Conversion énergétique de biomasse lignocellulosique

Orientations pour une transition énergétique

Comme l’a illustré le problème de la couche d’ozone dans les années 80, il est possible d’obtenir une réduction des problèmes environnementaux globaux causés par l’activité humaine lorsque les Etats qui en sont le plus à l’origine s’accordent ensemble sur les contraintes et moyens à mettre en oeuvre pour y faire face. En ce qui concerne l’émission des gaz à effet de serre, de tels accords internationaux ont successivement été mis en place, tels que le protocole de Kyoto [4](ratifié par 188 Etats), le paquet 2020 instauré par la Commission Européenne pour l’UE28 [5], et plus récemment l’Accord de Paris lors de la 21ème conférence des Nations Unies sur les changements climatiques (COP21). Dans le domaine énergétique, l’utilisation de sources d’énergies renouvelables est l’un des leviers d’action proposés dans ces accords pour contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

On peut citer parmi celles-ci les énergies solaire, hydraulique, éolienne, géothermique, marine, et l’utilisation de biomasse. Cette dernière source d’énergie tient un rôle prépondérant dans la production d’énergie renouvelable. En 2013, l’énergie issue de biomasse assurait en effet 10 % de la demande mondiale en énergie primaire, l’hydroélectrique ne représentant en comparaison que 2 % et les autres énergies renouvelables 1 % [6]. Au sein de l’UE, le rôle de la biomasse est tout aussi important : en 2013, l’énergie issue de biomasse participait à hauteur de 105 Mtep à la consommation finale d’énergie de l’UE [7] (soit l’équivalent des importations françaises de pétrole), ce qui représentait 58 % des contributions totales des énergies renouvelables dans la zone (180Mtep). Avec 78 Mtep, la combustion de biomasse solide représentait à elle seule 46 % [8]. La deuxième énergie renouvelable en termes de contribution énergétique était l’énergie hydraulique, avec 30 Mtep[8].

La biomasse lignocellulosique comme ressource énergétique

D’après la directive 2009/28/CE du parlement européen et du conseil de l’union européenne [9], la biomasse est définie comme « la fraction biodégradable des produits, des déchets et des résidus d’origine biologique provenant de l’agriculture (y compris les substances végétales et animales), de la sylviculture et des industries connexes, y compris la pêche et l’aquaculture, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux ». Chaque type de biomasse présente des caractéristiques différentes, par exemple en termes d’humidité, de composition chimique, de pouvoir calorifique, ou de teneur en cendres, et leur valorisation énergétique requiert alors des technologies de conversion spécifiques. On peut distinguer trois mécanismes principaux : biochimique, physicochimique, et thermochimique. La voie biochimique repose sur la dégradation de biomasse par des microorganismes, pour l’obtention de vecteurs énergétiques gazeux (méthane) ou liquide (éthanol, butanol principalement).

L’obtention de biocarburants liquides est également possible par transformation physico-chimique : après broyage et pressage de biomasse oléagineuse ou d’algues, on obtient une huile végétale composée de triglycérides qui peuvent ensuite subir une réaction de transestérification pour produire des biodiesels (esthers éthyliques ou méthyliques) ou être utilisée directement en tant qu’huile végétale pure. En ce qui concerne la voie thermochimique, différents vecteurs énergétiques peuvent être produits selon l’atmosphère gazeuse et les conditions de température utilisées. Par pyrolyse, la biomasse est dégradée en atmosphère inerte sous le seul effet de la chaleur (300 – 500 °C). On pourra obtenir par ce procédé du charbon ou des huiles, selon que la pyrolyse soit lente (vitesse de chauffe basse, temps de résidence long) ou rapide (vitesse de chauffe élevée, temps de résidence court) [10]. Par gazéification, la biomasse solide est convertie en un gaz combustible sous l’effet de la chaleur (800 – 1500 °C) et d’un apport sous-stoechiométrique en oxygène (excès d’air λ ~ 0,3). Ce gaz est composé majoritairement d’un mélange de CO, H2, CO2 et CH4 et N2. La valorisation des vecteurs énergétiques gazeux, liquide ou solide, dont la Figure 3 résume les voies principales de production à partir de biomasse, peut ensuite se faire par combustion (oxydation complète du combustible).

