Leçon 1-Généralités sur la Biomasse

 

Histoire de la biomasse : L’énergie biomasse est la forme d’énergie la plus ancienne utilisée par l’homme depuis la découverte du feu à la préhistoire. Cette énergie permet de produire de l’électricité grâce à la chaleur dégagée par la combustion de ces matières (bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques) ou du biogaz issu de la fermentation de ces matières, dans des centrales biomasse.

Qu’est-ce que la biomasse ? On entend par biomasse le bois énergie (le bois issu de l’exploitation forestière et non valorisé sous la forme de bois d’œuvre ou bois d’industrie) ainsi que les sous-produits agricoles ou industriels. Les centrales de taille industrielle privilégient comme combustible les plaquettes forestières, les connexes des industries du bois, les sous- produits agricoles et industriels et les produits bois en fin de vie.

1. Classification de la biomasse
La biomasse peut etre classée en produits primaires renouvelables, tels que : bois de forêt, cultures énergétiques (colza, maïs), matières premières biologiques, plantes oléagineuses et en résidus biologiques, comme: paille, forêt mature, bois de petite dimension, déchets d’abattoir, mélasse noire, boues d’épuration, gaz de décharge, partie biologique des déchets solides municipaux.

1.1 Types de conversion énergétique de la biomasse :  “Le contenu énergétique de la biomasse pourrait plutôt être tourné vers des applications de chauffage direct par collecte et combustion.  Par ailleurs, la biomasse et tous les déchets qui résultent de son traitement ou de sa consommation pourraient être convertis directement en combustibles organiques synthétiques si des procédés de conversion appropriés étaient disponibles. ”  Conversion directe : chauffage par collecte et combustion.

1.2 Importance de la combustion de la biomasse : L’utilisation de la biomasse comme source d’énergie n’entraînera pas d’augmentation nette des émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, ni de risque de changement climatique mondial. Les plantes en croissance éliminent le carbone de l’atmosphère grâce à la photosynthèse. Si la quantité de nouvelle croissance matérielle est en équilibre avec la biomasse utilisée pour l’énergie, alors la bioénergie est « neutre » en termes de dioxyde de carbone. À l’échelle mondiale, la biomasse peut répondre à environ 14 % de la demande d’énergie. Processus d’origine de la biomasse:  6 CO₂ + 6H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ 

1.3 La biomasse, comment cela fonctionne-t-il ? Une centrale biomasse produit de l’électricité grâce à la vapeur d’eau dégagée par la combustion de matières végétales ou animales, qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur.

1.4 Chaudière alimentée à la biomasse : Une chaudière alimentée à la biomasse est une technologie de combustion directe plus adaptable, car une chaudière transfère la chaleur de la combustion en vapeur. La vapeur peut être utilisée pour produire de l’électricité, l’énergie mécanique et la chaleur. La vapeur produite par une chaudière contient 60 à 85 % de l’énergie potentielle de la biomasse.

Brûleurs en tas : Ils sont constitués de cellules, chacune ayant une chambre de combustion supérieure et inférieure. Le combustible de biomasse brûle sur une grille dans la chambre inférieure, libérant des gaz volatils, les gaz brûlent dans la chambre de combustion supérieure et l’opérateur doit arrêter périodiquement les brûleurs en tas pour enlever les cendres.

1.5 Combustion de biomasse : La combustion est la voie la plus rapide de valorisation énergétique de biomasse solide. En présence de chaleur et d’un excès d’oxygène, la biomasse se décompose complètement en gaz qui s’enflamment en libérant une forte quantité d’énergie sous forme de chaleur.

