BIOMASSE. Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

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1 BIOMASSE Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

2 LA BIOMASSE 1. Matière animale ou végétale qui peut être convertie en énergie. 2. Pendant la presque totalité de l histoire humaine, la biomasse a été la principale forme d énergie. M. Lacroix Biomasse 2

3 Énergie solaire en énergie chimique L énergie solaire captée par la chlorophylle est transformée en énergie chimique via la réaction chimique appelée photosynthèse: CO + H O + SOLEIL) 2 2 ( C H O O + x y z (sucres) 2 M. Lacroix Biomasse 3

4 Échelle des saisons L énergie chimique stockée dans les céréales (ou protéines) est convertie dans un estomac (réacteur chimique) et libérée sous forme de chaleur dans les muscles (moteurs). C est le métabolisme. M. Lacroix Biomasse 4

5 COMBUSTION ALIMENTAIRE ( ALIMENT ) + O 2 CO 2 + H 2 O + ÉNERGIE BROYEUR RÉACTEUR BATCH RÉACTEUR PLUG FLOW MOTEURS À COMBSTION: MUSCLES M. Lacroix Biomasse 5

6 Échelle des années L énergie chimique stockée dans la biomasse est libérée sous forme de chaleur dans une fournaise ou un moteur (combustion). M. Lacroix Biomasse 6

7 LA BIOMASSE 3. Plus de deux milliards de personnes dépendent entièrement de la biomasse pour combler leur besoins en énergie. 4. Trois catégories de biomasse: les déchets, le bois et les cultures. M. Lacroix Biomasse 7

8 BIOMASSE M. Lacroix Biomasse 8

9 BIOMASSE: EXEMPLE M. Lacroix Biomasse 9

10 BIOMASSE: INTÉRÊT ET AVANTAGES 1. Énergie solaire captée, transformée en énergie chimique par la photosynthèse et stockée dans les plantes. 2. Ressource indigène. 3. En théorie renouvelable. 4. Moyen ingénieux de stocker l énergie solaire. M. Lacroix Biomasse 10

11 BIOMASSE: INTÉRÊT ET AVANTAGES 5. Consommation de CO 2 pendant sa croissance. 6. Combustible polyvalent: solide (bois, char, récoltes), liquide (méthanol, éthanol, etc.), biogaz. 7. Personne n est contre pour l instant. M. Lacroix Biomasse 11

12 BIOMASSE: BILAN DE CO 2 M. Lacroix Biomasse 12

13 BIOMASSE: BILAN DE CO 2 NUL? 1. En théorie, le CO 2 dégagé lors de la combustion de la biomasse a été absorbé lors de sa croissance. 2. En pratique, c est difficilement réalisable. 3. Problème d échelle de temps. 4. Problème de récoltes successives. 5. Problèmes de consommation d énergie pour cultiver, récolter, transformer et transporter la biomasse. M. Lacroix Biomasse 13

14 BIOMASSE: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Inefficacité de la conversion d énergie solaire en biomasse: rendement ~ 1% (cellules photovoltaïques ~20%; capteurs solaires ~30%). 2. Émission de polluants: CO 2, CO, NO x, suies et cendres. M. Lacroix Biomasse 14

15 BIOMASSE: INCONVÉNIENTS NIENTS 3. Choix de terres arables pour s alimenter ou s alimenter en énergie? (centrale thermique, ~ 6 km 2 /MW). 4. Les procédés pour convertir la biomasse en énergie en consomment davantage qu ils en génèrent. M. Lacroix Biomasse 15

16 BOIS (solide): INTÉRÊT 1. Jusqu au début du 19ème siècle, 95% des besoins en énergie comblés par la combustion du bois. 2. Pouvoir calorifique d un bois de qualité sec ~ kJ/kg soit la moitié de celui du charbon et le quart de celui du gaz naturel. M. Lacroix Biomasse 16

17 BOIS (solide): INTÉRÊT 3. Combustion en feu ouvert: ~ 5% de la chaleur utilisée efficacement. 4. Combustion dans un poêle moderne: ~ 20% de la chaleur utilisée efficacement. 5. Combustion du bois émet moins de NO x que la combustion du charbon ou de gaz naturel. 6. Combustion du bois émet peu de SO x. M. Lacroix Biomasse 17

18 BOIS (solide): INTÉRÊT 7. Pyrolyse du bois:chauffage du bois à C en l absence d air pour la production de char facile à transporter et à manipuler. 8. Gazéification du bois:conversion du bois en présence d H 2 O et d O 2 en gaz de synthèse tels le CO et l H 2. M. Lacroix Biomasse 18

19 PRINCIPE DE LA GAZÉIFICATION DE LA BIOMASSE Conduction et pertes à la paroi externe Rayonnement Gaz Produit à traiter Fumées Convection Chimie θ Conduction paroi-solide Résidu M. Lacroix Biomasse 19

20 BOIS: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Voir inconvénients déjà énoncés (pouvoir calorifique faible, émissions, etc.). 2. Secteur domestique: activité exigeante. Dans les pays pauvres, la cueillette peut prendre plusieurs heures par jour. M. Lacroix Biomasse 20

21 BOIS: INCONVÉNIENTS NIENTS 3. Secteurs industriel et commercial: Déforestation destruction d écosystème érosion des sols pollution. 4. Le bois est une source d énergie renouvelable à condition (a) de replanter un arbre pour chaque arbre coupé et (b) d admettre qu un cycle complet dure plusieurs décennies... M. Lacroix Biomasse 21

22 ALCOOLS (liquide): INTÉRÊT 1. Les combustibles liquides sont bien adaptés aux moteurs à combustion existants. 2. Si on cherche à remplacer le pétrole par un combustible liquide produit à partir de la biomasse, le méthanol et l éthanol sont les candidats. M. Lacroix Biomasse 22

