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Bioénergies EDF EN Guillaume Bourtourault g

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Présentation au sujet: "Bioénergies EDF EN Guillaume Bourtourault g"— Transcription de la présentation:

1 Bioénergies EDF EN 29 11 2005 Guillaume Bourtourault 01 40 90 23 48 g
Bioénergies EDF EN Guillaume Bourtourault 29 novembre 2005 EDF EN - DT

2 Enjeu biomasse Les sources d’énergies renouvelables utilisées dans l’Union [Maniatis 2002] 29 novembre 2005 EDF EN - DT

3 Climatique individuel
Les bioénergies dans le bilan Filière bio-carburants Éthanol Huiles combustibles Méthanol Hydrogène Électricité Thermique industriel Climatique collectif Climatique individuel 0,3 / 50,4 Mtep Filière bio-électrique Biomasse 2 / 450 TWh 1 / 32 Mtep Filière biochaleur 9 / 70 Mtep Chauffage des bâtiments : 44 Mtep dont 10 électriques et 10 biomasse Consommation totale d’énergie primaire en France : 275 Mtep 29 novembre 2005 EDF EN - DT

4 Perspectives de développement
29 novembre 2005 EDF EN - DT

5 1 Les filières 29 novembre 2005 EDF EN - DT

6 Rappel des enjeux techniques
énergie solaire matière organique (C, H, O, N) énergétique CO2 + H20 Sels minéraux Cendres Matière organique exposée à une agression chimique, biologique, ou physique CO2 + H20 Polluants Naturelle ou artificielle bioénergie 29 novembre 2005 EDF EN - DT

7 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, … 29 novembre 2005 EDF EN - DT

8 La bioéconomie bioproduits biocombustibles biocarburants
produits et co-produits Primaire : agriculture sylviculture Biomasse renouvelable accumulable et locale bioélectricité Secondaire : agroalimentaire meubles panneaux restauration papier carton déchets biochaleur Séquestration du CO2 Libération du CO2 29 novembre 2005 EDF EN - DT

9 Une énergie polymorphe
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10 Amélioration de technologies établies Technologies de démonstration
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 CFB Organic Rankine Cycle : cycle vapeur avec un fluide organique 29 novembre 2005 EDF EN - DT

11 Les technologies : le prix de l’innovation
Investissement en €/kWe 10000 Stirling méthanisation 9000 8000 gazéification 7000 rustique 6000 5000 méthanisation gazéification 4000 à la ferme 3000 pyrolyse combustion 2000 1000 co-combustion 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Puissance en MWe 29 novembre 2005 EDF EN - DT

12 La ressource : l’exemple français
Energie disponible en ktep/an Déjection, 4000 Exploitation litières et lisiers forestière 3500 3000 Farines animales 2500 2000 Paille Déchets Industries du 1500 biodégradables bois 1000 Bois rebut Granulés 500 TCR Saule Déchets 10 20 30 Coût du combustible en €/MWh PCI 29 novembre 2005 EDF EN - DT

13 Les coûts de production
Coût de production en €/MWh min estim. max. Investissement 20 30 60 Coût combustible 20 60 120 O&M 8 15 40 Cogénération -90 -40 Total hors cogénération 60 90 120 Total avec cogénération 30 65 80 29 novembre 2005 EDF EN - DT

14 2 Les filières biochimiques 29 novembre 2005 EDF EN - DT

15 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

16 La méthanisation chaleur chaleur chaleur biomasse humide 50 kt/an
digesteur 20 MWth biogaz Nm3/an Moteur ou turbine à gaz épuration digestat à composter compost 19 kt/an 1,3 MWe électricité MWhe/an chaleur - Chaleur principalement utilisée dans le procédé Faible rendement électrique Voie de traitement des déchets 29 novembre 2005 EDF EN - DT

17 Le traitement du biogaz
29 novembre 2005 EDF EN - DT

18 Le traitement du biogaz
29 novembre 2005 EDF EN - DT

19 Le traitement du biogaz
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 – Soufrés : protéïnes, gypse, sols Halogénés : CFCs, PVC, résines Siloxanes : cosmétiques, lubrifiants, construction 29 novembre 2005 EDF EN - DT

