Capteur biomasse : une approche multitechnologie pour la maitrise des procédés thermochimiques Pascal BOREL 25 septembre 2012 Séminaire BIOENERGIESUD Nîmes
Préambule Les travaux présentés ici sont actuellement en cours de réalisation dans le cadre du projet collaboratif GAYA, soutenu par l ADEME et coordonné par le CRIGEN de GDF Suez 2
Contenu de la présentation Contexte & Objectif Cahier des charges fonctionnel de l outil à développer Technologies de mesures possibles en réponse Détails sur les solutions retenues principe principales caractéristiques (avantages / inconvénients) travaux CTP sur le sujet 3
Contexte & Objectif Le développement des procédés de conversion de la biomasse en énergie nécessite une meilleure connaissance des caractéristiques de la biomasse utilisée comme matière première. Les enjeux sont multiples : améliorer la performance énergétique globale de la filière, diminuer ses émissions, optimiser la logistique régionale, améliorer la productivité et la sécurité de l approvisionnement Dans ce cadre, l objectif de notre tâche est de concevoir et tester un outil de caractérisation en ligne de biomasses utilisées dans des procédés thermochimiques à des fins de valorisation énergétique. Il est important de contrôler, de façon rapide, fiable et objective, la qualité de la matière première dans le temps, et ce pour des raisons : économiques : ajuster le prix à la qualité réelle de la matière première, techniques : assurer un fonctionnement optimal du procédé utilisant cette matière première, environnementales : contrôler et maitriser les éléments dangereux (le chlore par exemple) afin d en limiter les rejets, dans le respect des normes en vigueur. 4
Cahier des charges fonctionnel du capteur biomasse Le cahier des charges de l outil à développer a été établi en collaboration avec l ensemble des filières concernées (fournisseurs / utilisateurs). Principaux points extraits de ce document : Appareil utilisé «côté utilisateur» pour réguler / sécuriser / optimiser un procédé de gazéification Réaliser un contrôle dynamique, en ligne sur tapis, en temps réel et en continu Caractériser toutes matières premières biomasses ( état de surface, siccité ) bois sous différentes formes (plaquettes, broyats, granulés, sciures ) agricoles (pailles, grains, granulés, déchets végétaux ) papetières (boues de désencrage, de STEP ) Réaliser différentes mesures directes : humidité charges minérales (Ca0, MgO, K2O, Na2O oxydées ou non, CaCO3, Talc, Kaolin ) chlore, soufre granulométrie = distribution 3D volume apparent 5
Technologies de mesures en réponse Une problématique complexe: mesurer différentes caractéristiques sur des matières premières variées en ligne et en temps réel! Aucune technologie de mesure n a 5 pattes Approche multitechnologie originale: on sépare les mesures à réaliser en différentes catégories, chacune associée à une techno. adaptée : SNIR microondes SFX LIBS Triangulation laser Mesure d humidité Mesures «chimiques» de composés élémentaires Mesures «physiques» Humidité Charges minérales : CaO, MgO, K2O, Na2O (formes oxydées ou non) CaCO3, Talc, Kaolin Chlore, Soufre Granulométrie = distribution 3D Volume apparent 6
Spectroscopie NIR (proche infrarouge) Principe : 0.8 < λ < 2.5 µm réflexion spectromètre NIR boite noire composition chimique de l échantillon Principales caractéristiques : + très efficace pour étudier précisément la composition d éch. (H notamment) + ne nécessite aucune préparation de l échantillon + faible coût (pas de consommable une fois le détecteur acquis) + très rapide (quelques millisecondes d intégration suffisent pour une mesure) - très faible pénétration mesure uniquement en surface (# 100 200 µm) Travaux CTP sur le sujet : grande expérience depuis fin 2004 («pionnier» dans le secteur papetier) mesures essentiellement d humidité mais aussi charges, lignine, plastiques développement de capteurs industriels: caractérisation de balles PCR (1 er installé mi 2007 fonctionnant 24/6), mesure d humidité sur copeaux de bois adaptation de cette expérience aux contraintes spécifiques du projet 7
Analyse par micro-ondes Principe : 1 < f < 10 GHz (λ # qq cm) Principales caractéristiques : + mesure traversante parfaitement adaptée à la mesure d humidité + ne nécessite aucune préparation de l échantillon + matériel faible coût et très robuste - moins précis que le NIR - très sensible (généralement) à l épaisseur traversée et à l étalonnage Travaux CTP sur le sujet : recherche d un partenaire expert sélection d une start-up proposant une approche originale de cette méthode : beaucoup moins sensible aux variations d épaisseur que ses concurrentes étalonnage «théorique» indépendant du type de matière première adaptation de cette expérience «labo» aux contraintes spécifiques du projet 8
Spectroscopie de Fluorescence X Principe : λ # quelques nm λ réémission > λ incidente Principales caractéristiques : Source Internet + réémission directement liée aux orbitales électroniques donc aux atomes + mesure «mature» dispo. de tables SFX, d appareils portables "bas coûts" + ne nécessite aucune préparation de l échantillon + mesure qualitative et quantitative possible + très rapide - peu ou pas sensible aux atomes légers - distance de travail très réduite (d autant plus pour les atomes légers # qq cm) Travaux CTP sur le sujet : recherche d un partenaire essais réalisés en labo. avec un appareil portable confirmation des limitations ci-dessus abandon de cette approche pour le projet 9
Spectroscopie LIBS (S. sur plasma induit par laser) Principe : spectro. UV / VIS Principales caractéristiques : Source Internet + mesure à distance possible (jusqu à plusieurs mètres) ne nécessite aucune préparation de l échantillon mesure qualitative et quantitative même sur les atomes légers + analyse multi élémentaire très rapide - mesure «jeune» recul industriel limité et nécessité de travailler avec des spécialistes mesure très ponctuelle (qq µm3 sont vaporisés) reproductibilité discutée - profondeur de champ très réduite (couplage laser / spectro.) : quelques mm Travaux CTP sur le sujet : recherche d un partenaire expert il y a essentiellement deux acteurs industriels dans le monde travaillant sur la LIBS (FR et USA) contacts et essais en cours sur nos échantillons en parallèle : étude des contraintes (profondeur de champ) pour ce projet 10
Reconstruction 3D par Triangulation laser Principe : Image d un profil dans le plan X-Z + défilement selon Y reconstruction 3D complète Principales caractéristiques : + simple à mettre en œuvre pour obtenir des mesures précises + parfaitement adaptée à des objets en défilement (empilement de profils) + très bas coût et très robuste en milieu industriel + très rapide (acquisition) - nécessite des algorithmes de traitements adaptés puissants et rapides Travaux CTP sur le sujet : grande expérience depuis plusieurs années développement de capteurs industriels pour des applications très variées : contrôle marquage braille, contrôle état de surface tissues / panneaux, mesure volume apparent de plaquettes pour usines de pâte et chaufferies adaptation de cette expérience aux contraintes spécifiques du projet (en particulier: algo. de reconnaissance, modélisation pour granulométrie 3D) Z Y X 11
Conclusion En réponse à un cahier des charges complexe, afin de développer un «capteur biomasse» pour la caractérisation en ligne de matières premières variées, nous proposons une approche multitechnologie originale intégrant plusieurs techniques de mesures complémentaires : mesures d humidité: Spectroscopie NIR et Analyse micro-ondes mesures de composés élémentaires: Spectroscopie LIBS mesures de granulométrie 3D et volume apparent: reconstruction stéréoscopique par Triangulation laser Le capteur développé sera implémenté sur le site de la plateforme Pilote du projet GAYA 12