23 ALCOOLS (liquide): INTÉRÊT 3. L utilisation de ces alcools dans les moteurs à essence (allumage par bougies) nécessite des modifications mineures. 4. On sait déjà comment produire industriellement ces alcools à coût économique. M. Lacroix Biomasse 23

24 MÉTHANOL: INTÉRÊT 1. La presque totalité du méthanol est produit industriellement par la conversion du gaz naturel: CH + H O CO + 3H ; H CO 2 2 H 2 O CO + 2H 2O CH 3OH 2. On peut toutefois remplacer le gaz naturel par n importe quel combustible y compris la biomasse. 2 + CO; M. Lacroix Biomasse 24

25 MÉTHANOL: AVANTAGES 1. Moyennant quelques modifications mineures, un moteur de voiture peut marcher au méthanol. 2. Le méthanol peut aussi être mélangé à l essence (ex: M85). M. Lacroix Biomasse 25

26 MÉTHANOL: AVANTAGES 3. Le méthanol est d ailleurs le combustible utilisé dans les voitures de course. 4. L indice d octane élevé permet un taux de compression plus grand: rendement accru. 5. Moins polluant: température d allumage plus faible alors moins de NO x produits. 6. Pas de SO x produits: le méthanol ne contient pas de soufre. M. Lacroix Biomasse 26

27 MÉTHANOL: AVANTAGES 7. Pas de suies produites. 8. Le méthanol peut aussi alimenter des piles à combustible (fuel cells). M. Lacroix Biomasse 27

28 MÉTHANOL: AVANTAGES 9. Le méthanol est déjà produit industriellement à un coût comparable à celui du pétrole. M. Lacroix Biomasse 28

29 MÉTHANOL: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Pouvoir calorifique par unité de volume: ~ kj/litre (essence: kj/litre). 2. Sa flamme est invisible. 3. Il ne doit pas être bu ou absorbé par la peau et ses vapeurs ne doivent pas êtres respirées. M. Lacroix Biomasse 29

30 MÉTHANOL: INCONVÉNIENTS NIENTS 4. Contrairement à l essence, il est soluble dans l eau. 5. Parce qu il est moins volatile que l essence, le démarrage du moteur par temps froid est plus difficile. 6. Il peut dégrader les huiles lubrifiantes. M. Lacroix Biomasse 30

31 ÉTHANOL: INTÉRÊT 1. Aussi appelé alcool éthylique ou alcool à grains. 2. Production principale: fermentation d hydrates de carbone dans les plantes (maïs, grains), procédé connu depuis ~ ans: C + H O C H OH CO 3. On le produit aussi à partir d éthylène: C H + H O C H OH M. Lacroix Biomasse 31 2

32 DE LA CANNE À SUCRE À L ÉTHANOL M. Lacroix Biomasse 32

33 ÉTHANOL: AVANTAGES 1. N importe quelle biomasse contenant des hydrates de carbone peut être transformée en éthanol. 2. L indice d octane élevé permet un taux de compression plus grand: rendement accru. 3. Combustible propre: pas de production de NO x ou de SO x. 4. Consommable par l humain Expérience brésilienne. M. Lacroix Biomasse 33

34 ÉTHANOL À LA POMPE M. Lacroix Biomasse 34

35 ÉTHANOL: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Pouvoir calorifique par unité de volume: ~ kj/litre (essence: kj/litre). 2. Sa production consomme davantage d énergie utile qu elle n en génère. 3. Il est soluble dans l eau. M. Lacroix Biomasse 35

36 Production d éd éthanol: étapes* Biomasse Prétraitement Enzymes Levures Hydrolyse Fermentation Distillation Éthanol Électricité Lignine Vapeur La production d éthanol comme carburant au Québec, Stéphanie Dumaine Allard, Rapport 2006 M. Lacroix Biomasse 36

37 Production d éd éthanol: énergie Essence : 7% Diesel : 15% Produits chimiques : 6% Électricité : 2% GPL : 4% Chaux : 10% Potassium : 6% Gaz naturel : 1% Semences : 1% Phosphore : 4% Azote : 44% Semences : Azote : Phosphore : Potassium : Chaux : Produits chimiques : Diesel : Essence : GPL : Électricité : Gaz naturel : M. Lacroix Biomasse 37

38 ÉTHANOL: INCONVÉNIENTS NIENTS 4. Parce qu il est moins volatile que l essence, le démarrage du moteur par temps froid est plus difficile. 5. Il peut dégrader les huiles lubrifiantes. M. Lacroix Biomasse 38

39 HUILES VÉGÉTALESV Huiles d olives, d arachides, de maïs, de tournesol, de palme, etc. En 1900, le moteur diesel était déjà alimenté en huile d arachides. Pouvoir calorifique par unité de volume: ~ kj/litre (diesel: kj/litre). M. Lacroix Biomasse 39

40 DÉCHETS DOMESTIQUES Alternative à l enfouissement: combustion, pyrolyse et gazéification. M. Lacroix Biomasse 40

41 BIOGAZ Digestion anaérobique de matières organiques produisant du méthane (CH 4 ). M. Lacroix Biomasse 41

42 Biomasse: conclusions Le grain, les déjections animales et les déchets peuvent être considérés comme une forme d énergie renouvelable à condition que l échelle de temps soit inférieure à l année. Le bois ne peut toutefois pas être vu comme une forme d énergie renouvelable. L échelle de temps est trop longue. Si on pense que le réchauffement climatique est dû à l augmentation des rejets de CO 2 dans l atmosphère, alors la biomasse n est pas la voie à prendre. L avenir est à l hydroélectricité, le solaire et le nucléaire. M. Lacroix Biomasse 42

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