La production énergétique à partir de la biomasse forestière : le devenir des nutriments et du carbone

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1 La production énergétique à partir de la biomasse forestière : le devenir des nutriments et du carbone Jessica François, Mathieu Fortin et Anthony Dufour Journées CAQI les 8 et 9 avril 2014, Gembloux, Belgique 1

2 Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques Introduction En Europe : 37,5% de la surface recouverte par des forêts 2

3 Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques Introduction 23 % d énergie renouvelable dans le mix énergétique français d ici à

4 Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques Introduction ossibilité de transformer la biomasse dans des installations similaires >> roduction à grande échelle et bon rendement 4

5 Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques Introduction Lutte contre le changement climatique en limitant les émissions de CO 2 fossiles CO 2 cycle court = 1 mois 100 ans CO 2 5

6 Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques Introduction mais source limitée, épuisable Minéraux = essentiels à la croissance de l arbre productivité des forêts utilisation de fertilisants chimiques Minéraux Temps géologique Altération 6

7 Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques Introduction mais source limitée, épuisable CO, Ox, 2 O, O 2, HA, etc. 7

8 Objectif de notre étude rédire le devenir des minéraux et du carbone depuis la forêt jusqu à la centrale biomasse énergie Introduction CO 2 Emissions Minéraux Bois énergie Modèle Forêt Modèle rocédé bois-énergie 8

9 Comment? Intégration d un modèle de forêt dans un modèle de procédé Introduction CO 2 Emissions Minéraux Bois énergie Modèle Forêt Modèle rocédé bois-énergie Modèle depuis la forêt jusqu au procédé 9

10 late-forme Capsis rédiction de la croissance du peuplement Modélisation de la forêt sous Capsis Teneur en C,,,, diamètre hauteur euplement régulier de hêtre européen Fort potentiel de valorisation en Lorraine modèle FAGACEE 10

11 late-forme Capsis Modélisation de la forêt sous Capsis Et des récoltes du bois le long de la durée de vie du peuplement 0 an 1 ha Temps en année 1 ha 1 ha 140 ans 1 ha Biomasse récoltée en kg ha -1 an -1 Croissance Récolte 11

12 L Outil Carbone Gestion des usages du bois récolté Modélisation de la forêt sous Capsis Menus bois 1 ha Bois énergie usage industriel Bois énergie usage domestique Bois de trituration papier Bois d oeuvre meubles, construction, emballage Croissance Récolte Tri selon qualité Bois vers ces différents usages our plus de détails voir Fortin et al

13 L Outil Carbone Gestion des usages du bois récolté Modélisation de la forêt sous Capsis Biomasse en kg ha -1 an -1 Menus bois 1 ha Bois énergie usage industriel Bois énergie usage domestique Bois de trituration papier Bois d oeuvre meubles, construction, emballage Croissance Récolte Tri selon qualité Bois vers ces différents usages our plus de détails voir Fortin et al

14 L Outil Carbone Gestion des usages du bois récolté Modélisation de la forêt sous Capsis Carbone en kg ha -1 an -1 Menus bois 1 ha Bois énergie usage industriel Bois énergie usage domestique Bois de trituration papier Bois d oeuvre meubles, construction, emballage Croissance Récolte Tri selon qualité Bois vers ces différents usages our plus de détails voir Fortin et al

15 L Outil Carbone Gestion des usages du bois récolté Modélisation de la forêt sous Capsis Minéraux en kg ha -1 an -1,,, Menus bois 1 ha Bois énergie usage industriel Bois énergie usage domestique Bois de trituration papier Bois d oeuvre meubles, construction, emballage Croissance Récolte Tri selon qualité Bois vers ces différents usages our plus de détails voir Fortin et al

16 L Outil Carbone Filière de production du bois énergie Bois récolté Modélisation de la forêt sous Capsis Forêt Menus bois Autres usages du bois Bois énergie usage domestique Bois disponible pour centrale biomasse Bois énergie usage industriel Bois de trituration papier Bois d oeuvre meubles, construction, emballage cierie, Usine de déroulage Résidus des industries du bois Déchets Bois non souillé en fin de vie 16

