ENR810 Énergies renouvelables La biomasse

ENR810 Énergies renouvelables La biomasse Pierre-Luc Paradis Chargé de cours pierre-luc@t3e.info Stéphane Hallé, M.Sc.A., Ph.D.

Plan de la présentation Introduction Utilisation de la biomasse Combustion directe Gazéification Digestion anaérobie et pyrolyse Conclusion : avantages et inconvénients 2

Introduction Biomasse: matière végétale et déchets organiques des végétaux, animaux et des humains Exemples: arbres, foin, excréments animaux, résidus de bois, certains déchets municipaux CO 2 CO 2 H 2 O conversion Énergie utile 4

Introduction L énergie provenant de la biomasse découle directement de l énergie solaire (4000 W/m 2 /jour en moyenne). Efficacité de captation 1% 5

Introduction Quelques données de bases sur la biomasse Taux de stockage d énergie dans la biomasse d origine terrestre Masse totale des plantes terrestres Masse totale des forêts Énergie totale emmagasinée dans la biomasse d origine terrestre Production annuelle nette de la biomasse d origine terrestre Biomasse terrestre par capita 3 000 EJ/an 1800 milliards de tonnes 1600 milliards de tonnes 25 000 EJ 400 000 Mt/an 500 tonnes 6

Introduction Indice de développement durable r : Temps nécessaire pour la régénération d une quantité commercialement significative de la ressource. u : Temps où cette ressource peut-être utilisée. Exploitation du bois d œuvre (sud-ouest canadien) Exploitation du bois d œuvre (sud est américain) Activité r / u Commentaire Une tonne de déchet réutilisable par 1 résidant canadien 1,43 0,36 0,016 Moyennement renouvelable Renouvelable Renouvelable Régénération du pétrole et du charbon > 100 000 Non renouvelable 7

Constituants de la biomasse Lignine (15-25%) Principalement localisé entre les cellules, la lignine offre une rigidité, une imperméabilité à l'eau et une grande résistance à la décomposition. Hémicellulose (23-32%) Une des composantes du bois. Contrairement à la cellulose, elle possède une structure amorphe. Cellulose (38-50%) Glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules (C 6 H 10 O 5 ) n (entre 200 et 14 000). Principal constituant des végétaux et en particulier de la paroi cellulaire. 10

Utilisation de la biomasse Technologies bioénergétiques 11

Utilisation de la biomasse Technologies bioénergétiques Procédés thermochimiques Procédés biochimiques Procédés d extraction 12

Utilisation de la biomasse Technologies bioénergétiques 13

Combustion directe Réf: Wikipédia La combustion est une réaction exothermique d'oxydoréduction (nécessite la présence d oxygène, O 2 ). Le triangle de feu 16

Combustion directe Contenu calorifique moyen de quelques combustibles Bois vert (60% d humidité) Bois sec (20% d humidité) Foin (fraichement coupé) Papier Excrément (0% d humidité) Paille Résidus de canne à sucre Huile Gaz naturel 6 GJ/tonne 15 GJ/tonne 4 GJ/tonne 17 GJ/tonne 16 GJ/tonne 15 GJ/tonne 17 GJ/tonne 42 GJ/tonne 55 GJ/tonne 17

Combustion directe Chaudière à biomasse «firebox» Avantages: Grande chambre de combustion Permet d avoir un temps de résidence élevé Facilite la combustion de divers carburants (charbon, bois, déchets solides) Généralement moins efficace que les chaudières conventionnelles 18

Combustion directe Température de flamme en fonction de l humidité Air 0% 30% 19

Combustion directe Efficacité d une chaudière à biomasse ch Q Q transmis fournie Efficacité maximale Q transmis ch m PCS W a PCS: Pouvoir calorifique supérieur du combustible W a : Ventilateur d alimentation en air ch ch 70% à 85% biomasse (beaucoup de variation) 94% à 98% électrique Efficacité à charge partielle 4. L 1 ch ch e 9 L: Facteur de charge L= Q actuel / Q max 20

Combustion directe Exercice: Quel est le rendement d une chaudière à biomasse de 50 kw de puissance nominale. La charge de chauffage fournie à la maison est de 40 kw. Le débit de biomasse est de 0,00275 kg/s et la puissance des équipements auxiliaires (pompe, ventilateur, etc.) est de 2 kw. Utiliser un PCS de 20 MJ/kg. 21

Combustion directe http://www.bmatech.ca/f_biomasse1.html 22

Combustion directe Exercice: Qtransmis Qtransmis 40 Qfournie m PCS W 0, 00275* 20000 2 a ch 0,702 ch 70,2% 23

Combustion directe En conclusion Résidus ininflammables Émissions: CO, NO x, SO x, particules Technologie mature Économies d échelle substantielle pour les gros systèmes Coût du combustible (ex: bois <20$/tonne) Problème d encrassement Disponibilité près des centres de consommation 24

Gazéification Réf: Wikipédia La gazéification est un processus à la frontière entre la pyrolyse et la combustion. Celui-ci permet de convertir des matières carbonées ou organiques en un gaz de synthèse combustible (souvent appelé «syngas»), composé majoritairement de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2), contrairement à la combustion dont les produits majoritaires sont le (CO2 et l'h2o). La pyrolyse est la décomposition ou thermolyse d'un composé organique par la chaleur pour obtenir d'autres produits (gaz et matière) qu'il ne contenait pas. L'opération est réalisée en l'absence d'oxygène ou en atmosphère pauvre en oxygène pour éviter l'oxydation et la combustion (l opération ne produit donc pas de flamme). Il s'agit du premier stade de transformation thermique après la déshydratation. 27

Gazéification Réactions chimiques. 28

Gazéification Réacteur gazogène à lit fixe (co-courant) Puissance thermique : 20 kw à 2 MW 5 à 400 kg de combustible par heure Granulométrie: 5 à 100 mm Humidité < 20% Température 400 à 600 o C Produit peu de goudron Gaz pauvre Gaz CO: 20 à 25 % H 2 : 11 à 17 % CH 4 : 2 à 3 % CO 2 : 9 à 13 % N 2 : 48 à 54 % 29

Gazéification Cycle combiné à biomasse Production d'énergie à partir de deux cycles thermodynamiques utilisant le syngaz 30

Digestion anaérobie Appelée aussi méthanisation Décomposition de la biomasse avec des microorganismes. Enceinte fermée Production de méthane (CH 4 ) et de CO 2 33

Digestion anaérobie Gestion intégrée des déchets municipaux. 34

Pyrolyse Décomposition de la biomasse en fraction solide et gazeuse Biomasse Charbon de bois Gaz non condensable Goudron Biomasse humide Biomasse sèche Début de la Décomposition décomposition complète 100 o C + temps 250 o C + temps 600 o C + temps Pyrolyse «flash» : Obtention de gaz condensables Carbonisation: Obtention de charbon de bois 35

Conclusion Avantages Renouvelable Disponibilité Plusieurs produits dérivées (méthanol, syngas, éthanol, méthane, hydrogène, etc.) Plusieurs procédés utilisables Réduction de la pression sur les sites d enfouissement Faible émission d oxydes de souffre Impact CO 2 très faible Combustion directe: peut être utilisée avec d autres combustibles (ex: charbon) 38

Conclusion Inconvénients Densité énergétique relativement faible Déshumidification nécessaire Utilisation de terre cultivable Utilisation d eau et de fertilisant Ressource dispersée: coût de transport Coût d exploitation des petites installations <20 MW (cogénération) Émissions de particules 39