PRODUIRE DES CARBURANTS RENOUVELABLES …ensieg.dox.free.fr/2A_SEM/SEM_IM/Energies...

1INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – [email protected]

Commissariat à L’Énergie Atomique

PRODUIRE DES CARBURANTS RENOUVELABLES DE SYNTHÈSE

PAR THERMOCONVERSIONDE LA BIOMASSE

Guillaume Boissonnet - CEA Grenoble


Le Constat

SommaireLe Constat

– Contexte économique et environnemental– H2 à partir d’hydrocarbures

Les potentialités de la Biomasse

Comparaison des filières– Coût énergétique– Prix– Émissions de CO2

Filière de Gazéification et Principales techniques

Les activités de Recherche du CEA

Conclusion

La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEA


La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat

LE CONSTATContexte économique et environnemental

Si vous ne savez pas où vous allez,souvenez-vous au moins d’où vous venez.

Proverbe Africain



Énergie et contexte mondialExplosion de la demande énergétique : multiplication par 2 en 2030 !

– Pays industrialisés : demande constante– Pays en voie de développement : forte augmentation

Consommation mondiale d'énergie (GTep)

Pays en dev. : de 0,6 Tep/haben 1995, à 1, 2 ou 3 Tep/haben 2050

Pays ind. : 4,7 Tep/hab en 1995 et 6 Tep/hab en 2050

30

25

20

15

10

5

01950 1995 2050

Chine : 0,2 (1,5 Milliard d’habitants) ; France : 4,5 ; États-Unis : 8,5

TEP/TOE (Tonne Équivalent Pétrole) : 42 109 J

Une tranche de centrale de 900MW produit 29 1015 J/an soit 0,7 MTEP



Consommation mondiale d’énergie (2001)

Hydraulique7%

Charbon24%

Gaz naturel24%

Pétrole37%

Nucléaire7%

85% de la production est issu des énergies

fossiles



Où sont situées les ressources fossiles ?

Les ressources sont INÉQUITABLEMENTréparties dans le monde!!



Quand les aurons-nous épuisées ?

Réserves Prouvées(Gtep)

Consommation en 2000(Gtep/an)

Durée(an)

Pétrole 140 3,6 40Gaz Naturel 160 2,2 60Charbon 500 2,2 200

Source :Site Internet Afh2.org



Selon quel scénario ?Commissariat au Plan "Énergie 2010-2020"

– Ressources pétrolières : 2000 à 3000 Gbldont 800 ont déjà été produits

– Si croissance des consommations de 2%/an, production cumulée en 2020 = 1600 Gbl

80% de l'hypothèse basse53% de l'hypothèse haute

0

20

40

60

80

100

mill

ion

b/an

Existingfield 1000

Cumutativeproduction

7001700 Gbl 3000 Gbl

undiscoverd

19501900 2000 2050 2100Source of historical data : Oil Economist Handbook : De Golyer and McNaughton. Twentieth Century PetroleumStatistics : Petroleum Economist. Various Editions



Émissions de CO2 et transports

Transport12904128

Oil 40%326210438

Natural Gas 23%19175290

Coal 27%21828001

Nuclear 7%593 Hydro 3%

215

World 8169 Mtep23729 MtCO2

Only 10%Carbon free !

Flotte de véhicules dans le monde

Production mondiale d’énergie et de CO2 en 1995

1990 2000 2010 2020 2030

Rest of World

Truck

Motorcycle

Light TruckCar

1990 2000 2010 2020 2030

100

200

300

400

500

600

700

800

900 OECD

Vehicle, million

Source OECD Environment Directorate

André Douaud, Director Engines & Energy, IFP, France 17th World Petroeum Congress (RIO september 2002)



Situation de la FranceLa consommation a triplé entre 1960 et 2000 (40 ans !) Le secteur des transports connaît l’augmentation la plus importante entre 1995 et 2020 (jusqu'à + 57 % dans S1), alors que la croissance des consommations du secteur industriel reste modérée.

Consommation d'énergie finale en France (MTep)

Source : Commissariat du Plan "Énergie 2010-2020"

1960 1966 1972 1978 1984 1990 19962002 2008 2014 2020

S1S2

S3

0

50

100

150

200

250

300

MTe

p

1997 2020

MTep S1 S2 S3

Indus.+Agr. 61,1 76,2 73,4 65,1

Résid.+Tert. 93,2 124,6 112,7 97,8

Transports 50,2 78,6 71,6 59,3

TOTAL 204,5 279,4 257,7 222,2

+43%

+20%



Alternatives

AccroissementEffet de serre

(CO2)

Baisseressources

fossiles

Accroissementde la demandeen carburants



Quelles sont les alternatives ?• Limiter la consommation• Trouver de nouvelles sources ou vecteurs d’énergie

HYDROGENE ?