17 «rocédé» de production de bois énergie Modélisation de la forêt sous Aspen lus Flux Capsisen kg ha -1 an -1 CO 2 H 2 O Flux en kg hr -1 roduction bois énergie Bois pour centrale biomasse Réacteur Aspen lus C a H b O c d e Cl f k p + H 2 O Calcul le nombre d hectares requis Réaction simplifiée de photosynthèse

18 Centrale de cogénération biomasse Technologies disponibles Modélisation de la centrale biomasse sous Aspen lus Réseau de chaleur Electricité Technologie répandue et robuste Combustion directe Gazéification chaleur syngas Turbine à vapeur Turbine à gaz Moteur Offre de meilleur rendement électrique Technologie encore en développement 18

19 Cogénération par gazéification Modélisation de la centrale biomasse sous Aspen lus rocédé modélisé : Bilan vue d ensemble CO 2, CO, H 2 O O, 2 O, 2, O 2, HC, HCl, dioxin, HA, VOC, oussières (dont cendres volantes) Fumées Gaz d échappement CO 2, CO, H 2 O O, 2, O 2, HA, COV, uies Chaleur 18 MW yngas Epuration Moteur Electricité 10 MWe Gazéifieur Bois C a H b O c d e Cl f k p + H 2 O yngas recyclé C a d e Cl f k p 19

20 Cas d étude Résultats 1 Gestion standard et menus bois laissé au sol 3 Gestion plus intensive et menus bois laissé au sol 0 an 0 an 140 ans 100 ans 1 an de fonctionnement continu Menu Bois BOI EERGIE 570 TJ 280 TJ Menu Bois BOI EERGIE 570 TJ 280 TJ 20

21 Cas d étude Gestion standard 21 et Gestion menus standard bois utilisé et comme menus bois bois laissé énergie au sol 0 an 43 Gestion plus intensive et Gestion menus plus bois intensive utilisé et comme menus bois bois laissé énergie au sol 0 an Résultats 140 ans 100 ans 1 an de fonctionnement continu Menu Bois BOI EERGIE 570 TJ 280 TJ Menu Bois BOI EERGIE 570 TJ 280 TJ 21

22 Influence des scénarios sur la production de bois énergie Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB ha ha ha ha 57% 37% Bois Energie Résidus 6% Déchets 64% 63% 71% 31% 30% Bois Energie Résidus 5% Bois Energie Résidus Déchets Déchets Déchets Bois énergie vers cogénération : tonnes sur 1 an 7% Bois Energie 23% Résidus 6% 22

23 Influence des scénarios sur la production de bois énergie Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB ha ha ha ha 57% 37% Bois Energie Résidus 6% Déchets 64% 63% 71% 31% 30% Bois Energie Résidus 5% Bois Energie Résidus Déchets Déchets Déchets Bois énergie vers cogénération : tonnes sur 1 an 7% Bois Energie 23% Résidus 6% Récolte des menus bois nombre hectares requis : 15% bois énergie forêt : 7% moins de biomasse /ha moins de bois d œuvre 23

24 Influence des scénarios sur la production de bois énergie Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB ha ha ha ha 57% 37% Bois Energie Résidus 6% Déchets 64% 63% 71% 31% 30% Bois Energie Résidus 5% Bois Energie Résidus Déchets Déchets Déchets Bois énergie vers cogénération : tonnes sur 1 an 7% Bois Energie 23% Résidus 6% Durée de rotation plus courte nombre hectares requis : 14% bois énergie forêt : 6% résidus industrie : 7% moins de biomasse /ha moins de bois d œuvre 24

25 Influence des scénarios sur l exportation des minéraux Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 67 8,1 6, , ,2 7,

26 Influence des scénarios sur l exportation des minéraux Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 67 8,1 6, , ,2 7,1 82 Récolte des menus bois faible de,, : + 1-5% de : -2% [] menu bois >[] autres [] menu bois > [] autres [] menu bois >[] autres [] menu bois < [] autres Migration du des menus bois vers le tronc? 26

27 Influence des scénarios sur l exportation des minéraux Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 67 8,1 6, , ,2 7,1 82 Récolte des menus bois faible de,, : + 2-6% de : + 8% [] menu bois >[] autres 27

