Introduction à la biomasse- énergie
Plan de l exposé 1. La biomasse, c est quoi? 2. Potentiel énergétique disponible 3. Caractéristiques des biomasses 4. Principales filières de valorisation
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.
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...
Utilisations de la biomasse Fibres : bois de construction papier & carton polymères, etc. Alimentation & fourrage Biomasse Combustibles : bois de chauffage, bois de cuisine, éthanol, etc.
Bois et autres biomasses : un grand potentiel Consommation mondiale de biomasse : 6.3-12.6GJ/hab/an, équivaut à 165-350 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)
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%
Flux d énergie renouvelable sur Terre La puissance consommée actuellement par l humanité est de 12 TW
Objectifs de la Commission Européenne
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
Biomasse forestière : matière première Forêt Bois d œuvre
Biomasse forestière : Rémanents d exploitation Houppiers et branchage Premières éclaircies
Biomasse forestière : Sous-produits de transformation Écorces Sciures Chips de bois Plaquette
Biomasse agro-alimentaire : résidus d exploitation
Biomasse agro-alimentaire : résidus d exploitation
Biocarburants (1) Production de biodiesel en Europe (tonnes de Methyl Ester par an) 1992 55,000 1999 470,000 2000 650,000 2001 945,000 2005 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%)
Cultures énergétiques (2) Production d ethanol dans le Monde et dérivé (ethyl-tertio-butyl-éther - ETBE) 1998 16,000,000 tonnes Brésil est le leader mondial (75%) Plantes cultivées : canne à sucre et betterave États-unis (22%) Canada (1%) France (<1%)
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
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 )
En BELGIQUE Potentiels Disponibilité Utilisation
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 403 446 822 300 403 Résidus 1 ère transformation 128,3 286 179 374 Ecorces 37 56 48 60 Plaquettes 80 178 114 255 Sciures 11,3 52 17 59 Résidus 2 ème transformation 22,7 41,5 433 489 Plaquettes 8,7 20,5 246 291 Sciures + copeaux 14 21 187 198 Emballages 26 52 68 110 Plaquettes 15 36 26 42 Sciures + copeaux 11 16 42 68 Bois de rebut (parcs à conteneurs) 34 54 74 118 108 172 Cultures énergétiques 300 495 170 270 500 650 Total 511 1331 988 1484 1588 2198 Soit un potentiel théorique de 28500 à 39500 TJ, ou encore 680 à 950 ktep
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 300 403 150 203 2,76 3,74 Résidus 1 ère transformation 179 374 90 179 1,66 3,28 Ecorces 48 60 36 48 0,66 0,88 Plaquettes 114 255 54 121 1,0 2,22 Sciures 17 59 0 10 0 0,18 Résidus 2 ème transformation 433 489 206 232 3,79 4,27 Plaquettes 246 291 117 138 2,15 2,54 Sciures + copeaux 187 198 89 94 1,64 1,73 Emballages 68 110 35 56 0,64 1,03 Plaquettes 26 42 12 19 0,22 0,35 Sciures + copeaux 42 68 23 36,8 0,42 0,68 Bois de rebut (parcs à conteneurs) 108 172 76 120 1,40 2,2 Cultures énergétiques 500 650 125 250 2,30 4,60 Total 1588 2198 682 1040 12,55 19,12 Soit 300 à 450 kilotonnes équivalent de pétrole
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
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
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)
Bois de démolition Production de 140,000 tonnes de déchets brûlés, incinérés ou mis en décharge
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 0,00-2,00-4,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 x 1000 TJ/an Rubbish dumps Burning
Consommations et potentiels de bois-énergie en Europe rapportées à la surface boisée sources : Feeds, 1998 & Comité du Bois, 1987 3,50 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
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
CARACTERISATION DES BIOMASSES - Humidité - Matières volatiles (MV) et carbone fixe (FC) - Cendres quantité, type de cendres - Pouvoir calorifique - Rapport Cellulose / Lignine - Masse volumique
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
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)
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)
Composition chimique : Proximate analysis Humidité (intrinsèque) (%) VM (%) FC (%) Ash (%) Bois 20-30 82 17 1 Paille (blé) 16 59 21 4 Paille (orge) 30 46 18 6 Charbon bitumineux 11 35 45 9 Valeurs exprimées en % sur matière brute (%tmb)