Est-ce la seule alternative ?• Quelle quantité ?• Quelle source primaire (énergie ou matière)• Quels moyens de production ?• Quel coût ? (énergétique et financier)• Quel horizon ?• Quelles conséquences sur l’environnement ?



Hydrogène à partir d’hydrocarbures, situation actuelleA partir des hydrocarbures, 3 sources principales :

– Sous produitOpérations de raffinage (reformage catalytique, purge d'unités d'hydrotraitement)Provenance externe à une raffinerie (purges de pétrochimie ou unités d'engrais)

– Unités de production spécifiques Vapo-réformage, oxydation partielle

A ce jour, la totalité de cet hydrogène est captif– Raffinage (hydrocraquage)– Chimie (synthèse de l'ammoniac).

DONC– Aujourd’hui, pas d'hydrogène potentiellement disponible provenant des

hydrocarbures

– Tendance à un accroissement de la demande pour le raffinage– Pour l’économie de l’hydrogène, nécessité de réorienter les productions

Secteur industriel de consommation d'H2 Milliards de Nm3/an %Production d’ammoniac 250 50

Autres produits chimiques 65 13

Pétrochimie 185 37

Total 500 100Source : SiteInternet Afh2.org



Favoriser les énergies renouvelables ?SolaireRessource illimitéeNon polluantePhotoVoltaique : coûte cherThermique : en base

ÉolienneRessource illimitéeBruyantePeu de lieux adaptés

BiomasseNon polluanteRessources limitées

HydrauliqueNon polluanteDéjà entièrement exploitée

Géothermie : Pas généralisablePompe à chaleurNécessité d'un facteur 3 enrécupération par rapport àl'électricité utilisée



Répartition des énergies renouvelablesLa somme des énergies renouvelables pourrait couvrir plus de 40 % des besoins énergétiques mondiaux.La biomasse est la source d’énergie ayant le potentiel le plus grand

– 172 milliards de tonnes de matière sèche : 15 fois l'énergie fossile consommée (raisonnablement mobilisable 40 fois moindre)

Potentiel annuel HYDRO SOLAIRE EOLIEN BIOMASSE TOTALPAYS DU NORD 555 38 42 740 1375PAYS DU SUD 320 162 18 1490 1990TOTAL 875 200 60 2230 3365

Énergies renouvelables : potentiel annuel mondialraisonnablement mobilisable actuellement (MTep)

Source : B. Dessus, B. Devin, F. Pharabod," Le Potentiel mondial des énergies renouvelables"La Houille Blanche 1992


Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA

POTENTIALITÉS DE LABIOMASSE



La BIOMASSEEnsemble des végétaux qui se développent à la surface de la terre

– Réalise le captage et le stockage de l'énergie solaire

– Transforme cette énergie en matière

– Production saisonnière et dispersée

– Large éventail de caractéristiques (granulométrie, densité, degré hygrométrique)

– Densité énergétique modérée: 18 à 20 MJ/kg de matière sèche contre 40 à 45 pour le pétrole

– Humidité variant de 20 à 95% sur masse totale

– Coûts de collectage, stockage, transport élevés

Bois

Paille

Céréales

Culturesénergétiques



Cycle du carbone du pétroleTemps de formation du pétrole (stockage du CO2) : Accumulation dans les nappes pétrolifères : Plusieurs millions d’annéesTemps de consommation du pétrole. Fabrication du CO2 et largage dans l’atmosphère : Quelques années

Accumulation du CO2 dans l’atmosphère80 millions T/jour

Soit 5 T/hab./an dans le mondeAugmentation de l’effet de serre !!!



Cycle du carbone de la biomasseTemps de formation du CO2 rejeté = Temps de captage du CO2 par la planteLa production d’énergie à partir de la biomasse est NEUTREvis-à-vis de l’effet de serre.

Photosynthèse

H2O

CO2

C6H9O4 + O2

PourrissementCombustion lente

Nutriments

Combustionrapide

Récupérationd’énergie

O2CO2 + H2O

ÉNERGIE

MA

TIER

E



Gestion de la foret

MODE DE GESTION RAISONNEE MODE DE GESTION RAISONNEE FORESTIERE OU AGRICOLEFORESTIERE OU AGRICOLE

Temps de formation des plantesTemps de formation des plantes(stockage du CO(stockage du CO22))

=Temps de consommationTemps de consommation

(fabrication du CO(fabrication du CO22))

100 ans

m3/ha200 à 400

m3/ha/an

5 à 10

temps

Volume sur pied

Accroissement annuel

temps

Jeune forêt encours de croissance

Forêt viergeinexploitée

Déforestationpartielle ou totale

Production optimale



La biomasse : inventaire du potentiel français

Équivalent à 25 MTep soit :– 15% de la consommation française d’énergie primaire– 50% de la consommation française de carburant

