Discussion sur le PCI de différentes biomasses

UV Moyens Modernes de Production de l’Énergie

Sabine LEMONNIER-DAVID – Nicolas GIRARD

30 janvier 2006UV Moyens Modernes de Production de l'Energie

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Introduction

« Quel est le pouvoir calorifique

de la biomasse ? »

Pas « une » biomasse mais « des » biomasses : diversité des origines donc diversités des PCIParamètres influençant le PCI

PCI des biomasses utilisées en combustion

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Les types de biomasseBiomasse humide

• Boues de stations d’épuration

• Déchets- Ordures ménagères (OM)- Déchets industriels banals

(DIB)

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Les types de biomasseBiomasse humide

• Déchets verts

• Fumiers / lisiers

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Les types de biomasseBiomasse sèche

- Bûches

- Écorces

- Plaquettes de forêt

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- Plaquettes de menuiserie

- Copeaux

- Sciures sèches ou humides

Les types de biomasseBiomasse sèche

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Les types de biomasseBiomasse sèche

- Briquettes

- Granulés

- Broyat

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- Colza

- Paille

- Céréales

Les types de biomasseBiomasse sèche

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Influence de l’humiditéDéfinitions

• Siccité : représente le pourcentage de matière sèche.

• Le taux d’humidité influe sur la conservation du bois, sur la masse volumique et sur le contenu énergétique. Il peut s’exprimer sur

masse brute ou sur masse anhydre.

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Influence de l’humidité

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Influence de l’humiditéDifférentes catégories

• Arbres sur pieds : 40 à 50 % d’humidité sur masse brute.

Eau liée à la cellulose : participe au volume du bois; se libère lentement et difficilement

Eau libre: comble le vide entre les cellules du bois, n’augmente pas le volume ; s’enlève assez facilement.

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Les différents modes de séchage :- Séchage naturel :

* à l’air libre, avec ou sans bâche de protection.* sous abri (hangar bien aéré) : réduit le temps de séchage.

Risque de gèle et d’auto-inflammation.

- Séchage artificiel

Influence de l’humiditéLe séchage

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Influence de l’humiditéSéchage de branches de feuillus sur le lieu de

coupe (Source: Biomasse Normandie)

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Influence de l’humiditéL’auto-combustion

• On appelle auto-combustion le fait qu’un combustible libère suffisamment d’énergie pour entretenir la combustion sans apport d’énergie supplémentaire.

• Elle est fortement liée à l’humidité du combustible.

L’exemple des boues :- Entre 15 et 35% de matière sèche (MS), apport

d’énergie nécessaire pour initier la combustion en évaporant de l’eau.

- À partir de 35% de MS, l’auto-combustion peut être atteinte.

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(min) : teneur en matières minérales [kg/kg M.S.]Hu = humidité [kg H2O/kg M.S.]

Influence de la teneur en cendres

Hu

Hu

HuPCI

12500

1

(min)118400 [kJ/kg]

• La teneur en cendres influence directement sur le contenu énergétique disponible de la biomasse : plus il y a de matières minérales, moins le contenu énergétique est élevé.

• Exemple de formule pour un combustible bois :

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Influence de la teneur en cendres

Évolution du PCI des matières cellulosiques

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Étude des PCI

Pour mieux appréhender les valeurs des PCI qui vont être données, voici des éléments de comparaison avec les combustibles « classiques » :

Fossiles

Type de Combustible PCI (kJ/kg) Masse volumique (kg/m3) X Kg =1L Fuel

Charbon (10 % d’humidité) 25 160 700-800 1,36 kg

Fuel Domestique « gasoil » 42 640 840 0,84 kg

Fuel Lourd 40 330 980 0,98 kg

Gaz Naturel 38 930 0 0

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Étude des PCIBiomasse humide

• Les boues

- Leur capacité à être incinérées est fonction de leur taux d’humidité ainsi que de leur concentration en matières volatiles (MV).

- Elles sont en général séchées par les gaz de combustion avant introduction dans le four.

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Étude des PCIBiomasse humide

• Le fumier de volaille

- PCI de 8000 kJ/kg.

• Lisiers

- Taux de matière sèche trop faible pour une utilisation en combustion.

