Introduction à la biomasse- énergie. Formation Énergies Renouvelables, FOREM, Mons 2007

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1 Introduction à la biomasse- énergie

2 Plan de l exposé 1. La biomasse, c est quoi? 2. Potentiel énergétique disponible 3. Caractéristiques des biomasses 4. Principales filières de valorisation

3 La biomasse, c est quoi? Définition «nature» : Toute matière organique créée par l'activité métabolique des organismes vivants (algues, arbres, cultures ) La biomasse inclut toute végétation «terrienne» et «marine», ainsi que tout déchet organique. Définition «énergie» : De la matière organique dans laquelle est stockée de l énergie solaire. Cette énergie réside dans les liaisons chimiques C-H-O (photosynthèse) Énergie chimique libérée lorsque ces liaisons sont cassées par combustion, digestion, ou décomposition.

4 La biomasse, c est quoi? Présente sous toute sorte de formes : Plantes «ligneuses» bois Plantes herbacées paille, colza, miscanthus Plantes aquatiques algues... Déchets animaux lisiers, fumiers... Déchets organiques eaux usées, déchets urbains...

5 Utilisations de la biomasse Fibres : bois de construction papier & carton polymères, etc. Alimentation & fourrage Biomasse Combustibles : bois de chauffage, bois de cuisine, éthanol, etc.

6 Bois et autres biomasses : un grand potentiel Consommation mondiale de biomasse : GJ/hab/an, équivaut à litres de fuel par hab et par an, soit une consommation totale mondiale de biomasse par an : 60 EJ/an La consommation de biomasse assure 14% du besoin mondial d énergie (450 EJ/an) mais cela ne représente que 2% des ressources de biomasse Le potentiel total de biomasse représente 5-10 fois les besoins actuels, càd 400 milliards de tonnes par an (3,000 EJ/an) En 2050, le potentiel technique pourrait atteindre 30% du besoin mondial d énergie soit 7% du potentiel maximal (205 EJ/an)

7 Énergie, l approvisionnement actuel n est pas viable gaz naturel 21% biomasse 14% hydro & nucléaire 4% pétrole 37% Actuellement, 82% de notre consommation d énergie est basée sur des ressources finies... charbon 24%

8 Flux d énergie renouvelable sur Terre La puissance consommée actuellement par l humanité est de 12 TW

9 Objectifs de la Commission Européenne

10 Sources 1. Biomasse forestière forêts industries du bois 2. Biomasse agro-alimentaire cultures agricoles industries agricoles 3. Biomasse urbaine 4. Autres Biomasses déchets municipaux déchets industriels boues d épuration aquatiques (algues) tourbières

11 Biomasse forestière : matière première Forêt Bois d œuvre

12 Biomasse forestière : Rémanents d exploitation Houppiers et branchage Premières éclaircies

13 Biomasse forestière : Sous-produits de transformation Écorces Sciures Chips de bois Plaquette

14 Biomasse agro-alimentaire : résidus d exploitation

15 Biomasse agro-alimentaire : résidus d exploitation

16 Biocarburants (1) Production de biodiesel en Europe (tonnes de Methyl Ester par an) , , , , objectif 2% 2010 Biocarburant = 5,75% du carburant consommé France est le leader européen (58%) Plantes cultivées : colza et tournesol Italie (20%), Allemagne (14%) Belgique (5%), Autriche (3%)

17 Cultures énergétiques (2) Production d ethanol dans le Monde et dérivé (ethyl-tertio-butyl-éther - ETBE) ,000,000 tonnes Brésil est le leader mondial (75%) Plantes cultivées : canne à sucre et betterave États-unis (22%) Canada (1%) France (<1%)

18 Biomasse urbaine : MSW Papiers, Cartons Matériaux bio-dégradables Encombrants Production annuelle de plus de 300 kg/hab/an, soit plus de 30,000 TJ/an en Belgique Déchets commerciaux et industriels Déchets de bois de construction Déchets emballage Eaux résiduaires

19 Boues de stations d épuration En Belgique 15 kg/hab/an de matière sèche, soit 2,000 TJ/an Réhabilitation de sols contaminés Ancien site industriel contaminé (métaux lourds) Biomasse contaminée par radionucléides (Chernobyl) Boues de dragages (ML, hydrocarbures lourds )

