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7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 1 Cours Bioénergie Insa Rouen année 2005-2006 Guillaume Bourtourault.

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1 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 1 Cours Bioénergie Insa Rouen année Guillaume Bourtourault EDF R&D

2 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 2 1 Les filières

3 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 3 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

4 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 4 Rappel des enjeux techniques Une contribution nulle à leffet 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, …

5 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 5 La bioéconomie Biomasse renouvelable accumulable et locale déchets produits et co-produits Primaire : agriculture sylviculture … Secondaire : agroalimentaire meubles panneaux restauration papier carton … bioélectricité biochaleur bioproduits biocombustibles biocarburants Séquestration du CO 2 Libération du CO 2

6 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 6 Une énergie polymorphe

7 Etat de lart de la production dénergie 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

8 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 8 2 Les filières biochimiques

9 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 9 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

10 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 10 La méthanisation digesteur 20 MWth biomasse humide kt/an épuration biogaz Nm3/an Moteur ou turbine à gaz 1,3 MWe électricité MWhe/an chaleur digestat à composter - Chaleur principalement utilisée dans le procédé - Faible rendement électrique - Voie de traitement des déchets compost 19 kt/an chaleur

11 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 11 Le traitement du biogaz

12 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 12 Le traitement du biogaz

13 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 13 Le traitement du biogaz Éléments Majoritaires : CH 4 + CO 2 > 95 % Éléments traces : COV, soufrés, halogénés, siloxanes, …< 1% v. (env. 577 composés) % vol.CET, STEP, lisiers, … % CH 4 30 – 75 % CO 2 22 – 34 % N 2 0 – 26 % O 2 0 – 8 H2OH2O4 à 6 à 30-40°C H 2 S mg/m 3 5 – Soufrés : protéïnes, gypse, sols Halogénés : CFCs, PVC, résines Siloxanes : cosmétiques, lubrifiants, construction

14 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 14 3 Les filières thermochimiques

15 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 15 Procédé traditionnel = combustion sur grille Lits fixes, fluidisés, flux entraîné Mode dintroduction de la biomasse Air primaire, secondaire, tertiaire Extraction des cendres La combustion Grille vibrante, inclinée, mobile, fixe, en escalier, … Vitrifié, humide, sec …

16 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

17 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 17 Chaudière BOIS Usage Chaleur Condenseur Turbine ou Moteur Eau Vapeur HPVapeur BP Électricité 30 à 60 bars0,1 à bars Les technologies : la filière vapeur Usage Chaleur Usage Chaleur Usage Chaleur

18 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 18 La cogénération papetière parc à bois évaporation combustion caustification clarification liqueur noire concentrée 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

19 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 19 La chaufferie à plaquettes

20 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 20 La chaudière à granulés

21 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 21 La combustion : ancienne et mature, mais limitée pour limiter le coût des matériaux pression de la vapeur limitée ( bars) parce que la biomasse est très hétérogène température de combustion limitée (~ 500 °C) parce que la vente de chaleur est nécessaire à léquilibre 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

22 Nouveaux systèmes de combustion : ORC, MAV, Stirling

23 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 23 Le moteur Stirling

24 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 24 Le moteur Stirling

25 La pyrolyse - gazéification

26 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)

27 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 – t/an de bois – 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)

28 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 dhomogénéité La gazéification

29 Composition du gaz de synthèse H % CO % CO % CH % N23 - 5% La gazéification Performances gaz combustible à % MJ / Nm3 (GN = 36 MJ) Rendement de conversion énergétique jusque 80% Rendement électrique = 40 %

30 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

31 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 cyclones

32 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

33 Lit fluidisé bouillonnant biomasse Cendres Thermogaz et fumées Comburant et agent gazéifiant Cendres Cendres volantes et particules organiques Comburant et agent gazéifiant Comburant et agent gazéifiant Lit fixe contre- courant Lit fixe co-courant Les gazéifieurs [1]

34 Lit fluidisé circulant Lit fluidisé circulant allotherme à 2 chambres cendresbiomasse Lit, cendres volantes, et particules organiques Thermogaz et fumées Agent gazéifiantComburant Lit, charbon, cendres fumées thermogaz Cendres volantes Comburant et agent gazéifiant Cendres de lit Les gazéifieurs [2]

35 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 35 Combustion partielle des vapeurs biomasse 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 combustion Les gazéifieurs [3]

36 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 36 Installation de Harboore (DK), société Voelund

37 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 37 Installation de Louvain (B), société Xylowatt

38 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 38 Université technique du Danemark (DK), société COWI, système BIG-LOW-TAR [1]

39 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 39 2ème étage gazéification 1er étage Séchage et pyrolyse oxydation partielle surchauffeEvaporation Moteur Refroidissement et épuration préchauffe eau air biomasse Charbon Vapeurs Gaz flux matière et énergie Université technique du Danemark (DK), société COWI, système BIG-LOW-TAR [2]

40 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 40 Société EDL (Australie), commune de Wollongong, système complet de traitement des déchets… à larrêt.

41 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables 41 Un combustible, des combustibles… 1 m3m3

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