Outils de prévision

Plusieurs indices sont disponibles pour estimer la propension des cendres d’un combustible à former des mâchefers à l’intérieur de la chambre de combustion. Ces indices sont basés sur la teneur en cendres d’un combustible, et la composition chimique de ces cendres. Ils ont été développés à l’origine pour estimer le comportement des cendres de charbon, et ont ensuite été appliqués à d’autres combustibles tels que les déchets ou la biomasse, ou encore lors de la co-combustion de charbon et de biomasse. Ils fournissent une estimation de la fusibilité des cendres, qui permet ensuite d’évaluer la tendance des cendres à former des agglomérats fondus ou partiellement fondus [30]. La suite de cette section liste différents indices référencés dans la littérature, initialement mis au point pour des charbons, et qui sont utilisés pour estimer les risques de formation de mâchefers des chaudières lors de la combustion de charbon, de mélange charbon/biomasse, ou de biomasses, par différents auteurs. Certains de ces indices sont aussi utilisés pour évaluer le problème d’encrassement des zones de convection, présentés en section I.4.2.

Voies d’atténuation

Le principal moyen technique de destruction des dépôts de cendres dans les zones convectives est l’utilisation de canons à air comprimé ou à vapeur, qui par impact mécanique et choc thermique permettent de briser les dépôts pour les retirer. L’utilisation de tels équipements peut cependant accélérer la corrosion des équipements des chaudières, par les contraintes qu’ils leur imposent. Pour limiter l’apparition et la croissance d’un dépôt de cendres, et ainsi réduire les besoins en maintenance, l’utilisation d’additifs est possible. Le principal mode d’action de ces additifs est d’éviter la volatilisation de potassium sous forme de KCl, fortement impliqué dans le phénomène d’encrassement. Des additifs minéraux à base de silicate d’aluminium tels que la kaolinite peuvent alors être utilisés. Le mécanisme proposé pour la capture du KCl par les silicates d’aluminium est le suivant [45] : ??2?3. ? ???2 + 2 ??? + ?2? → ?2?. ??2?3. ? ???2 + 2 ??? Des additifs à base de soufre peuvent également être utilisés, afin de favoriser la formation de K2SO4 plutôt que de KCl. K2SO4 présente une température de fusion plus élevée que KCl, autour de 840 °C contre 770 °C pour KCl, et pose donc moins de problèmes d’encrassement. Le mélange de différents combustibles afin d’utiliser ces types de mécanismes pourrait réduire le problème d’encrassement. D’autres mécanismes pourraient également être mis en jeu par mélange. Skrifvars et al. (2005) [46] ont par exemple effectué la combustion de balle de riz et d’écorce d’eucalyptus en mélange. La balle de riz présentait un comportement peu encrassant, contrairement à l’écorce d’eucalyptus. La tendance à l’encrassement pour les mélanges de ces deux combustibles n’était pas reliée linéairement aux proportions du mélange, et les auteurs suggèrent alors que les cendres provenant de la balle de riz aient pu agir comme abrasif et ainsi limiter la formation d’un dépôt de cendres.