Mm3 Mt

RESIDUS AGRICOLES (2),(4)Paille et tiges de céréales, mais et oléagineux, taille, noyaux, coquilles,… 43 Mt dont utilisables

19

CULTURES ENERGETIQUES (2),(4),(5)Taillis à courte révolution (peupliers,eucalyptus, saules) ; Plantes herbacées (canne de Provence, céréales)

20

PLAQUETTES FORESTIERESRémanents (2) ; Eclaircies de plantation (2) ; Taillis (potentiel 50 Mm3) (1)

16 8

DECHETS DE 1ère et 2ème TRANSFORMATION (1)Écorces, délignures, sciures (Non utilisés) ; Copeaux, chutes, rebus (Mal utilisés)

12 6

DECHETS INDUSTRIELS BANALS (3)40 Mt dont 25% disponibles (bois en fin de cycle)

10

DECHETS MENAGERS (3)20 Mt dont 60% disponibles

12

(1) X. DEGLISE, J. LEDE, Entropie n° 94 (1980)(2) R. DUMON(3) Débat énergie et environnement SOUVIRON (1994)(4) Rapport CEE (octobre 1998)(5) Rapport Biomasse et Énergie (Haut Commissaire 2001)

Seules les ressources non valorisées à ce jour sont comptées ici !



Valorisation énergétique de la biomasse

petites unités(ligno-celluloses)

grosses unités(ligno-celluloses)

Investissement élevérejets mal contrôlésPrésence d'azote + acides et goudrons température ≤ 650°C d'où cogénération limitée à 30% élec/70% chaleur

Méthanisation(algues,déjections animales,ordures ménagères)

Alcoolique(saccharifères, amylacés)

50 à 60% CH430 à 40% CO2

Distillation Consomme énergieIndice 1,2 à 1,4

Gazéification (ligno-celluloses) Indices 2,8 à 3 Compétences CEA applicables

FERMENTATIONS

COMBUSTION

THERMOCONVERSION

CogénérationÉlectricité/Chaleur

CH4, Éthanol

Gaz de synthèse (CO, H2)


Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA

COMPARAISON DES FILIÈRES

COÛT ÉNERGÉTIQUE, PRIX, ÉMISSIONS DE CO2

Si votre seul outil est un marteau, tous les problèmes pour vous ressembleront à des clous.

Mark Twain



Coût Énergétique : cas de l’HydrogèneOrigine gaz naturel : Vaporéformage CH4

- Énergie nécessaire (à l’équilibre) : ~40 kJ/mol H2– Réformage à la vapeur et Oxydation partielle.

Rendement énergétique vers 60%Gazéification à la vapeur biomasse : C6H9O4 (Prélèvement limité à la production annuelle)

– Énergie nécessaire (à l’équilibre) : ~60 kJ/mol H2– Gazéification

C6H9O4 + 2H2O 6CO + 6.5H26CO + 6H2O 6CO2 + 6H2Mobilisation de la ressource ; Amélioration des technologies ; Gains en efficacité et abaissement des coûts

Origine eau : H2O- Énergie nécessaire (à l’équilibre) : ~280 kJ/mol H2– Électrolyse (30bar, h ~60%)

Pour 1kWh H2 3 à 4 kWh électrique (1,5 (exploit.)+0,2 (constr.)+MO +Amort)– Dissociation thermique de l'eau vers 900°C. Cycle IS

Rendements et coûts équivalents à électricité + électrolyse ; Risques chimique et nucléaire cumulés

Rappel : PCI H2 = 240kJ/mole



Coût de l’hydrogène selon l’origine

H2 à partir d’énergie renouvelable– Consommation d’énergie primaire (hors renouvelable) faible mais coût fort

H2 à partir d’énergie non-renouvelable– Consommation d’énergie primaire forte mais coût faible

Biomasse : compromis– consommation d’énergie primaire faible et coût faible



Rendement énergétique - Indice énergétiqueRendement d’un procédé de conversion

– Rapport des E produites valorisables (vendables) aux E consommées quel que soit leur TYPE

Indice énergétique– Rapport des E produites valorisables (vendables) aux E

consommées d’origine FOSSILE– Seule l’énergie NON RENOUVELABLE est prise en compte– Il est supérieur à 1 si on récupère plus d’énergie qu’on injecte

d’énergie non renouvelable (cas de la biomasse)

Cas de la production de diesel FT– Rendement : 30 à 40 %– Indice Énergétique : 2,8 à 1,3

consommée fossile totale primaire énergiecarburant de forme sous restitutée énergieIe =

( )éelectricit chaleur, plante, PCIconsommée totaleénergieéélectricitd'ou carburant de forme sous restitutée énergie

=η



Bilan énergétique comparé des filièresETBE (éthyl-tertiobutyl-ether)

– Produit à partir d’éthanol (renouvelable) et d’un part de fossile (iso butylène)MTBE (méthyl-tertiobutyl-ether)

– Produit à partir de méthanol (non renouvelable)

I. E. de production EtOH toujours supérieur à 1.– Bilan énergétique net positif : culture, transport, 1ère transformation, fermentation

et distillation – Consommations d'énergies fossiles inférieures à l'énergie contenue dans le produit

obtenu.I. E. de production ETBE

– inférieur à 1, à cause de la part de fluides fossiles consommés.plus favorable de 27 % que celui du MTBE (ex fossile) et que celui de l'essence.