20 En BELGIQUE Potentiels Disponibilité Utilisation

21 Ressources de bois-énergie en Belgique Type de déchets de bois Wallonie Flandre Total Min [ktms] Max [ktms] Min [ktms] Max [ktms] Min [ktms] Max [ktms] Rémanents forestiers Résidus 1 ère transformation 128, Ecorces Plaquettes Sciures 11, Résidus 2 ème transformation 22,7 41, Plaquettes 8,7 20, Sciures + copeaux Emballages Plaquettes Sciures + copeaux Bois de rebut (parcs à conteneurs) Cultures énergétiques Total Soit un potentiel théorique de à TJ, ou encore 680 à 950 ktep

22 Potentiel technique de bois-combustible en Belgique Type de déchets de bois Potentiel théorique Potentiel technique Energie primaire équivalente Min [ktms] Max [ktms] Min [ktms] Max [ktms] Min [PJp] Max [PJp] Rémanents forestiers ,76 3,74 Résidus 1 ère transformation ,66 3,28 Ecorces ,66 0,88 Plaquettes ,0 2,22 Sciures ,18 Résidus 2 ème transformation ,79 4,27 Plaquettes ,15 2,54 Sciures + copeaux ,64 1,73 Emballages ,64 1,03 Plaquettes ,22 0,35 Sciures + copeaux ,8 0,42 0,68 Bois de rebut (parcs à conteneurs) ,40 2,2 Cultures énergétiques ,30 4,60 Total ,55 19,12 Soit 300 à 450 kilotonnes équivalent de pétrole

23 Taillis à courte rotation Potentiel de culture ligneuse sur 5% de la surface agricole utile (soit 66,000 ha) production de 720,000 tonnes de combustible par an

24 Rémanents forestiers En moyenne 1 tonne/ha/an (35% en feuillus et 65% en épineux) soit un potentiel estimé à 550,000 tonnes de combustible par an

25 Sous-produits de scierie, menuiseries et autres industrie du bois Production de 730,000 tonnes de sous-produits (35% est utilisé dans l industrie de la trituration, 15% est déjà récupéré en énergie et 50% est gaspillé, incinéré ou mis en décharge)

26 Bois de démolition Production de 140,000 tonnes de déchets brûlés, incinérés ou mis en décharge

27 Disponibilité du bois-énergie en Belgique 12,00 Availability of wood energy in Belgium (GEB, WOODSUSTAIN) EUR/GJ 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Heating fuel price September 2000 (VAT excluded) Energy cultivation Industrial Waste Forest residues Pulpaper Heating fuel price January 1999 (VAT excluded) Compost Fiberboards Abandonned in the forests 0,00-2,00-4, x 1000 TJ/an Rubbish dumps Burning

28 Consommations et potentiels de bois-énergie en Europe rapportées à la surface boisée sources : Feeds, 1998 & Comité du Bois, ,50 3,00 2,50 Bois énergie inutilisé Bois énergie consommé tms/ha/an 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Austria Finland France Portugal Sweden Belgium

29 En résumé : 1. Les biomasses sont très diversifiées différentes origines agriculture, foresterie, activités urbaines, océans origine végétale ou animale différentes natures humides ou sèches solide, liquide ou gazeux 2. La biomasse-énergie a un bel avenir le potentiel exploitable est très important les innovations attendues sont nombreuses agriculture et aquaculture technologie de conversion

30 CARACTERISATION DES BIOMASSES - Humidité - Matières volatiles (MV) et carbone fixe (FC) - Cendres quantité, type de cendres - Pouvoir calorifique - Rapport Cellulose / Lignine - Masse volumique

31 Humidité Humidité Extrinsèque : humidité influencée par conditions climatiques lors de la récolte (utilisée dans la pratique) Humidité Intrinsèque : humidité hors influence des conditions climatiques (utilisée plus en laboratoire ou comme référence) Conversion thermo-chimique: Humidité <50% sinon bilan thermique affecté Conversion bio-chimique: Préférences pour humidités élevées

32 L humidité s obtient suite à la «Proximate analysis» Proximate analysis Humidité MV Cendres FC Ultimate analysis (ou analyse élémentaire) C H O N S Cendres Exemples de valeurs d humidité sur matière brute (%tmb)

33 Matières volatiles et carbone fixe Les MV d un combustible solide : partie du combustible qui s échappe sous forme de gaz (humidité comprise) par chauffage (950 C pendant 7min) Le carbone fixe (FC) est la masse restante. MV et CF fournissent une mesure de la capacité d un combustible à s allumer ou à s oxyder (selon le type d usage)