28 Influence des scénarios sur l exportation des minéraux Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 67 8,1 6, , ,2 7,1 82 Durée de rotation plus courte faible en et : 1-3% en : 15% = en [] bois-energie-foret > [] autres [] bois-energie-foret >[] autres [] bois-energie-foret >[] autres [] bois-energie-foret <[] autres + de bois-énergie-forêt 28

29 Lien entre minéraux et émissions Résultats 1 tandard sans MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 1% 55% 1% 2 O 0,7 t HC 0,2 t 2 36 t 43% O 28 t O 2 6,8 t 2 O 5 0,04 t 2 O 0,5 t Emissions 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t 29

30 Lien entre minéraux et émissions Résultats 1 tandard sans MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 2 O 0,7 t HC 0,2 t 2 36 t Emissions O 28 t 85% O 2 6,8 t 2 O 5 0,04 t 2 O 0,5 t 15% 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t 30

31 Lien entre minéraux et émissions Résultats 1 tandard sans MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 2 O 0,7 t HC 0,2 t 2 36 t O 28 t Emissions 1,2 t 99% 2 O 5 6,5 t < 1% O 2 6,8 t 2 O 5 0,04 t 2 O 0,5 t 2 O 88 t 31

32 Lien entre minéraux et émissions Résultats 1 tandard sans MB 65 t 8 t 6,5 t 89 t 2 O 0,7 t HC 0,2 t 2 36 t O 28 t Emissions 1,2 t 2 O 5 6,5 t O 2 6,8 t 2 O 5 0,04 t 2 O 0,5 t < 1% 2 O 88 t 99% 32

33 Influence des scenarios sur les émissions Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB O 28,0 t 2 O 0,7 t O 2 6,8 t 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t O 28,2 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O 5 6,8 2 O 87 O 28,1 2 O 0,75 O 2 6,8 1,2 2 O 5 6,6 2 O 76 O 28,4 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O O 76 33

34 Influence des scenarios sur les émissions Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB O 28,0 t 2 O 0,7 t O 2 6,8 t 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t O 28,2 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O 5 6,8 2 O 87 O 28,1 2 O 0,75 O 2 6,8 1,2 2 O 5 6,6 2 O 76 O 28,4 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O O 76 avec récolte des menus bois et rotation plus courte <=> exportation des minéraux 34

35 Influence des scenarios sur les émissions Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB O 28,0 t 2 O 0,7 t O 2 6,8 t 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t O 28,2 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O 5 6,8 2 O 87 O 28,1 2 O 0,75 O 2 6,8 1,2 2 O 5 6,6 2 O 76 O 28,4 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O O 76 Récolte menu bois + rotation plus courte O : kg ; 2 O : + 54 kg ; O 2 : kg +1% +7% +2% 35

36 Influence des scenarios sur les émissions Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB O 28,0 t 2 O 0,7 t O 2 6,8 t 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t O 28,2 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O 5 6,8 2 O 87 O 28,1 2 O 0,75 O 2 6,8 1,2 2 O 5 6,6 2 O 76 O 28,4 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O O 76 et dans les cendres et 36

37 Influence des scenarios sur les émissions Résultats 1 tandard sans MB 2 tandard avec MB 3 Intensif sans MB 4 Intensif avec MB O 28,0 t 2 O 0,7 t O 2 6,8 t 1,2 t 2 O 5 6,5 t 2 O 88 t O 28,2 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O 5 6,8 2 O 87 O 28,1 2 O 0,75 O 2 6,8 1,2 2 O 5 6,6 2 O 76 O 28,4 2 O 0,8 O 2 6,9 1,2 2 O O 76 Récolte menu bois + rotation plus courte : + 30 kg ; 2 O 5 : kg ; 2 O : kg +2% +9% -13% 37

38 Conclusions Couplage «modèle Forêt» avec «modèle rocédé biomasse énergie» rédiction des flux biomasse et minéraux du sol aux émissions Influence des pratiques sylvicoles sur exportation des minéraux vers centrale biomasse Récolte des menus bois + rotation plus courte exportation de,, de 1 à 9% exportation de de 2 à 15% Influence des pratiques sylvicoles sur émissions de la centrale Récolte des menus bois + rotation plus courte émissions du procédé de 1 à 7% 38

39 Merci Merci à Fédération Jacques Villermaux, LERFoB, CR, pour leur soutien financier 39