– ExplicationContenu énergétique de l'éthanol essentiellement issu de la biomasseContenu énergétique du méthanol ex fossile)MTBE nécessite plus d'iso butylène d'origine pétrolière donc plus d'énergie fossile.

ECOBILAN pour SNPAA et ADEME – AGRICE -1996

0.60.70.80.91.01.11.21.31.5 1.43.0

Ethanoljus vert

Ethanol50 % jus vert50 % EP2

EthanolEP2

ETBE MTBE(ex. fossile)

Essence

MéthanolEx Biomasse



Comparaison des diesels (ressources et CO2)

Diesel conventionnel BioDiesel (filière éthanol) Diesel FT (Biomass to Liquid)150 g CO2/km 68 g CO2/km 22 g CO2/km

La Filière Biodiesel utilise environ 2 fois plus de biomasse que la filière Diesel FT



Émissions CO2 en fonction du carburantTotal des émissions de CO2 : production et combustion des carburants (construction voiture et moteurs non compris)Les émissions de CO2 sont calculées en tenant compte des énergies primaires et sur la base d’un cycle intégrant toutes les étapes de production des carburants

– La part la plus importante des émissions de CO2 provient :

Du besoin en énergie primaire non renouvelableDe l’utilisation de carburants pour les cultures

– Une réduction des émissions est encore possible en optimisant les procédés et en utilisant d’autres sources d’énergie

– L’utilisation du gaz naturel comme carburant produit la même quantité de CO2 au km que le diesel ! ! 10th European conference : "Biomass for Energy and

Industry", Würzburg 1997

Voiehumide

H2Voie sèche

MéthanolVoie sèche

BioGaz



Combustibles conventionnels et alternatifs Approche économique et CO2

H2 Elec.France

EtOH France

H2 ex GN

DME Diesel FT

FAME France EtOH Brazil

LPGCNG Europe

Gasoline EuropeDiesel Europe0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

50 100 150 200 250

Tax in Europe

CO2 (g/km)

Euro

/litr

e éq

uiva

lent

die

sel

022g/km

BtL

André Douaud, Director Engines & Energy, IFP, France 17th World Petroleum Congress (RIO september 2002)



Proposition européenne sur le développement et l’utilisation des combustibles alternatifs

Cleanconventional

FuelsSulphur-freeno aromaticsConventional

FuelsContainingsulphur and

aromatics based on crude oil

based onrenew energybased on

natural gasbased onbiomass

Hydrogenemission-and CO2-free

Synthetic fuels(GTL) l

low emissions

Synthetic fuels(BTL) l

low emissionslow CO2 emissions

Alternative Fuels Contact Group of the European CommissionEtude EUCAR, Volkswagen, DC



En résumé…



Pourquoi une filière Biomass to Liquid ?Gazéification ? Le meilleur rendement à l’hectare

– Gazéification : 1,5 à 3,5 tep/ha5 à 12 Mtep pour 50 Mt

– Ethanol: 0,65 à 0,85 tep/ha => 1,5 Mtep pour 2 Mha– EMHV : 0,7 à 0,95 tep/ha => 1,8 Mtep pour 2 Mha

Gazéification : valorise toute la plante (lignocellulose)– Grosses ressources lignocellulosiques en France (forêts)

Diesel Fischer-Tropsch ? le biocarburant optimal– Carburant diesel haute qualité : indice de cétane élevé– Directement utilisable dans les :moteurs actuels– Moins polluant que le diesel ex-pétrole

Pas de soufre ; pas d’aromatiques (moins de suies, moins de CO)– Utilisation des infrastructures actuelles de distribution– Répond aux besoins du parc automobile européen



La filière BtLUne solution industrielleUn fort potentiel pour la France

– ~ 5 à 15 Mtoe/year in France

Le procédé de gazéification de la biomasse est le nœud du problème

– N'existe pas au niveau industriel pour produire du gaz de synthèse

Synthèse Fischer-Tropsch– Existe déjà industriellement à partir de gaz de synthèse ex-CH4

~10 à 30 % de la consommation française

GazéificationSynGas

Mise aux specs SynthèseCarburant

Energie

Biomasse

H2O, O2



Carburants liquides de synthèseA partir d’un gaz CO + H2 on peut synthétiser :