34 Composition chimique : Proximate analysis Humidité (intrinsèque) (%) VM (%) FC (%) Ash (%) Bois Paille (blé) Paille (orge) Charbon bitumineux Valeurs exprimées en % sur matière brute (%tmb)

35 Composition chimique: analyse élémentaire ANALYSE ELEMENTAIRE Combustibles C H O N S Fossiles Charbon Lignite Renouvelables origine végétale Peuplier Eucalyptus Café (parches) Coton (tiges) Papyrus Renouvelables origine animale Déjections Déchets ménagers Black Liquor +18,3% Na

36 Analyse élémentaire Analyse élémentaire 100% 80% 60% 40% 20% 0% O H C Black Liquor +18,3... Déchets ménagers Déjections Papyrus Coton (tiges) Charbon Lignite Peuplier Eucalyptus Café (parches)

37 Teneur en cendres Résidu (matières solides) produit par un procédé thermo-chimique ou biochimique. On appelle ce résidu «cendres» pour la combustion à l air et constitue un paramètre de références des combustibles solides et liquides. Pour un procédé bio-chimique, ce résidu représente la quantité de carbone non bio-dégradable. La quantité de résidu est plus importante pour un procédé bio-chimique que pour un procédé thermo-chimique. La qualité des cendres est importante car elles forment les scories. Ou, en réaction avec les métaux alcalins et le Si, des mâchefers. Cela représente un effluent supplémentaire à traiter ou des cendres vitrifiées qui provoquent des blocages. Difficultés opérationnelles et coûts

38 Teneur en cendres charbon charbon de bois lignite eucalyptus saule pin cendres wt%, matière sèche andropogon coton (tiges) maïs (tiges") sorgho bagasse arachides (coques) riz (balles)

39 Température de fusion des cendres andropogon coton (tiges) maïs (tiges) maïs (plante entière) sorgho blé (pailles) miscantus bois saule T, Hémisphère [ C]

40 Pouvoir Calorifique (1) C est l expression du contenu énergétique par unité de mesure [MJ/kg], [MJ/l] ou [MJ/m3] Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) [kj/kg] Quantité totale d énergie libérée, chaleur latente vapeur d eau comprise Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) [kj/kg] Valeur utile Déterminé à la bombe calorimétrique

41 Pouvoir Calorifique (2) Corrélations avec l analyse élémentaire CHyOx Martin, Patigny : PCI = x y ( y) 1+ y 12 + y+ 16x [ MJ / kg] [MJ/kg] Pour la biomasse sèche, exempte de cendres, PCI = +/ kj/kg andropogon (tiges) andropogon (pointes) coton (tiges) maïs (tiges) sorgho arachides (coques) riz (balles) blé (pailles) saule miscantus bois

42 Pouvoir Calorifique (3) PCI = f (humidité, teneur en matières minérales) PCI (min) ( HO 2 ) = ( HO) 1 + ( HO) 2 2 [ kj / kg] Avec (min) = teneur en matières minérales [kg/kg M.S.] (H 2 O) = humidité [kg H 2 O/kg M.S.]

43 Rapport : Cellulose / Lignine La biodégradabilité de la cellulose est plus importante que celle de la lignine facteur déterminant pour le choix d une espèce et son utilisation dans un procédé bio-chimique. (%) Lignine Cellulose Hémi-cellulose Bois tendre Bois dur Paille Switchgrass La quantité de lignine représente un potentiel d énergie mais certains procédés ne parviennent pas à la transformer en gaz de synthèse.

44 Masse volumique Masse volumique réelle (bois plein) saule = 450 kg/m 3 Masse volumique apparente (nécessité de broyage) chips de saule = 170 kg/m 3 Influence très importante sur : Coûts de transport Coûts de stockage Les systèmes de convoyage Le comportement lors du procédé (thermo ou bio)

45 Densité énergétique Densité énergétique = PCI X la masse volumique apparente PCI [GJ/t] PCI [GJ/m3] Bûches de chêne [20% hum.] Ballots de paille Déchets verts (gazon) 4 3 Piles de journaux 17 9 Déchets ménagers Charbon Diesel Source : J. Ramage (1996)

