Ing pepin

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La valorisation énergétique des biocombustibles solides P. Tchouate Heteu Université catholique de Louvain Mechanical Engineering Department 1348 Louvain-la-Neuve, Belgium pepin.tchouate@uclouvain.be

Plan de l’exposé: 

Définitions de la biomasse Types de biomasse Caractérisation des biomasses Principales technologies de valorisation et applications Plan de l’exposé

Formes: 

Formes Présente sous toute sorte de formes : Plantes « ligneuses » bois… Plantes herbacées paille, colza, miscanthus… Plantes aquatiques algues... Déchets animaux lisiers, fumiers, graisses... Déchets organiques eaux usées, déchets urbains...

Utilisations primaires de la biomasse: 

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

Sources: 

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

Biomasse forestière : matière première: 

Biomasse forestière : matière première Forêt Bois d’œuvre

Biomasse forestière : Rémanents d’exploitation: 

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

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Rémanents forestiers

Biomasse forestière : Sous-produits de transformation: 

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

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Sous-produits de scierie, menuiseries et autres industrie du bois

Biomasse agro-alimentaire : résidus agricoles: 

Biomasse agro-alimentaire : résidus agricoles

Biomasse agro-alimentaire : résidus agricoles (2): 

Biomasse agro-alimentaire : résidus agricoles (2) Tiges de cotonniers

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Cultures énérgétiques: Taillis à courte rotation

Biomasse urbaine : MSW: 

Biomasse urbaine : MSW Papiers, Cartons Matériaux bio-dégradables Encombrants Déchets commerciaux et industriels Déchets de bois de construction Déchets emballage Eaux résiduaires

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Exemple d’encombrants: Bois de démolition

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Ancien site industriel contaminé (métaux lourds) Biomasse contaminée par radionucléides (Chernobyl) Boues de dragages (ML, hydrocarbures lourds…) Réhabilitation de sols contaminés

CARACTERISATION DES BIOMASSES: 

CARACTERISATION DES BIOMASSES Humidité Matières volatiles (MV) et carbone fixe (FC) Cendres quantité, type de cendres Pouvoir calorifique Rapport Cellulose / Lignine Masse volumique Proximate analysis Humidité MV Cendres FC Ultimate analysis (ou analyse élémentaire) C H O N S Cendres

Humidité: 

Humidité Humidité = pourcentage d’eau dans la biomasse 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) Humidité <50% Conversion thermo-chimique Humidité >50% Conversion bio-chimique

Matières volatiles et carbone fixe: 

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)

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Valeurs exprimées en % sur matière brute (%tMb) Composition chimique : Proximate analysis

Composition chimique: analyse élémentaire: 

Composition chimique: analyse élémentaire

Analyse élémentaire: 

Analyse élémentaire

Teneur en cendres: 

Teneur en cendres

Température de fusion des cendres: 

Température de fusion des cendres

Pouvoir Calorifique : 

Pouvoir Calorifique Corrélation avec l’analyse élémentaire CHyOx Martin, Patigny : Pour la biomasse sèche, exempte de cendres, PCI = +/-18 400 kJ/kg

Pouvoir Calorifique (2): 

PCI = f (humidité, teneur en matières minérales) Avec (min) = teneur en matières minérales [kg/kg M.S.] (H2O) = humidité [kg H2O/kg M.S.] Pouvoir Calorifique (2)

Rapport : Cellulose / Lignine: 

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 et Densité énergétique: 

Masse volumique et Densité énergétique Densité énergétique = PCI X Masse volumique apparente

Caractéristiques des sous-produits du bois: 

Caractéristiques des sous-produits du bois

Les grandes filières biomasse-énergie: 

Les grandes filières biomasse-énergie

Conversion thermochimique :Principes de base: 

Conversion thermochimique :Principes de base

La granulation du boisPelletisationBriquetage: 

La granulation du bois Pelletisation Briquetage

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Pelletisation

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Pelletisation: Produit

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Schéma d’une installation de pelletisation

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Utilisations Domestique Centrales électriques Avantages facilité de transport meilleure densité énergétique

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Gazéification: transformation du bois en gaz

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Les gazogènes à lit fluidisé Puissance : 5 à 100 MWth Consommation : 1 à 20 tonnes MS/h Applications : - production de chaleur ex : réseau de chauffage urbain en Finlande - production d ’électricité - co-combustion - cycles IGCC Etat de maturité - commercial pour « chaleur » et « co-combustion » (Foster Wheeler, Lurgi, TPS, …) - démonstration pour IGGC

Les gazogènes à contre-courant: 

Les gazogènes à contre-courant Puissance : thermique : 1 à 5 MW Combustible : consommation : 0.2 à 1 tonne MS/h granulométrie : 5 à 100 mm humidité : 10 à 60 % Gaz : PCI : 4000 à 5500 kJ/m3N Température : 150°C à 300°C Teneur en goudrons : très élevée : 100 g/m3 Application : - Production de chaleur Statut commercial : - disponible mais reste peu développé

Les gazogènes à co-courant: 

