Cours Bioénergie Insa Rouen année 2005-2006 Guillaume Bourtourault EDF R&D 01 30 87 78 10 guillaume.bourtourault@edf.fr 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

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

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

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

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

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

Amélioration de technologies établies 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 CFB Organic Rankine Cycle : cycle vapeur avec un fluide organique

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

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

La méthanisation chaleur chaleur chaleur biomasse humide 50 000 kt/an digesteur 20 MWth biogaz 6 000 000 Nm3/an Moteur ou turbine à gaz épuration digestat à composter compost 19 kt/an 1,3 MWe électricité 10 000 MWhe/an chaleur - Chaleur principalement utilisée dans le procédé Faible rendement électrique Voie de traitement des déchets 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

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

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

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 – 10 000 Soufrés : protéïnes, gypse, sols Halogénés : CFCs, PVC, résines Siloxanes : cosmétiques, lubrifiants, construction 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

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

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, mobile, fixe, en escalier, … Vitrifié, humide, sec … 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

La combustion Comportement des cendres : Corrosion : Cl, S Performance 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 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

Les technologies : la filière vapeur Usage Chaleur Usage Chaleur Eau Condenseur Chaudière Turbine ou Moteur Vapeur HP Vapeur BP BOIS 30 à 60 bars 0,1 à 2 - 4 bars Électricité Usage Chaleur Usage Chaleur 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

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

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

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

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

Nouveaux systèmes de combustion : ORC, MAV, Stirling ORC : Suisse : cogen bois 3,2 MWth 12 GWhth et 1 GWhe

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

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

La pyrolyse - gazéification Tout sous la main Évolutif, modulaire, intérêt à court moyen et long terme

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 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) 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

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) 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)

Lit fixe, lit fluidisé bouillonnant La gazéification 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 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.

La gazéification Composition du gaz de synthèse Performances gaz combustible à 40 - 80 % 4 - 15 MJ / Nm3 (GN = 36 MJ) Rendement de conversion énergétique jusque 80% Rendement électrique = 40 % H2 30 - 45% CO 20 - 30% CO2 15 - 25% CH4 8 - 12% N2 3 - 5%

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 cyclones

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Un combustible, des combustibles… 1 m3 7 octobre 2005 EDF R&D / SPE / Production décentralisée et énergies renouvelables

La ressource biomasse paille bois forêt produit connexe bois de rebut Chaleur déjà très développé en France dans le monde Vapeur Elec meilleurs rendements recherchés pour une ressource chère cogénération puis production décentralisée Biocarburants Besoins en erd ou prodec ou prod centralisee : exemple finlandais