46 Caractéristiques des sous-produits du bois Origine PCI moyen Humidité sur matière brute Masse volumi que Densité énergé tique Plaquettes Scierie, Broyage de rémanents forestiers 7,92 à 14 GJ/t 20 à 50% 180 à 400 kg/m³ 2,16 à 3,6 GJ/map Sciure humide Scierie 5,76 à 10 GJ/t 40 à 60% 230 à 520 kg/m³ 2,16 à 3,6 GJ/map Écorces Scierie 6,48 à 8,28 GJ/t 40 à 60% 330 à 390 kg/map 2,16 à 3,42 GJ/map

47 Les grandes filières biomasse-énergie Biomasses sèches : bois, paille,... Biomasses humides : boues, lisiers,... Conversions thermochimiques Conversions biochimiques Combustion Gazéification Pyrolyse Digestion Fermentation Photosynthèse interrompue Extraction Fumées Gaz Huiles Charbon de bois Biogaz Hydrogène Huiles Ethanol Estherification Vapeur Turbine à gaz Méthanol Hydogène Bio-Diesel Chaleur Turbine à vapeur Electricité Moteur Chaleur Pile à combustible Electricité Carburant

48 Conversion thermochimique :Principes de base Procédé Excès d air Température Produit principal Combustion λ > C gaz d échappement chauds Gazéification 0.2 < λ < C gaz à PCI faible à moyen Pyrolyse - carbonisation 0 < λ < 0.2* C huiles pyrolitiques, liquide PCI moyen Principales utilisations possibles Production d eau chaude, de vapeur ou de gaz chauds, y compris pour la production d électricité gaz combustible pour moteurs à gaz et dual-fuel, turbines à gaz et piles à combustible carburants pour moteurs Diesel ou pour turbines à gaz. Production de charbon de bois

49 Conversion thermochimique : technologies et performances Secteur Technologie Puissance Combustible accepté Rendement net therm. élec. Investissement Domestique Poêles qques kw th à 50 kw th bûches, granulés 15-75% EUR/kW th Chauffage collectif et PME Chaudières 10 à 100 kw th bûches, granulés, chips Chaudières 0.1 à 10 MW th sciures, chips, % EUR/kW th % EUR/kW th Groupes gazoélectrogènes 0.1 à 0.5 MW e chips, % 20-26% EUR/Kw el Production d électricité centralisée Cycles à vapeur > MW e sciures, chips, écorces,... Co-combustion > 5 MW e sciures, chips, écorces,... Cycles à gaz > 5 MW e sciures, chips, écorces, % 15-35% EUR/kW el 35-45% EUR/kW el 30-50% EUR/kW el

50 La production de chaleur : exemples de filières bois-énergie illustrations ITEBE

51 Chauffage collectif Moirans-en-Montagne (France, Jura) écorces, copeaux, sciures, plaquettes forestières illustration AJENA chaudière 2 MW th (1,000,000 EUR) réseau de chauffage de 3,2 km (350,000 EUR) école, complexe sportif, caserne, logements

52 Chaudière à lit fluidisé Frantschach (Austria, Patria Papier & Zellstoff) écorces, charbon, boues production de vapeur - 70 t/h à 85 bar et 520 C

53 Co-combustion biomasse/charbon Projet Bio-Cocomb CHARBON 330 MWth TRAITEMENT DES FUMEES BIOMASSE 10 MWth REBURNING TURBINE 137MWe CHAUDIERE BROYEUR GAZOGENE CENDRES

54 Les micro-cogénérateurs à bois Biowatt (Ohio) chaudière à pellets Stirling à piston libre rendement total 85% dont 15-20% d électricité

55 Biométhanisation BIOMASSE micro-organismes fermentatifs Bio gaz Liquide Solide lisiers / fumiers (bovins, porcs, volailles) eaux usées (agricoles, industrielles) boues d épuration déchets ménagers, abattoirs

56 Fermentation alcoolique BIOMASSE micro-organismes fermentatifs Gaz Éthanol + Liquide Solide sucres simples : amidon : cellulose : canne à sucre mélasses maïs manioc bois résidus agricoles

57 Conclusions Grande diversité des ressources résidus exploitation forestière résidus agricoles cultures énergétiques Potentiel énergétique considérable Coût généralement faible Source renouvelable, neutre en CO 2 Mais Dispersion spatiale, faible densité énergétique Combustible non standardisé Combustible difficile à mettre en œuvre

58 Conclusions Produit orienté combustion ou thermochimie : Humidité faible Teneur en cendres faible Température de fusion des cendres élevée PCI élevé Masse volumique élevée Produit orienté digestion ou fermentation Teneur en eau élevée Rapport Cellulose/Lignine élevé Teneur en résidus faible