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Étude des PCIBiomasse humide

• Les déchets

- Large plage de PCI du fait de leur composition très variée.Il varie en moyenne entre 6 et 14 MJ/kg pour les OM et entre 10 et 17 pour les DIB.

- Augmentation du PCI grâce au tri sélectif.

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Étude des PCIBiomasse humide

• Augmentation du PCI avec le tri.

Matières Composition Hu Ecart-type de Hu PCI Ecart-type du PCI

[%] [%] [%] [kJ/kg] [kJ/kg]

Textiles 2 20 16 13 975 3 386

Métaux 3 3 4 1 527 251

Verre 3 2 0.4 44 410

Emballagescomposites

4 15 5 14 208 1 463

Matériaux composites

6 15 8 22 380 2 466

Produitsnaturels

8 20 14 21 124 4 222

Matièresminérales

8 5 4 42 410

Matièresplastiques

15 2 5 32 602 1 986

Déchetscompostables

22 74 10 1 012 2 027

Papier-carton 29 13 7 14 672 1 421

TOTAL 100 13 292 773

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Étude des PCIBiomasse sèche

Bois

Type de Combustible Humidité (%)

PCI (kJ/kg) Masse volumique (kg/m3) X Kg =1L Fuel

Plaquettes forestières 55 % 7 190 310 4,98 kg

Écorces Sapin 50 % 6 690 280 4,65 kg

Plaquettes Menuiserie 20 % 15 170 175 2,36 kg

Sciures bois 6 % 15 100 160-170 2,38 kg

Granulés / briquettes bois

20 % 17 610 660 2,03 kg

Bûches « hêtre » 20 % 14 670 400-450 2,44 kg

Bûches « hêtre » 45 % 9 380 650 3,81 kg

• Les combustibles dérivés du bois :

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Étude des PCIBiomasse sèche

Agriculture

Type de Combustible Humidité(%)

PCI(kJ/kg)

Masse volumique(kg/m3)

X Kg =1L Fuel

Paille « jaune » 15 % 14 380 80-125 2,49 kg

Paille « grise » - tiges colza

15 % 14 990 100-135 2,43 kg

Blé - céréales 15 % 14 990 670-750 2,40 kg

Colza 9 % 24 553 700 1,46 kg

Tournesol 9 % 19 985 600 1,79 kg

Granulés de paille 8 % 15 960 600 2,24 kg

• Les combustibles dérivés de l’agriculture :

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Les mélanges

• En théorie, le PCI des mélanges est fonction du PCI et de la proportion des combustibles mis en jeu.

• En pratique, mélange de combustibles de composition et de teneur en eau distinctes pas toujours bien homogénéisé :

combustion non optimisée = moins d’énergie récupérée.

• Problème des différences de densité, de granulométrie, de comportement en combustion.

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Les mélangesà partir du bois

• Mélanges les plus utilisés en cocombustion (ou co-incinération) avec le bois :

- Boues- Déchets- Charbon

• Le bois peut piéger certains liquides tels que des boues et servir de vecteur et de support pour la destruction thermique de ces produits.

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Les mélangesBoues + Ordures ménagères

• Injection de boues pâteuses (contenant 15% de matière sèche) pouvant représenter jusqu’à 20% du mélange.

• Problèmes engendrés :- Obtention d’un mélange homogène difficile.- Étude spécifique nécessaire au cas par cas pour

déterminer le bon ratio.- Gestion des pics de température et du traitement

des fumées.

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Le cas de l’éthanol et des huiles végétales

Caractéristiques Supercarburant Gazole Éthanol Huile végétale

Masse volumique kg/m3 748 à 752 835 à 845 794 916

PCI kJ/kg 42 836 42 335 26 807 37 445

Source : Techniques de l’ingénieur, BE 8 550

• Meilleur PCI que la biomasse primaire mais surcoût lié à la transformation.

• Graines oléagineuses (en France principalement colza et tournesol) => Huiles végétales

• Plantes sucrières (betterave, canne à sucre)=> Éthanol

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Conclusion

• Humidité => PCI• Taux de cendres => PCI= paramètres importants fixés dans les

contrats d’approvisionnement des chaufferies

• PCI de la biomasse < PCI combustibles classiques

Le colza est le meilleur des combustibles biomasse,mais d’autres paramètres à prendre en compte à côté du PCI (coûts, stockage, opinion publique, disponibilité…)

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