1.5.1 Processus de combustion : La combustion de biomasse est une réaction d’oxydation. Avec un apport initial de chaleur, l’oxygène (O₂) présent dans l’air se combine avec le carbone et l’hydrogène contenu dans la  biomasse pour former du dioxyde de carbone (CO₂) et de l’eau (H₂O) tout en dégageant beaucoup d’énergie sous forme de chaleur. Le processus de combustion se déroule en plusieurs phases :

• séchage : grâce à la chaleur, l’eau encore contenue dans la biomasse s’évapore ;
• pyrolyse: sous l’action de la chaleur, les constituants de la biomasse se décomposent en gaz et en fines gouttelettes de goudrons qui se vaporisent. La majorité de ces composés gazeux sont combustibles. Cette décomposition laisse un résidu carboné ;
• combustion des gaz : dès qu’ils s’échappent de la pièce de bois, les gaz de décomposition se combinent à l’oxygène et brûlent, ce qui génère la flamme ;
• combustion du résidu carboné : lorsque les gaz se sont dégagés, le résidu carboné brûle (incandescence des braises).

Lorsque la biomasse brûle, ces quatre étapes se chevauchent en permanence. Tant que des gaz se dégagent du combustible, la température de celui-ci reste voisine des 800°C tandis que les flammes avoisinent les 1.300°C. Lorsque les gaz se sont dégagés, le résidu carboné brûle aux environs de 1.000°C.

 1.5.2 Combustion directe : Les technologies de combustion convertissent les combustibles de la biomasse en plusieurs formes d’énergie utile à des fins commerciales ou industrielles : air chaud, eau chaude, vapeur et électricité. Un four est la technologie de combustion la plus simple :

•  Les combustibles de la biomasse brûlent dans une chambre de combustion,
• Conversion de la biomasse en énergie thermique (les gaz chauds contiennent 85 % de l’énergie potentielle du combustible),
• Utilisation directe ou indirecte d’un échangeur de chaleur pour utiliser les gaz chauds sous forme d’air chaud ou d’eau chaude .

La combustion du bois peut être divisée en quatre phases :

• Le séchage : l’eau contenue dans le bois s’évapore.
• Dégazage : le contenu gazeux est libéré du bois.
• Gazéification : les gaz émis se mélangent à l’air atmosphérique et brûlent à haute température.
• Combustion : le reste du bois (principalement du carbone) brûle.
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  1.6 La production indirecte de biomasse : Le terme biomasse secondaire ou déchets et sous-produits désigne toutes les substances résiduelles des matières premières du monde végétal ou animal qui ont subi ou non des modifications chimiques ou physiques. Ces déchets proviennent de l’industrie, des particuliers, du commerce ou des collectivités. Certains déchets sont des résidus des matières de transformation du monde vivant et peuvent contenir des composés minéraux qui sont en partie contenus dans la composition, qui est le vin noir de l’usine de production. La question est de savoir si les déchets sont fertiles et assimilables à la biomasse. . Il existe deux types de produits.
• Les déchets de la biomasse directe comprenant les déchets animaux et végétaux issus de leur production agricole ou d’élevage.
• La biomasse des déchets constituée de la fraction fermentescibles des déchets des collectivités locales  et de certaines industries.

1.7 Comment une centrale biomasse transforme les résidus végétaux et déchets en électricité ?

1.8 Valorisation de la biomasse : La biomasse peut être utilisée directement comme chaleur dans une chaufferie. En règle générale, les chaudières de secours à combustibles fossiles fourniront une puissance supplémentaire pendant les périodes de charge de pointe. Produire de la vapeur à haute température et haute pression, cette vapeur entraîne une turbine pour produire de l’électricité. Le générateur récupère directement l’énergie thermique contenue dans la vapeur sous forme de chaleur à la sortie de la turbine à vapeur. Il existe deux types de turbines à vapeur : les turbines à vapeur d’extraction et les turbines à vapeur à contre-pression.  Le fluide de travail organique via le cycle organique de Rankine ou ORC est une alternative au cycle vapeur utilisé pour la production d’électricité. Disponible, entièrement exploitée, la biomasse peut également être convertie en gaz combustible dans le processus de gazéification. Le gaz de synthèse qui en résulte est ensuite envoyé à un brûleur pour générer de la chaleur comme le gaz naturel.