Les gazogènes à co-courant Puissance : thermique : 20 kW à 2 MW spécifique : Combustible : consommation : 5 à 400 kg MS/h granulométrie : 5 à 100 mm humidité < 20 % Gaz : Composition : CO : 20-25 %, H2 : 11-17%, CH4 : 2-3% CO2 : 9 - 13 %, N2 : 48 - 54 % PCI : 4500 à 5500 kJ/m3 Température : 400°C à 600°C Teneur en goudrons : faible : 0.1 à 1 g/M3 En développement : Puissance thermique de 5 MW

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Gazéification Gaz épuré, refroidi et sec Comment valoriser le gaz? Moteur, Turbine à gaz, Turbine à vapeur ? Particules Gaz chaud Humidité

Production directe de chaleur: 

Production directe de chaleur Air de combustion Gaz 400°C Air de dilution Chaleur de process 80 … 800°C

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Cogénération Turbine à gaz Turbine à vapeur Moteur CI 2,5 MW … 3 MW … 50 MW 20 kW … 5 MW

Centrales de cogénération par gazéification de bois: 

Centrales de cogénération par gazéification de bois

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Moteur Stirling Le moteur Stirling est constitué: d'un cylindre renfermant du gaz et d'un piston récupérant l'énergie mécanique Principaux gaz utilisés: Hydrogène, Helium

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Avantages des Moteurs Stirling Silence de fonctionnement  : pas de détente à l'atmosphère la combustion est continue à l'extérieur du ou des cylindres. De plus, sa conception est telle que le moteur est facile à équilibrer et engendre peu de vibrations. Rendement élevé : fonction des températures des sources chaudes et froides. Comme en cogénération, le rendement global peut être très élevé. Flexibilité : combustion de gaz divers, de bois, sciure, déchets, énergie solaire ou géothermique... Aptitude écologique à répondre le mieux possible aux exigences environnementales en matière de pollution atmosphérique. Plus apte à une combustion complète des carburants. Fiabilité et maintenance aisée  car technologie relativement simple - Rusticité, donc longue durée de vie - Large étendue de la puissance (du mW au MW).

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Inconvénients des Moteurs Stirling le prix : encore très élevé la méconnaissance de ce type de moteur par le grand public. la variété des modèles empêche une standardisation et par conséquent une baisse des prix. Problèmes technologiques :     - les problèmes d'étanchéité sont difficiles à résoudre à des pressions élevées. Le gaz "idéal", est l'hydrogène pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, mais il a la faculté de diffuser au travers des matériaux.     - les échanges de chaleur avec un gaz sont délicats et nécessitent souvent des appareils volumineux

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La Combustion de la biomasse Production de la chaleur Chaudière Production d‘électricité Moteur à vapeur Turbine à vapeur Turbine ORC

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Chauffage collectif illustration AJENA

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Echangeur de chaleur Cogénération Biomasse Chaudière – Moteur à vapeur

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Moteur à vapeur

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~ 60 - 70 % Chaleur ~ 5 - 15% Electricité ~ 70-80 % Energie utile Rendement

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Exploitation suivant la demande de chaleur Maximiser les avantages

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Gammes usuelles

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Vue transversale d’une centrale Biomasse-Moteur à vapeur

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Turbines à vapeur et production d’énergie

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Installation de cogénération Biomasse -Turbine à vapeur

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Cogénération ORC

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Gammes ORC Turboden propose des unités de 2000 kWe

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ORC vs Vapeur

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Co-combustion biomasse/charbon Projet Bio-Cocomb

La production de froid à partir de la biomasse: 

La production de froid à partir de la biomasse TRIGENERATION VS COGENERATION

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Indirect coupling Evaporator Absorber Generator Condenser Absorption High/Low Temp. HX 102°C 110°C High Temp. Piping Gas Air Jacket Water HX CHP Unit To the chimney Generator Exhaust Gas HX Heating Load High Temp. Low Temp. Heating Load 35°C 41°C Low Temp. Piping 6°C 12°C Chilling Load Chilled Water Piping Combined Heat and Power with Absorption Cooling HX for cooling tower

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Cycle à Absorption  : technologies, applications 2 technologies : f(fluide binaire et temperature) URA LiBr-H2O Temperature refrigeration >5°C 0,65<COP<1,2 Climatisation URA H2O-NH3 -60°C< Temperature refrigeration <5°C 0,5<COP<0,7 Process & congélation Bureaux, résidentiels, réseaux de froid et process Abattoirs, industries agroalimentaires

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Etat de commercialisation Technologies  : maîtrisées et disponibles Gamme : 10 - 6000 kWf Constructeurs LiBr-H2O : Trane, LG Machinery, Entropie, Carrier, York BEKON, EAW, MAYA, H2O-NH3 : Colibri-Stork, ROBUR,

Cycle à Adsorption  : 

Cycle à Adsorption   MYCOM Technology  Input: chaleur basse température (60 - 85°C) Gamme : 50 - 353 kWf

Conclusions: 

Conclusions La biomasse énergie offre de belles possibilités de valoriser les résidus forestiers et de transformation du bois (biocombustibles) Conditions économiques et politiques locales Technologies adaptées à chaque type de besoins

Besoin de plus d’informations? www.bepinet.net : 

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