démarré en 2010 En fonctionnement depuis Démarrage en 2009 Intérêt fort pour les carburants liquides et gazeux Industriels de domaines différents Ressources Energéticien Papetier Pétrolier Motoriste Chimiste

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

39 39 Bilan économique, énergétique & environnemental

40 40 Les Rendements pour la gazéification de biomasse et synthèse FT Source : Les biocarburants, D. Ballerini edition Technip 2011 Le procédé optimal dépend de lobjectif : –Maximiser rendement masse diminution rendement énergie –Fonctionner sans apport dénergie externe diminution rendement masse

41 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 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, G 2G 1G 2G CO2 émis (g/km) Carburants 1G et 2G : gain significatif sur les émissions GES Gain carburants 2G >> gain carburants 1G

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

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

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

46 46 Merci de votre attention

47 47 La biomasse sèche : inventaire du potentiel français –8% de la consommation française dénergie primaire –40% de la consommation française de carburant CEA 2000 Hyp. Basse Hyp. Haute PLAQUETTES FORESTIERES Rémanents (2) ; Eclaircies de plantation (2) ; Taillis (potentiel 50 Mm3) (1) 4 78 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 1024 CULTURES ENERGETIQUES (2),(4),(5) Taillis à courte révolution (peupliers,eucalyptus, saules) ; Plantes herbacées (canne de Provence, céréales) 1018 DECHETS ORGANIQUES (OM, boues….) (3) 20 Mt dont 60% disponibles 603,5 TOTAL sans les déchets ménagers (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) Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici ! 20 Mtep : Même en potentiel : pas de substitution à 100%

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

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

50 50 Les propriétés physico-chimiques de la biomasse 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) /SiO 2 et K 2 O (agricoles) Matières volatiles : Presque toute la masse C 6 H 9 O 4 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 ) MesuresUnités Bois forêt Résidus agricoles Densité apparente-0,270,05 Humidité%m Cendres%ms1,44,6 Matières volatiles%ms86,987,4 C%ms49,747,0 H%ms5,95,8 O%ms42,542,1 N%ms0,20,8 S%ms0,190,15 Clmg/kg Fmg/kg3572 PCI sur secMJ.kg -1 18,417,3 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 (*) moyenne : conductivité 2 fois plus élevée le long des fibres (**) daprès la littérature Valeurs moyennes daprès étude CEA réalisée sur 80 échantillons issus du Nord-Est de la France ( ) Matériau mauvais conducteur de la chaleur Tfusion des cendres variable liée à leur composition Gaz émis lors de la décomposition thermique Quantité dénergie dégagée par la combustion de 1 kg de biomasse, leau étant à létat vapeur

51 51 Gaz de synthèse (H 2, CO) Biomasse lignocellulosique Prétraitement Gazéification Post- traitement Gazéification (biomasse sèche) Chaleur, électricité Moteur turbine à gaz cycle combiné Moteur Turbine à gaz Cycle combiné Rendement élevé Exigences limitées sur le gaz de synthèse Compétition autres applications?

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

53 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


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