 N.B : La plus grande source de carbone de la biomasse terrestre sur pied est la biomasse forestière, qui contient environ 80 à 90 % du carbone total de la biomasse.”

Biomasse-répartition de la production: Les bioénergies se divisent en quatre catégories : les déchets ménagers, les déchets de papèterie, le biogaz et le bois-énergie et autres composants solides.

La biomasse a pour avantage de pouvoir répondre aux multiples besoins des industriels : elle peut être utilisée pour produire de la vapeur, chauffer de l’eau ou de l’huile thermique (en chaudière), produire de l’électricité (par cogénération) ou en combustion directe pour produire de l’air chaud (dans des fours par exemple).

Diffusion de la technologie : La valorisation énergétique de la biomasse est une filière mature en France. Dans l’industrie, plus de 500 installations valorisant de la biomasse ont été recensées début 2017.

1.9 Contraintes d’intégration sur site :  L’installation de chaudières à biomasse nécessite non seulement un espace considérable pour la chaufferie, mais aussi en raison de l’encombrement du système d’épuration des fumées, du système de décendrage et même du local de stockage. De plus, il existe des restrictions logistiques sur le carburant (zones d’entrée et de manœuvre des camions). Par ailleurs, les démarches administratives sont relativement simples : autorisation d’exploitation,  et autorisation d’installation de protection de l’environnement . Cependant, les permis d’exploitation peuvent être plus difficiles dans les zones couvertes par le plan de protection de l’air.

1.10 Contraintes d’opération et de maintenance : Le fonctionnement des systèmes de combustion de biomasse peut être un défi pour certaines technologies (comme les fours à lit fluidisé). Ils ont généralement besoin de personnel qualifié pour fonctionner correctement, mais les fabricants peuvent également se tourner vers des prestataires externes. Les fabricants ne doivent pas sous-estimer la charge de travail de maintenance, qui est plus élevée que l’installation traditionnelle. Étant donné qu’une gestion spéciale est nécessaire pour assurer une production stable, la diversité des sources d’entrée augmentera la complexité. Les systèmes qui nécessitent la livraison de carburant ont également besoin des connaissances nécessaires pour gérer les contrats avec les fournisseurs et déterminer la qualité des aliments.

1.11 Disponibilité et accessibilité de la ressource énergétique : Les ressources en biomasse sont visibles partout. Il s’agit pourtant de ressources locales dont l’approvisionnement repose sur des alliances fortes avec des fournisseurs locaux et pérennes pour maîtriser les prix. La filière a accès à de multiples sources : copeaux de bois, déchets de bois, sous-produits agricoles ou industriels issus de biomasse. La qualité du carburant dépend de son taux d’humidité, de la taille des particules, de son pouvoir calorifique et de sa teneur en cendres. Par conséquent, il est recommandé de maitriser son approvisionnement pour assurer la stabilité à long terme de la qualité du carburant. Les centrales à biomasse peuvent produire de l’électricité de manière prévisible et relativement flexible, et ajuster la consommation de carburant en fonction de la demande.

1.12 Performance environnementale : L’empreinte carbone d’une installation de valorisation de biomasse dépend du type d’intrant utilisé. Dans la majorité des cas où l’intrant est de la plaquette forestière, l’empreinte carbone du combustible est de 24 gCO₂eq/kWh cette empreinte peut être divisée par deux avec des chutes de scieries ou de broyat de cagettes qui émettent moins de 10gCO2eq/kWh. Les émissions évitées en substituant une chaudière au gaz naturel à une chaudière biomasse   varient   entre   226gCO₂eq/kWh   (paille)   et 240gCO₂eq/kWh (sciures et chutes de scieries).

1.13 Avantages et inconvénients de l’énergie biomasse