20 3 Les filières thermochimiques 29 novembre 2005 EDF EN - DT

21 La combustion Procédé traditionnel = combustion sur grille
Lits fixes, fluidisés, flux entraîné Mode d’introduction de la biomasse Air primaire, secondaire, tertiaire Extraction des cendres Grille vibrante, inclinée, fixe, mobile, en escalier, … Vitrifié, humide, sec … 29 novembre 2005 EDF EN - DT

22 La chaufferie à plaquettes
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23 Introduction de la biomasse
étanchéité retour de flamme montée en température répartition sur la grille dévolatilisation régularité temps de séjour mélanges 29 novembre 2005 EDF EN - DT

24 La combustion Comportement des cendres : Corrosion : Cl, S Performance
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 mélanges et inhomogénéités lit fluidisé permet mélanges, variabilité de qualité humidité rôle du lit inerte : stabilise, basse T°C, bon pour les NOx au-dessus de 3 % : paille et écorces bcp de potassium dans la paille but : rendement, émissions post-combustion : brûle la partie volatile idem gazéfication dioxines et furanes en hétérogène entre 300 et 400°C lit fluidisé : stable, low volatile fuels, , mélanges, load changes, contrôle des émissions Performance Rc = 90 % vapeur 29 novembre 2005 EDF EN - DT

25 Les technologies : la filière vapeur
Usage Chaleur Usage Chaleur Eau Condenseur Chaudière Turbine ou Moteur Vapeur HP Vapeur BP BOIS 30 à 90 bars 0,1 à 4 bar vapeur électricité vapeur vapeur 29 novembre 2005 EDF EN - DT

26 La cogénération papetière
Chaudière déchets bois La cogénération papetière turbines Vap BP et MP Vap BP parc à bois cuisson  lavage  épuration  blanchiment  épuration  séchoir liqueur blanche liqueur noire clarification évaporation Vap BP liqueur noire concentrée four à chaux Vap BP et MP caustification combustion Vap HP liqueur verte turbine 29 novembre 2005 EDF EN - DT

27 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

28 Gazéification de la liqueur noire
29 novembre 2005 EDF EN - DT

29 Gazéification de la liqueur noire
29 novembre 2005 EDF EN - DT

30 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% gazéification cendres liqueur blanche gaz brut lavage du gaz soufre gaz épuré liqueur de cuisson de haute qualité synthèse méthanol / DME 29 novembre 2005 EDF EN - DT

31 4 La gazéification 29 novembre 2005 EDF EN - DT

32 La pyrolyse - gazéification
Tout sous la main Évolutif, modulaire, intérêt à court moyen et long terme 29 novembre 2005 EDF EN - DT

33 Lit fixe, lit fluidisé bouillonnant
La 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 lits suspendus : fort brassage du combustible et du comburant (air) permet de très bons rendements thermiques avec un faible excès d'air : de 15 à 20% [Dobson, 1993]. Mais à la différence des lits fluidisés, le procédé ne nécessitant pas la fluidisation d'un volume de sable, les variations de charge peuvent être rapides et importantes. Ce procédé bénéficie de plus, d'une forte expérience acquise avec les centrales à charbon. Les inconvénients principaux de la technologie tiennent aux paramètres stricts du combustible concernant le taux d'humidité et la granulométrie. Les coûts de prétraitement en broyage et séchage pour ajuster ces paramètres limitent en effet les applications à de fortes puissances. Par ailleurs, le stockage de biomasse sèche et pulvérulente présente des risques d'explosion. 29 novembre 2005 EDF EN - DT

34 La gazéification : les réactions en jeu
C + 1/2 O2 à CO C + O2 à CO2 C + H2O à CO + H2 Equilibres CO + H2O à CO2 + H2 CO + 3 H2 à CH4 + H2O Et synthèses CO + 2 H2 à CH3OH CO + 2 H2 à -- CH2-- + H2O 29 novembre 2005 EDF EN - DT

35 La gazéification Composition du gaz sec de PRME
Composition du gaz sec de Güssing H2 35 % CO 25 % CO2 25 % CH4 10 % N2 5 % H2 5 % CO 16 % CO2 14 % CH4 5 % N2 58 % Performances gaz combustible à % MJ / Nm3 (GN = 36 MJ) Rendement de conversion énergétique jusque 80% Rendement électrique jusque 32 % 29 novembre 2005 EDF EN - DT