Composition chimique: analyse élémentaire ANALYSE ELEMENTAIRE Combustibles C H O N S Fossiles Charbon 84.1 5.6 5.5 1.3 3.5 Lignite 71.4 4.7 21.4 1.0 1.5 Renouvelables origine végétale Peuplier 49.5 5.9 43.7 0.3 - Eucalyptus 47.9 5.9 46.2 0.1 - Café (parches) 49.4 6.2 43.6 0.9 - Coton (tiges) 46.9 5.8 46.9 0.5 - Papyrus 46.7 5.9 47.0 0.4 - Renouvelables origine animale Déjections 51.9 6.7 38.1 2.9 3.6 Déchets ménagers 54 6.9 37.4 1.4 3.4 Black Liquor +18,3% Na 42.6 3.6 31.7 0 3.6
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)
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
Teneur en cendres 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 charbon charbon de bois lignite eucalyptus saule pin cendres wt%, matière sèche andropogon coton (tiges) maïs (tiges") sorgho bagasse arachides (coques) riz (balles)
Température de fusion des cendres 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 andropogon coton (tiges) maïs (tiges) maïs (plante entière) sorgho blé (pailles) miscantus bois saule T, Hémisphère [ C]
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
Pouvoir Calorifique (2) Corrélations avec l analyse élémentaire CHyOx Martin, Patigny : PCI = x 393. 6 + 102. 2y ( 110. 6 + 204. 4y) 1+ y 12 + y+ 16x [ MJ / kg] [MJ/kg] Pour la biomasse sèche, exempte de cendres, PCI = +/-18 000 kj/kg 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 andropogon (tiges) andropogon (pointes) coton (tiges) maïs (tiges) sorgho arachides (coques) riz (balles) blé (pailles) saule miscantus bois
Pouvoir Calorifique (3) PCI = f (humidité, teneur en matières minérales) PCI (min) ( HO 2 ) = 18400 1 2500 1+ ( 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.]
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 27-30 35-40 25-30 Bois dur 20-25 45-50 20-25 Paille 15-20 33-40 20-25 Switchgrass 5-20 30-50 10-40 La quantité de lignine représente un potentiel d énergie mais certains procédés ne parviennent pas à la transformer en gaz de synthèse.
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)
Densité énergétique Densité énergétique = PCI X la masse volumique apparente PCI [GJ/t] PCI [GJ/m3] Bûches de chêne [20% hum.] 15 10 Ballots de paille 14 1.4 Déchets verts (gazon) 4 3 Piles de journaux 17 9 Déchets ménagers 9 1.5 Charbon 28 50 Diesel 42 34 Source : J. Ramage (1996)
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
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
Conversion thermochimique :Principes de base Procédé Excès d air Température Produit principal Combustion λ > 1 800-1300 C gaz d échappement chauds Gazéification 0.2 < λ < 0.5 700-900 C gaz à PCI faible à moyen Pyrolyse - carbonisation 0 < λ < 0.2* 400-700 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
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% - 100-625 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,... 70-90% - 200-700 EUR/kW th 80-100% - 100-1200 EUR/kW th Groupes gazoélectrogènes 0.1 à 0.5 MW e chips,... 50-60% 20-26% 1500-4000 EUR/Kw el Production d électricité centralisée Cycles à vapeur > 3...5 MW e sciures, chips, écorces,... Co-combustion > 5 MW e sciures, chips, écorces,... Cycles à gaz > 5 MW e sciures, chips, écorces,... 50-75% 15-35% 1000-5500 EUR/kW el 35-45% 600-1200 EUR/kW el 30-50% 1000-5500 EUR/kW el
La production de chaleur : exemples de filières bois-énergie illustrations ITEBE
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
Chaudière à lit fluidisé Frantschach (Austria, Patria Papier & Zellstoff) écorces, charbon, boues production de vapeur - 70 t/h à 85 bar et 520 C
Co-combustion biomasse/charbon Projet Bio-Cocomb CHARBON 330 MWth TRAITEMENT DES FUMEES BIOMASSE 10 MWth REBURNING TURBINE 137MWe CHAUDIERE BROYEUR GAZOGENE CENDRES
Les micro-cogénérateurs à bois Biowatt (Ohio) chaudière à pellets Stirling à piston libre rendement total 85% dont 15-20% d électricité
Biométhanisation BIOMASSE micro-organismes fermentatifs Bio gaz Liquide Solide lisiers / fumiers (bovins, porcs, volailles) eaux usées (agricoles, industrielles) boues d épuration déchets ménagers, abattoirs
Fermentation alcoolique BIOMASSE micro-organismes fermentatifs Gaz Éthanol + Liquide Solide sucres simples : amidon : cellulose : canne à sucre mélasses maïs manioc bois résidus agricoles
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
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