Discussion sur le PCI de différentes biomasses UV Moyens Modernes de Production de l’Énergie Sabine LEMONNIER-DAVID – Nicolas GIRARD

« Quel est le pouvoir calorifique Introduction « Quel est le pouvoir calorifique de la biomasse ? » Pas « une » biomasse mais « des » biomasses : diversité des origines donc diversités des PCI Paramètres influençant le PCI Nous ne prétendons pas faire une étude exhaustive étant donnée la variété des combustible biomasse, mais seulement donner des ordres d’idée et des éléments clés qui restent valables quelque soit le produit. -Le terme "biomasse" désigne au sens large l'ensemble de la matière vivante. Depuis le premier choc pétrolier, ce concept s'applique aux produits organiques végétaux et animaux utilisés à des fins énergétiques ou agronomiques. Biomasse sèche Le bois de feu est la plus ancienne source d'énergie. Les divers déchets ligneux constituent la "biomasse sèche" et sont également appelés "bois-énergie". Biomasse humide Les déchets organiques d'origine agricole (fumiers, lisiers…), agro-alimentaire ou urbaine (déchets verts, boues d'épuration, fraction fermentescible des ordures ménagères…) constituent la "biomasse humide", qui peut être transformée en énergie ou en engrais/amendement. PCI des biomasses utilisées en combustion UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les types de biomasse Biomasse humide Boues de stations d’épuration Déchets Ordures ménagères (OM) Déchets industriels banals (DIB) BOUES : obtenues à différentes étapes du traitement en station d’épuration. -33 millions d’OM par an en France -DIB :Les DIB (déchets industriels banals) figurent parmi les déchets des entreprises de divers secteurs (industrie, artisanat, services, établissements collectifs…). Ne présentant pas de caractère toxique ou dangereux, ils peuvent être assimilables aux ordures ménagères et sont le plus souvent traités dans des filières communes (recyclage, incinération ou mise en décharge). Ils comprennent les emballages usagés, rebuts de fabrication, invendus… résultant de l’activité économique et sont constitués d’une grande diversité de matériaux tels que bois, papiers-cartons, métaux, plastiques, verre, caoutchouc, textiles ou matières organiques végétales ou animales. La production française est estimée à 95 millions de tonnes par an (source ADEME). UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les types de biomasse Biomasse humide Déchets verts Fumiers / lisiers UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les types de biomasse Biomasse sèche Bûches Écorces Plaquettes de forêt PLAQUETTES DE FORET : Plaquettes broyées venant des forêts - parcs - haies etc.Déchets de 4 à 5 cm de long. Contiennent; si fraîches, plus de 50% d’humidité. Nécessitent souvent un temps de stockage pour baisser le taux d’humidité. Disponibles auprès des élagueurs, des exploitations forestières et des agriculteurs UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les types de biomasse Biomasse sèche Plaquettes de menuiserie Copeaux Sciures sèches ou humides PLAQUETTES DE MENUISERIE : Plaquettes de menuiseries de 0,5 à 3 cm de long. Sec à 12 ou 14%. Produit avec des chutes de l’industrie du bois ou des menuiseries. Disponible auprès des industriels et des menuiseries. Parfait comme combustible et matière première pour granulés et briquettes SCIURES : Sciures: Humides (+- 50% des sciages d’arbres) ou sèches (+- 12% de l’industrie du bois ou des menuiseries).Parfait comme combustible à utiliser sur le lieu de production; et si sciures sèches, parfait comme matière pour fabriquer des granulés ou des briquettes -Humides : Elles proviennent des coupes effectuées dans les scieries ; on distingue les « sciures propres », aspirées directement au-dessus des machines, et les « sciures sales », récupérées à même le sol et mélangées à des corps étrangers. -Sèches : voir copeaux COPEAUX : Copeaux de rabotage venant des menuiseries, souvent sec (+- 12%).Très volumineux comme la sciure et les résidus de ponçage. Parfait comme combustible à utiliser sur le lieu de production et matière première pour granulés et briquettes UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les types de biomasse Biomasse sèche Briquettes Granulés Broyat BROYAT : Il provient du broyage des palettes, caisses… GRANULES : Les granulés proviennent de l’agglomération de