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1INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Commissariat à L’Énergie Atomique
PRODUIRE DES CARBURANTS RENOUVELABLES DE SYNTHÈSE
PAR THERMOCONVERSIONDE LA BIOMASSE
Guillaume Boissonnet - CEA Grenoble
2INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
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
3INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
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
4INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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
5INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
Consommation mondiale d’énergie (2001)
Hydraulique7%
Charbon24%
Gaz naturel24%
Pétrole37%
Nucléaire7%
85% de la production est issu des énergies
fossiles
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
Où sont situées les ressources fossiles ?
Les ressources sont INÉQUITABLEMENTréparties dans le monde!!
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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)
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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%
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
Alternatives
AccroissementEffet de serre
(CO2)
Baisseressources
fossiles
Accroissementde la demandeen carburants
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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 ?
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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
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La BiomasseLes FilièresLa GazéificationLes Recherches CEALe Constat
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
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Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
POTENTIALITÉS DE LABIOMASSE
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Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
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
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Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
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 !!!
19INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
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
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Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
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
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Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
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 !
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Le Constat Les FilièresLa Biomasse La GazéificationLes Recherches CEA
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)
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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
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Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
25INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
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Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
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Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
28INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
29INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
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Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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)
31INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
32INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
En résumé…
33INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
34INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
35INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
Le ConstatLa Biomasse La GazéificationLes Filières Les Recherches CEA
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
36INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
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
37INPG/M1 – filière Systèmes Energétiques et Marchés – 2006/2007 – guillaume.boissonnet@cea.fr
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
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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
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Physico-chimie de la gazéification
Théorie
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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
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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
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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
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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
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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
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Procédés
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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)
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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)
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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
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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
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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)
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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_combfumées_comb
air_TAG
condensables
H2O, CO2CH4_TAG
fumées_TAGgazolelourds
légers
H2
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
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_FT
Expériencesanalytiques
DéveloppementTechnologique
(labo et plate-forme)
Modélisation
Simulation - Analyse de procédés
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Les moyens expérimentaux
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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Objectifs– Vision d’ensemble d’un procédé– Test de plusieurs schémas différents– Calcul de bilans et optimisation– Choix d’un procédé de référence
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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
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Le Constat
CONCLUSION
Que de bonheurs possibles, dont on sacrifie ainsi la réalisation à l'impatience d'un plaisir immédiat
Marcel Proust
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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
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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
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Deux conceptions de la sociétéTout, tout de suite ou Privilégier le long terme
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