– Méthanol (0,79 ton/m3 ; PCI = 19,8 MJ/kg)– DiMéthylEther (0,67 ton/m3 ; PCI = 28.4 MJ/kg)– Diesel Fischer-Tropsch (0,78 ton/m3 ; PCI = 44 MJ/kg)

Le diesel Fischer-Tropsch est intéressant car directement utilisable dans les moteurs actuels

Synthèse Fischer-Tropsch– Procédé ancien (années 30)– Chaînes CnH2n à partir de CO et H2

– H2/CO=2 ; T = 250 °C ; P = 25 bars– Sous-produits : eau et chaleur basse T– 3 usines dans le monde

pertes NaphtaC5-C9

Diesel – kérosèneC10 – C20

off gasC1-C4


Le ConstatLa BiomasseLes Filières Les Recherches CEALa Gazéification

FILIÈRE DE GAZÉIFICATIONET

PRINCIPALES TECHNIQUESPour commander à la nature, il faut commencer par obéir à ses lois

Francis Bacon, physicien naturaliste, 1561-1626


Flux de Solide

Flux de Gaz

Légende

SECHAGE

120 à 150°C

~ 1000°C

GAZ DE SYNTHÈSE CO, H2

Chaleur

Air, Oxygène

Vapeur d'eau

900°C : Début de la fusiondes cendres

1100°C : Fin de la dégradationdes acides et goudrons

Chaleur

Cellulose, Hémicellulose, LignineHumidité 20 à 30%Matière sèche : C6 H9 O4

BIOMASSE

PURIFICATION

Gaz sec : H2, CO, CO2, CH4Condensables• H2O• goudrons acides organiques, alcènes• alcools, composés cycliques, • composés aromatiques,• HAPRésidu solide• Charbon de bois• Cendres (sel minéraux : Na, K, S, Cl…)

Gaz sec : H2, CO, CO2Condensables• H2OMatières minérales volatiles~ 1300°C

THERMOCONVERSIONUne ou plusieurs étapes

Biomasse – Carburants : Thermoconversion

VALORISATION



Biomasse – Carburants : valorisation du gaz

Chaleur Chaleur

GAZ DE SYNTHÈSE CO, H2

Combustion

ÉlectricitéMécanique

CARBURANT LIQUIDECARBURANT LIQUIDE

SEPARATION

HYDROGÈNEHYDROGÈNE

ChaleurSHIFT SYNTHESE

SEPARATIONHYDROCRAQUAGE

Diesel FTPCI MJ/kgPCI Tep/t

421

densité 0,8Rdt Matière 10 à 20%Rdt Énergie 30 à 40 %IndiceÉnergétique 1,3 à 2,8

moteur conventionnelMeilleure combustionPas de soufreRéduction particules 80%Réduction CO 95%

Pile à combustibleRejet H2O

~ 400°C22 bar

~ 400°C50 bar

~ 250°C22 bar

~ 1000°C

Flux de SolideFlux de Gaz

Légende




Physico-chimie de la gazéification

Théorie



Une réaction hétérogène gaz - solide

diffusion

convectionconduction

rayonnement

convection

adsorption

désorption

réactions chimiques

HETEROGENES gaz-solide

rétrécissement

convection

rayonnement

convection

rayonnement

convection

Particule

Particule

conduction

réactions chimiques HOMOGENES

entre gaz

Paro

iconvection

rayonnementconvectionPhénomène physique matière

Phénomène physique énergiePhénomène physico-chimique

Différentes échelles spatialesDistinction phénomènes physiques / chimiques :

– Phénomènes physiques : complexes mais modélisables– Phénomènes chimiques : mal connus, donc difficiles à modéliser

Différentes échelles temporelles : cinétique, temps caractéristiques



Thermodynamique – principales réactionsGaz permanents

– H2O– CO– CO2– CH4– C2H2– C2H4– autres HC (quantités mineures)– composés soufrés (H2S, COS), chlorés, nitrés

Goudrons– Mélange complexe d’hydrocarbures – caractérisation délicate contenant plus

de 5 C, jusqu’à … des M très élevées (250 g/mol)

Métaux alcalinsAérosolsSuies

Résidu carboné

Gaz

Liquidesà Tamb

Solide

Oxydation du carboneC + 0,5 O2 ↔ CO -110.5 kJ/mol (1) Très rapideC + O2 ↔ CO2 -393.5 kJ/mol (2) Favorisée à faible TGazéification à la vapeurC + H2O ↔ CO + H2 + 131 kJ/mol RapideRéaction de BoudouardC + CO2 ↔ 2 CO + 172 kJ/mol LenteRéaction d’hydrogénation (méthanisation)C + H2 ↔ CH4 - 75 kJ/mol