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Table des matières

Introduction
Chapitre I. Conversion énergétique de biomasse lignocellulosique : intérêt de la combustion et problèmes liés
I.1. Contexte énergétique mondial
I.1.1. Production d’énergie et changement climatique
I.1.2. Orientations pour une transition énergétique
I.2. La biomasse lignocellulosique comme ressource énergétique
I.2.1. Biomasse et énergie
I.2.2. Biomasse lignocellulosique : composition
I.2.3. Limites à la mobilisation de biomasse lignocellulosique pour la combustion
I.2.4. Alternatives à l’usage de biomasse forestière
I.3. Valorisation de biomasse par combustion
I.3.1. Principe
I.3.2. Équipements de combustion
I.4. Problèmes techniques liés à la combustion de biomasse
I.4.1. Formation de mâchefers
I.4.2. Encrassement des zones d’échange de chaleur
I.4.3. Corrosion
I.5. Problèmes environnementaux d’émissions liées à la combustion de biomasse
I.5.1. Particules fines
I.5.2. Émissions azotées
I.5.3. Autres émissions
I.6. Synthèse et positionnement
Chapitre II. Étude de l’influence de la granulation sur la réactivité de la biomasse
II.1. Introduction
II.1.1. Procédé de granulation
II.1.2. Paramètres clés du procédé de granulation
II.1.3. Mécanismes de liaison
II.2. Objectifs
II.3. Matériels et méthodes
II.3.1. Échantillons utilisés
II.3.2. Préparation des échantillons
II.3.3. Procédure expérimentale
II.3.4. Traitement des données pendant la phase de pyrolyse
II.4. Résultats et discussion
II.4.1. Comparaison entre les granulés de pin
II.4.2. Quantification de la répétabilité
II.4.3. Comparaison entre échantillons
II.5. Conclusions
Chapitre III. Sélection de combustibles et mise en place d’expérimentations
III.1. Sélection de biomasse
III.1.1. Éléments chimiques d’importance
III.1.2. Revue de données
III.1.3. Types de résidus de biomasse utilisés
III.2. Elaboration de granulés au laboratoire
III.2.1. Préparation des échantillons
III.2.2. Matériel
III.2.3. Mise au point du protocole de granulation
III.3. Dispositif d’étude des émissions de NOx
III.3.1. Présentation générale de l’installation
III.3.2. Analyseur de gaz
III.3.3. Conditions opératoires
III.4. Dispositif d’étude de la volatilisation du potassium
III.4.1. Principe
III.4.2. Combustion
III.4.3. Minéralisation
III.4.4. Dosage par spectroscopie
Chapitre IV. Combustion de biomasse pure en laboratoire : émissions de NOX et volatilisation du potassium
IV.1. Introduction
IV.2. Analyse de la composition de biomasse
IV.2.1. Introduction
IV.2.2. Échantillons de biomasse sélectionnés
IV.2.3. Autres données disponibles
IV.3. Combustion de biomasse et émissions de NO
IV.3.1. Analyses préliminaires et méthodes d’exploitation des résultats
IV.3.2. Émissions de NO et composition de la biomasse
IV.4. Combustion de biomasse et volatilisation du potassium
IV.4.1. Analyses préliminaires
IV.4.2. Résultats expérimentaux
IV.5. Synthèse et orientations
Chapitre V. Combustion de granulés de mélanges de biomasse et suivi des émissions de NO
V.1. Présentation de la démarche
V.1.1. Introduction et objectifs
V.1.2. Choix des mélanges
V.2. Méthodes d’analyse des résultats
V.2.1. Comparaison des émissions de NO des mélanges à des émissions de NO théoriques
V.2.2. Représentation des résultats
V.2.3. Utilisation de granulés séparés
V.2.4. Éléments identifiés dans la littérature comme pouvant jouer un rôle
sur les émissions de NO
V.3. Étude de l’influence de la teneur en azote sur les émissions de NO pour les granulés de mélange : mélange EP/MR
V.3.1. Émissions de NO totales
V.3.2. Contribution de la phase d’oxydation des espèces volatiles
V.3.3. Contribution de la phase d’oxydation du char
V.4. Etude de l’influence du calcium de la biomasse sur les émissions de NO
V.4.1. Mélange paille de colza/balle de riz
V.4.2. Mélange balle de riz/grignon d’olive
V.5. Synthèse
V.5.1. Mise en évidence de synergies par mélange
V.5.2. Bilan des interprétations et perspectives
Conclusion et perspectives
Bibliographie
Annexes