sciures sèches, ou éventuellement humides préalablement séchées Granulés bois 6 à 10 mm de diamètre. Un des meilleurs combustibles, étant donné que le taux d’humidité se situe aux alentours de 6%, et sa compression très dure permet d’avoir un combustible peu volumineux. Disponible auprès des fabricants de granulés. Malheureusement pas encore assez développé en France BRIQUETTES : Briquettes bois de 30 à 65 mm de diamètre, produites avec des presses hydrauliques, souvent dans des menuiseries. Excellent combustible. Inférieur à 14% d’humidité. Disponible auprès des petites et moyennes menuiseries. Briquettes de 75—90 ou 100 mm de diamètre. Souvent utilisées dans de grandes chaudières à alimentation automatique, et surtout comme bûches de cheminée. Fabriquées avec des presses mécaniques très performantes. Disponibles auprès de grands industriels du bois, de grandes menuiseries ou des revendeurs de combustibles bois pour cheminées UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les types de biomasse Biomasse sèche Colza Paille Céréales COLZA : PAILLE : Assez volumineux elle nécessite un lieu de stockage important sous abri. CEREALES : Toutes sortes de céréales peuvent servir de combustible.. Valorisation de la jachère en cultivant des céréales à usage énergétique. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de l’humidité Définitions Le taux d’humidité influe sur la conservation du bois, sur la masse volumique et sur le contenu énergétique. Il peut s’exprimer sur masse brute ou sur masse anhydre. Siccité : représente le pourcentage de matière sèche. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de l’humidité UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de l’humidité Différentes catégories Arbres sur pieds : 40 à 50 % d’humidité sur masse brute. Eau liée à la cellulose : participe au volume du bois; se libère lentement et difficilement Eau libre: comble le vide entre les cellules du bois, n’augmente pas le volume ; s’enlève assez facilement. Les professionnels du bois énergie raisonnent plutôt à partir du taux d’humidité sur masse brute. Le taux d’humidité du bois traduit un état physique déterminé de celui-ci : - de 0 à 23% d'humidité sur masse brute, l'eau contenue dans le bois est liée par réactions chimiques à la cellulose des fibres. L'absorption de cette eau provoque une augmentation de volume du bois ; - au delà de 23%, l'eau absorbée remplit les vides entre les cellules : on l'appelle « eau libre ». Elle n'induit pas de modification supplémentaire du volume. La teneur en eau des arbres sur pied varie de 40 à 55% sur masse brute selon les essences, l'âge, la partie de l'arbre et la période de l'année. Lors du séchage naturel, l'eau libre est relativement aisée et rapide à extraire alors que l'eau liée se libère lentement et difficilement. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de l’humidité Le séchage Les différents modes de séchage : Séchage naturel : * à l’air libre, avec ou sans bâche de protection. * sous abri (hangar bien aéré) : réduit le temps de séchage. Risque de gèle et d’auto-inflammation. - Séchage artificiel Le stockage en bord de coupe des plaquettes obtenue par déchiquetage de bois frais peut être réalisé à l’air libre : le taux d’humidité de la couche superficielle du tas est alors soumis aux aléas climatiques. Les plaquettes peuvent également être couvertes avec une bâche. Deux cas se présentent alors : - la bâche utilisée est totalement imperméable : le taux d’humidité reste alors constant d’où l’utilité de produire les plaquettes en saison sèche et de les recouvrir une fois le taux d’humidité abaissé ; - la bâche est imperméable à l’eau mais perméable à l’air, ce qui autorise le séchage des plaquettes : ce type de bâche est toutefois onéreux et fragile. Le stockage des plaquettes sur une plate-forme intermédiaire (sous hangar avec dalle bétonnée ou bitumée) évite les inconvénients du stockage en bord de route (aléas climatiques, introduction de terre et de cailloux) et permet un séchage plus rapide (en quatre mois, le taux d’humidité passe de 45-50% à 20-25%) mais suppose l’amortissement ou la location de la plate-forme. A l’air libre ou sous abri, si l’évacuation de la chaleur produite au cours de la fermentation est freinée (tas trop gros, présence de particules fines comme aiguilles, feuilles, poussières gênant