Oxydation de l’hydrogèneH2 + 0,5 O2 ↔ H2O -241.5 kJ/mol (1) Très rapideOxydation du monoxyde de carboneCO + 0,5 O2 ↔ CO2 -283.5 kJ/mol (2) RapideRéaction de gaz à l’eauCO + H2O ↔ CO2 + H2 -41 kJ/mol Modérément RapideVaporéformage du méthaneCH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 +206 kJ/mol Bloquée cinétiquementVaporéformage des hydrocarburesCnHm + n H2O ↔ n CO + m/2+1 H2 endothermique


Principe des calculs thermodynamiques :

Comparaison modèle thermodynamique / expérience :

Thermodynamique – bilans matière

CALCULS (solveur Gemini)

Minimisation Enthalpie libre système fermé

Données de calcul :C,H,O système ; (T, P)∆Hf

0 biomasseBILAN MATIÈRE :

Composition du mélange :-Gaz-Solide (=Carbone pur)Base de données :

• Thermodynamique (∆Gf0

et ∆Hf0 des corps purs)

Raffinement du modèle.

Modèle thermodynamique :– Obtention d’ordres de grandeur– Mais existence d’ écarts à

l’équilibre

T=800°C; P= 1 bar ; Steam/Biomasse sèche=0,5 kg/kg; bois C6H8,8O3,6

rapporté à 1 mol de biomasse sèche

Expérience (FICFB - TUVienne)

Equilibre thermo

H2 2 mol 7,2 molCO 1,4 mol 5,2 mol

Résidu (=Carbone pur) 2,2 mol 0

CO2 1,7 mol 0,7 mol

CH4 0,69 mol 0,07 molGoudrons 1 g/Nm3 gaz sec 0




Cinétique – temps caractéristiques

Phénomènes Définition des temps caractéristiques

Transfert de chaleur externe par convection

Transfert de chaleur externe par rayonnement

Conduction interne de la chaleur

Transfert de masse externe

Phénomènes physiques

Diffusion interne de la masse 0,0003 s

Réaction chimique de pyrolyse de la biomasse 0,01-0,1 s

Phénomènes

chimiques Réaction chimique de

vapogazéification du résidu 50 s

T=1000°CØ = 0,5 mm

0,09 s

0,3 s

0,03 s

0,04 s

=pyropyro

1tk

=gazéifgazéif

1tk

= p p p pconv ext

t

ρ c dt

6h

p p p prayon ext 2 2

g p g p

ρ c dt =

6ωσ×(T +T )×(T +T )

2p p p p

cond intp

ρ c dt =

36λ

p g pmass ext

m H O H O2 2

ρ RT dt =

6h P M

2p

mass intm

dt =

36D

Phénomènes chimiques– Représentation

Lois cinétiques apparentes du premier ordre

– Constantes cinétiques

Phénomènes physiques– Propriétés des gaz– Coefficients de transfert– Propriétés physiques de la

biomasse et du résidu

Fiabilité de l’analyse Fiabilité des données



Bilans énergétiquesLes enthalpies de réaction fixent les besoins énergétiques du procédéElles sont fondées sur les enthalpies standard de formation des composés

Réaction de gaz à l’eauCO + H2O ↔ CO2 + H2 -41 kJ/molVaporéformage du méthaneCH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 +206 kJ/molVaporéformage des hydrocarburesCnHm + n H2O ↔ n CO + m/2+1 H2 endothermique

Oxydation du carboneC + O2 ↔ CO2 -393.5 kJ/molGazéification à la vapeurC + H2O ↔ CO + H2 + 131 kJ/molRéaction de BoudouardC + CO2 ↔ 2 CO + 172 kJ/molRéaction d’hydrogénation (méthanisation)C + H2 ↔ CH4 - 75 kJ/mol



Procédés


Procédés de référence

BIOMASS

Préparation

GAZ

DE

SYNTHESE

Pyrolyselente

ou rapide

torréfaction

InnovationPlasma

allothermiqueRéférence

autothermiqueréacteur à

flux entraîné

20 500 1000 1300°C

rendement carbone m

aximal

25%

50%

H2 : Apportexterne

100%

autothermiqueréacteur àlit fluidisé

15%

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2 Grandes familles de procédésRéacteur à lit fluidisé(Circulating Fluidized Bed)

Réacteur à flux entraîné(Entrained Flow Reactor)

Pression 1-4 bars 30-80 barsGamme de température 800-1000°C 1200-1500°C

Vitesse de chauffage >500 °C.s-1 >1000 °C.s-1

Type de technologieAutothermique / Energie Externe : Énergie du procédé prise sur la biomasse ou externe (charbon, pétrole, électricité)Type de réactif : H2O ; O2 ; AirÉtagement : Pyrolyse-gazéification du solide en une seule ou plusieurs étapes ?Maturité industrielle : Existant, en cours de développement, prospectif

Temps de séjour gaz Quelques 10 s Quelques secondes

Gaz réactif H2O H2O+O2

Taille des particules 1-2 mm <0,1 mm

Temps de séjour solide Plusieurs minutes Quelques secondes

Exemples FICFB (H2O); ECN (O2) Texaco, Prenflow, Future Energy, Choren (H2O, O2)