36 Les gazéifieurs [1] Lit fixe co-courant Lit fluidisé bouillonnant
biomasse Lit fixe co-courant Comburant et agent gazéifiant Thermogaz et fumées Lit fluidisé bouillonnant Thermogaz et fumées Cendres biomasse Cendres volantes et particules organiques biomasse Cendres Thermogaz et fumées Comburant et agent gazéifiant Comburant et agent gazéifiant Lit fixe contre-courant Cendres 29 novembre 2005 EDF EN - DT

37 Les gazéifieurs [2] Lit fluidisé circulant
Thermogaz et fumées Lit fluidisé circulant Lit, cendres volantes, et particules organiques biomasse cendres Comburant et agent gazéifiant thermogaz fumées Lit, charbon, cendres Lit fluidisé circulant allotherme à 2 chambres Cendres volantes Lit, charbon, cendres biomasse Agent gazéifiant Comburant Cendres de lit 29 novembre 2005 EDF EN - DT

38 Les gazéifieurs [3] Combustion partielle des vapeurs
Gaz et vapeurs syngaz Comburant biomasse Gaz de synthèse Charbon Lit chaud thermogaz Comburant Lit haute température Combustion partielle des vapeurs Cendres vitrifiées biomasse Lit froid et char Gaz de combustion Combustion partielle du charbon Comburant Cendres 29 novembre 2005 EDF EN - DT

39 Installation de Louvain (B), société Xylowatt
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40 Xylowatt : une solution « emballée »
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41 Güssing 29 novembre 2005 EDF EN - DT

42 Güssing 29 novembre 2005 EDF EN - DT

43 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% 29 novembre 2005 EDF EN - DT

44 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

45 La gazéification : les enjeux
Tolérance combustible Temps de séjour peut être long : Güssing, PRME Agent de gazéification adapté Eau intervient directement dans les équilibres 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) 29 novembre 2005 EDF EN - DT

46 5 Les bioénergies et le Groupe EDF 29 novembre 2005 EDF EN - DT

47 Activités et compétences du Groupe
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48 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

49 Activités et compétences du Groupe
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) énergie produite Biopower production time (hours) Produced biopower (MWh electrical per year) 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

50 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

51 6 FAQ 29 novembre 2005 EDF EN - DT

52 FAQ Définition du PCI Énergie 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 PCS Énergie 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 h PCI = PCI MS x (100-h) / 100 – 0,006 x h 29 novembre 2005 EDF EN - DT

53 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 29 novembre 2005 EDF EN - DT

54 7 Autres éléments 29 novembre 2005 EDF EN - DT

55 Installation de gazéification de Harboore (DK), société Voelund
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56 Université technique du Danemark (DK), société COWI, système BIG-LOW-TAR [1]
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57 Université technique du Danemark (DK), société COWI, système BIG-LOW-TAR [2]
flux matière et énergie biomasse surchauffe Evaporation eau 1er étage Séchage et pyrolyse 2ème étage gazéification Refroidissement et épuration Moteur Charbon Gaz Gaz Gaz Vapeurs Gaz oxydation partielle préchauffe air 29 novembre 2005 EDF EN - DT

58 Société EDL (Australie), commune de Wollongong, système complet de traitement des déchets… à l’arrêt. 29 novembre 2005 EDF EN - DT

59 Un combustible, des combustibles…
1 m3 29 novembre 2005 EDF EN - DT

60 Nouveaux systèmes de combustion : ORC, MAV, Stirling
ORC : Suisse : cogen bois 3,2 MWth 12 GWhth et 1 GWhe 29 novembre 2005 EDF EN - DT

61 Le moteur Stirling 29 novembre 2005 EDF EN - DT

62 Le moteur Stirling 29 novembre 2005 EDF EN - DT

63 La pyrolyse Performance
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) en finlande, programme de recherche initié en 1993, avec une vision claire du marché, centrales au fuel, avec un rendement de 40 à 44 % enjeu majeur : comprendre et maîtriser la composition des huiles de pyrolyse et leur stabilité dans le temps, influence du procédé condensation des aérosols qui sont sinon pure perte 29 novembre 2005 EDF EN - DT

64 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) Problème de séparation des produits : fraction solide et fraction liquide Mauvaise maîtrise de la production de biopétrole constatée Problème de l’autonomie énergétique Thèse de production de boulets de charbon de paille de riz Compétences au Canada et USA et VTT Problème de séparation des produits et de préparation du combustible (eau) 29 novembre 2005 EDF EN - DT


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