l’aération du tas), la température peut se stabiliser au delà de 60°C : il y a alors risque de compostage et même d’auto-inflammation du tas de plaquettes. Pour l’éviter, les tas ne doivent pas excéder 7 à 8 m de hauteur et le local doit être bien aéré UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de l’humidité Séchage de branches de feuillus sur le lieu de coupe (Source: Biomasse Normandie) UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de l’humidité L’auto-combustion On appelle auto-combustion le fait qu’un combustible libère suffisamment d’énergie pour entretenir la combustion sans apport d’énergie supplémentaire. Elle est fortement liée à l’humidité du combustible. L’exemple des boues : Entre 15 et 35% de matière sèche (MS), apport d’énergie nécessaire pour initier la combustion en évaporant de l’eau. À partir de 35% de MS, l’auto-combustion peut être atteinte. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de la teneur en cendres La teneur en cendres influence directement sur le contenu énergétique disponible de la biomasse : plus il y a de matières minérales, moins le contenu énergétique est élevé. Exemple de formule pour un combustible bois : les cendres peuvent réagir pour former une phase liquide formée à haute température, qui peut réduire la section de passage de la sortie et augmenter les coûts opérationnels de l’installation [kJ/kg] (min) : teneur en matières minérales [kg/kg M.S.] Hu = humidité [kg H2O/kg M.S.] UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Influence de la teneur en cendres Évolution du PCI des matières cellulosiques UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

UV Moyens Modernes de Production de l'Energie Étude des PCI Pour mieux appréhender les valeurs des PCI qui vont être données, voici des éléments de comparaison avec les combustibles « classiques » : Fossiles Type de Combustible PCI (kJ/kg) Masse volumique (kg/m3) X Kg =1L Fuel Charbon (10 % d’humidité) 25 160 700-800 1,36 kg Fuel Domestique « gasoil » 42 640 840 0,84 kg Fuel Lourd 40 330 980 0,98 kg Gaz Naturel 38 930 UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Étude des PCI Biomasse humide Les boues Leur capacité à être incinérées est fonction de leur taux d’humidité ainsi que de leur concentration en matières volatiles (MV). - Elles sont en général séchées par les gaz de combustion avant introduction dans le four. processus biologiques (méthanisation et compostage) pour les produits humides Matières Volatiles (MV). On considère généralement que la concentration en Matières Volatiles est égale à la concentration en Matières Organiques. On utilise couramment le rapport MV/MS, aussi appelé Fraction Volatile (FV). Plus ce rapport est faible, plus la boue est facile à épaissir ou à déshydrater, mais plus son exothermicité en incinération est faible. Le taux de Matières Volatiles Sèches Les matières sèches (MS) sont composées de matières minérales (MM) et de matières organiques appelées matières volatiles sèches (MVS). La concentration des MVS est généralement exprimée en pourcentage par rapport aux MS : on parle de taux de MVS. Le contrôle de ce paramètre permet de suivre la stabilité de la boue Siccité : représente le pourcentage de matière sèche. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Étude des PCI Biomasse humide Le fumier de volaille PCI de 8000 kJ/kg. Lisiers - Taux de matière sèche trop faible pour une utilisation en combustion. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Étude des PCI Biomasse humide Les déchets - Large plage de PCI du fait de leur composition très variée. Il varie en moyenne entre 6 et 14 MJ/kg pour les OM et entre 10 et 17 pour les DIB. - Augmentation du PCI grâce au tri sélectif. Co-incinération d’OM avec des DIB intéressante du fait du PCI plus élevé de ces derniers. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Étude des PCI Biomasse humide Matières Composition Hu Ecart-type de Hu PCI Ecart-type du PCI [%] [kJ/kg] Textiles 2 20 16 13 975 3 386 Métaux 3 4 1 527 251 Verre 0.4 44 410 Emballages composites 15 5 14 208 1 463 Matériaux 6 8 22 380 2 466 Produits naturels 14 21 124 4 222 minérales 42 plastiques 32 602 1 986 Déchets compostables 22 74 10 1 012 2 027 Papier-carton 29 13 7 14 672 1 421 TOTAL 100 13 292 773 Augmentation du PCI avec le tri. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Étude des PCI Biomasse sèche Les combustibles dérivés du bois : Bois Type de Combustible Humidité (%) PCI (kJ/kg) Masse volumique (kg/m3) X Kg =1L Fuel Plaquettes forestières 55 % 7 190 310 4,98 kg Écorces Sapin 50 % 6 690 280 4,65 kg Plaquettes Menuiserie 20 % 15 170 175 2,36 kg Sciures bois 6 % 15 100 160-170 2,38 kg Granulés / briquettes bois 17 610 660 2,03 kg Bûches « hêtre » 14 670 400-450 2,44 kg 45 % 9 380 650 3,81 kg UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Étude des PCI Biomasse sèche Les combustibles dérivés de l’agriculture : Agriculture Type de Combustible Humidité (%) PCI (kJ/kg) Masse volumique (kg/m3) X Kg =1L Fuel Paille « jaune » 15 % 14 380 80-125 2,49 kg Paille « grise » - tiges colza 14 990 100-135 2,43 kg Blé - céréales 670-750 2,40 kg Colza 9 % 24 553 700 1,46 kg Tournesol 19 985 600 1,79 kg Granulés de paille 8 % 15 960 2,24 kg UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

UV Moyens Modernes de Production de l'Energie Les mélanges En théorie, le PCI des mélanges est fonction du PCI et de la proportion des combustibles mis en jeu. En pratique, mélange de combustibles de composition et de teneur en eau distinctes pas toujours bien homogénéisé : combustion non optimisée = moins d’énergie récupérée. Problème des différences de densité, de granulométrie, de comportement en combustion. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les mélanges à partir du bois Mélanges les plus utilisés en cocombustion (ou co-incinération) avec le bois : Boues Déchets Charbon Le bois peut piéger certains liquides tels que des boues et servir de vecteur et de support pour la destruction thermique de ces produits. — la faculté qu’a le bois d’absorber les liquides peut aussi être utilisée pour piéger certains liquides tels que des boues et pour servir de vecteur et de support pour la destruction thermique de ces Produits — difficultés d’introduction des combustibles dues à leurs différences de densité ou de granulométrie notamment ; Ce qui concerne les mélanges de biomasse — possibilités d’envols au sein de la chambre de combustion dus également à des différences de masses volumiques — Les combustibles les plus utilisés en mélange avec de la biomasse sont le charbon et certaines boues, mais également des déchets, surtout lorsque leur taux d’humidité est élevé. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Les mélanges Boues + Ordures ménagères Injection de boues pâteuses (contenant 15% de matière sèche) pouvant représenter jusqu’à 20% du mélange. Problèmes engendrés : Obtention d’un mélange homogène difficile. Étude spécifique nécessaire au cas par cas pour déterminer le bon ratio. Gestion des pics de température et du traitement des fumées. Mélange souvent utilisé. Permet l’incinération de boues avec une déshydratation moins poussée UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

Le cas de l’éthanol et des huiles végétales Graines oléagineuses (en France principalement colza et tournesol) => Huiles végétales Plantes sucrières (betterave, canne à sucre) => Éthanol Caractéristiques Supercarburant Gazole Éthanol Huile végétale Masse volumique kg/m3 748 à 752 835 à 845 794 916 PCI kJ/kg 42 836 42 335 26 807 37 445 Source : Techniques de l’ingénieur, BE 8 550 Également possibilité de production d’éthanol à partir de matières cellulosiques (paille, bois) ou amylacées (bois) en passant par une hydrolyse. Permet des applications différentes (en particulier l’automobile) Meilleur PCI que la biomasse primaire mais surcoût lié à la transformation. UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

UV Moyens Modernes de Production de l'Energie Conclusion Humidité => PCI Taux de cendres => PCI = paramètres importants fixés dans les contrats d’approvisionnement des chaufferies PCI de la biomasse < PCI combustibles classiques Le colza est le meilleur des combustibles biomasse, mais d’autres paramètres à prendre en compte à côté du PCI (coûts, stockage, opinion publique, disponibilité…) Les modes de valorisation varient avec les substrats : - conversion thermochimique (combustion, pyrolyse / gazéification), pour les produits secs (bois-énergie) ;- processus biologiques (méthanisation et compostage) pour les produits humides UV Moyens Modernes de Production de l'Energie 30 janvier 2006

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