Les Lits Fluidisés (FICFB, Battelle, ECN)Autothermique / Apport externe si étage Haute températureNon étagé / Étagé si préparation de la biomasseH2O (possibilité O2 – ECN)Mature, limité en débit (10 t/h)


Les Réacteurs à Flux Entraînés (Texaco, Prenflow, Future Energy, Choren)

Autothermique / Allothermique (Plasma)Non Étagé (Future Energy) / Étagé (Choren – pyrolyse lente)

Mélange H2O / O2

Mature (Plasma très prospectif)

Gazéification directe Plasma– Énergie externe (Électrique)– Non étagé– H2O (possibilité O2)– Limité en pression– Très prospectif

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C6H9O4 O2

H2O

1300°C

Trempe800°C

H2 + CO



Le ConstatLa BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEA

LES ACTIVITÉS DERECHERCHE DU CEA

Le programme BIOCARB : Produire du CARBURANT type diesel grâce à la gazéification de la biomasse.

Comprendre pour prévoir et optimiser



Contraintes techniques sur les procédésHaute température : réduit les écarts à l’équilibre

Pression– Inconvénient pour la thermodynamique

– Avantage pour le procédé :effet de taille (investissements)

éviter la compression pour la Synthèse FT

Gaz inertes (N2) : cher en énergie (thermique, compression)

Polluants : à ce jour Gaz Propre = basse température

Recyclage des sous-produits de synthèse : meilleurs Rdts

Énergie Primaire pour le procédé– Biomasse : combustion partielle par O2 réduit le rendement masse

– Autres énergies primaires doivent être neutres en CO2 (nucléaire)



CEABIOCARB

Démarche CEA

combusteur gazéifieur

étage HT shift

Fischer-Tropsch

Turbine è gaz

hydrocraqueur

eau_shift

biomasse

eau_gazéif

gaz

air_combfumées_comb

air_TAG

condensables

H2O, CO2CH4_TAG

fumées_TAGgazolelourds

légers

H2eau_FTcombusteur gazéifieur

étage HT shift

Fischer-Tropsch

Turbine è gaz

hydrocraqueur

eau_shift

biomasse

eau_gazéif

gaz


air_TAG

condensables

H2O, CO2CH4_TAG


légers

H2


étage HT shift

Fischer-Tropsch

Turbine è gaz

hydrocraqueur

eau_shift

biomasse

eau_gazéif

gaz


air_TAG

condensables

H2O, CO2CH4_TAG


légers


étage HT shift

Fischer-Tropsch

Turbine è gaz

hydrocraqueur

eau_shift

biomasse

eau_gazéif

gaz


air_TAG

condensables

H2O, CO2CH4_TAG


légers

H2eau_FT

Expériencesanalytiques

DéveloppementTechnologique

(labo et plate-forme)

Modélisation

Simulation - Analyse de procédés



Les moyens expérimentaux


ProcessesPyrolyse

Four Tournant

500°C 1000°C 1500°C

RTGP

Traitement des goudrons

Tube HT

HT Lit Fluidisé bed

HP (40 bars)

PEGASE

conversion CH4goudronsinorganiques

COLINE

tube à gradient(inorganiques)

MATISSE

InteractionGaz/SOFC

SOFCtest SOFC, 800°C

Existant En cours de montage projet EU GreenFuelCellprojet GASPAR

2001-2005 2005

2005-20082003-2007 2005-2007




Lit FluidiséP : entre 1 et 40 barTmax : 1000° CDébit d’injection de vapeur

– jusqu’à 1g/sBiomasse 1 kg/h

– Charbon de bois, bois– Alimentation en continu

Analyse du gaz sec par chromatographieCondensation de l’eau et des goudrons à froid


Étage Haute température - PEGASE

Zones de maintienen températureVariable de 0 à 2 s

Entrée gaz de synthèsedu Lit Fluidisé

Refroidissement à 900°C

Zone de chauffeRapide t<0,2 s – Température de traitement des

gaz de 900 à 1600°C– Temps de séjour du gaz dans la

zone adiabatique : 2 secondes– Pression du gaz : 0,1 à 0,4 Mpa

Sortie gaz de synthèse

Couplage COLINE , MATISSE ou SOFC– relocaliser inorganiques : condensation

des espèces entre 900 et 200°C– Études des matériaux SOFC

600 – 900°C

1600°C

1600°C900°C




Modélisation & ExpérimentationModélisation Physicochimique

– Échelle micromètre – millimètre– Réaction solide gaz (hétérogène)– Phénomènes physiques et chimiques

ThermodynamiqueTransports et Transferts (masse et énergie)Cinétique chimique

Modélisation d’Opérations Unitaires– Échelle : mètre – opération unitaire– Modélisation des réacteurs

GRC, Échanges de chaleur, mécanique des fluidesSimulation de Procédés

– Échelle : opération unitaire - procédés – Code de simulation de procédés

Structures de rendement des opérations unitairesNiveaux de Température et Pression

– Calcul des bilans de matière et d’énergie– Calculs économiques

Expériences analytiques (g/h)Thèse : compréhension desPhénomènes de la gazéification

Expériencesanalytiques (kg/h)Expériences« système » ( 100kg/h)

BibliographieCode : PROSIM PlusExpériences« système » ( 100kg/h)



Modélisation PhysicochimiqueObjectifs :

– Comprendre les phénomènes physiques et chimiques intervenant lors de la thermoconversion de la biomasse

– Modéliser et savoir prévoir les quantités de produits (H2, CO) et optimiser les conditions de fonctionnement d’un réacteur

– A terme appliquer le modèle sur le réacteur.

Application– Chimie de la gazéification– Inorganiques (cendres)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

500 600 700 800 900 1000 1200 1300 1400T( °C)

Mol

e nu

mbe

r

C solide

H2

CO

CO2

CH4

H2O

H2/CO

Zone de rendement optimale


Simulation de procédés

GasificationHigh

TemperatureStage

Water GasShift

FTReaction

Gas Turbine

RecoveryAnd

UpgradingBiomass

Steam

Steam

H2O H2

Air

CO2

CrudeC10+

GasC

1 -C4

GasoilKeroseneC10-C20

NaphtaC5-C9

El.

Heat

Naphta

800-1000°C1-4 bars

1300-1500°C1-4 bars

300-500°C20-25 bars

250°C25 bars

400°C50 bars

1000°C1 bar


Objectifs– Vision d’ensemble d’un procédé– Test de plusieurs schémas différents– Calcul de bilans et optimisation– Choix d’un procédé de référence



Résultats - 250 MWth (50 t/h BioSec)

Rappels– Conso. annuelle française - transports: ~ 55 MTep– Potentiel biomasse: ~50 à 75 Mtonnes/an

Coût de production estimé : – entre 0,5 et 0,9 €/litre diesel

Investissement pour une usine de 50 t/h biomasse (0,1 à 0,25 Mtep/an) : ~150 M€

– 50 à 100 usines en France

ProcédéRdt masse

(%)C10+ (C5+)

Rdt énergie(%)

C10+ (C5+)

Électricitéinjectée (Mwe)

Potentiel deCarburant

(Mtep)~ -7

(produit) 5

10

10

20

~66

0

~205

Consommationde carburant

en France (%)

Lit Fluidisé seul 7-11 (11-15) 20-26 (31-37) 9

Lit Fluidisé + Étage HT avec recyclage des sous produits 15-19 (24-28) 20-26 (30-36) 18

Réacteur à flux entraîné autothermiqueavec recyclage des sous produits 16-20 39-45 18

Réacteur à flux entraîné plasma avec recyclage des sous produits 34-38 23-29 36


Le Constat

CONCLUSION

Que de bonheurs possibles, dont on sacrifie ainsi la réalisation à l'impatience d'un plaisir immédiat

Marcel Proust



Le Constat

Le Gaz de Synthèse comme intermédiaire pour la production de carburant ou d’H2

Reformage des hydrocarbures– Industriel, captif, non renouvelable

Gazéification de la biomasse– Renouvelable - Par rapport au non renouvelable

Meilleur Indice Énergétique ; Rendement plus faible ; Prix comparable

Carburant de synthèse directement utilisable– Moins d’émissions à la combustion (soufre, particules…)– Transition vers une chaîne énergétique H2

Produit Gaz de synthèse (H2/CO)Ressource CH4 / HC Charbon Biomasse

Mode de transformation réformage gazéification gazéification

Quantité Abondant à court terme Abondant à moyen terme Limité mais long terme

Renouvelable non non oui

Difficulté de mobilisation 1 (référence) x 1,5 à 2 x 2 à 3

Coût financier Très bon marché Bon marché Moyen



Le Constat

Les différences entre fluides fossiles et biomasseHydrocarbures et Charbon

– AvantageOn contrôle la vitesse d’extraction (réserves disponibles)

– InconvénientsProduction et accumulation de CO2Quantité limitée (non renouvelable) donc épuisable à l’échelle humaine

Biomasse– Avantages

Quantité illimitée (renouvelable) donc inépuisable à l’échelle humaineProduction de CO2 sans accumulation (les plantes le consomment)

– InconvénientsOn ne contrôle pas la vitesse de production : limitée par la vitesse de pousse des plantes


Deux conceptions de la sociétéTout, tout de suite ou Privilégier le long terme

PRODUIRE DES CARBURANTS RENOUVELABLES …ensieg.dox.free.fr/2A_SEM/SEM_IM/Energies...

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