Systèmes de conversion

Préparation de biomasse


Pour garantir une combustion optimale, la biomasse doit être la plus sèche possible et avoir des caractéristiques physiques adaptées à l’équipement de combustion à laquelle elle est destinée. D’autre part, le transport et l’entreposage peuvent aussi demander une préparation spécifique.

La préparation de la biomasse a pour finalité de produire un combustible solide, liquide ou gazeux. Dans tous les cas, il faut veiller à limiter l’humidité dans le combustible. En effet, le pouvoir calorifique est fortement réduit avec le taux d’humidité.

Lorsque la biomasse est trop humide pour être brûlée, une alternative consiste à faire appel à un processus de fermentation anaérobie. A l’abri de l’air, des bactéries décomposent la biomasse et donne lieu à un mélange gazeux riche en méthane (gaz naturel) : c’est la biométhanisation. La méthanisation appliquée à la biomasse non ou faiblement ligno-cellulosique (bois) présente l’avantage de fournir un gaz combustible sans séchage préalable et évite ainsi la consommation énergétique du séchage.

La biométhanisation peut s’appliquer à toutes les biomasses, mais elle est fortement limitée sur les matières dures et fibreuses qui contiennent de la lignine (bois, paille). Elle particulièrement indiquées aux résidus agricoles, aux effluents d’élevage (lisiers, fumiers, purins, fientes), aux effluents liquides des industries agroalimentaires et à certains effluents humides ou liquides résultant de l’activité humaine (boues de stations d’épuration, fraction organique des déchets ménagers).

Biomasse-énergie

La préparation de la biomasse est une première étape de conversion qui vise à transformer une biomasse brute en un combustible utilisable à des fins énergétiques :
•    Combustibles solides : bûches, plaquettes, granulés, charbon de bois, bois torréfié.
•    Combustibles liquides ou biocarburants liquides : huiles végétales et produits dérivés tels que le diester, bioéthanol et les produits dérivés tels que l’ETBE, le biométhanol, le biobutanol et les huiles de pyrolyse résultant de la thermochimie.
•    Combustibles gazeux ou biocarburants gazeux : biogaz obtenu par biométhanisation, gaz de synthèse (CO + H2) obtenu par gazéification.

Nous présentons ci-après les caractéristiques énergétiques des principaux combustibles issus de la biomasse : Pouvoir calorifique inférieur (PCI), le taux de cendre.

 

Densité et PCI de combustibles solides - 1 kg

Le bois est le combustible solide le plus utilisé pour le chauffage sous la forme de bûches, de plaquettes, de granulés ou de briquettes reconstituées.

Bûche séchée (15 à 25 % d’humidité) : 300 à 500 kg par stère (selon l’espèce végétale et le coefficient d’empilage)
Plaquettes : 250 à 350 kg/m³ (selon l’humidité : 20-30%) - 1 map = 0,4 m³ de bois
Granulés : 650 à 700 kg/m³ (humidité de 7 à 12%)
Bois sec (0% d’humidité) = 18 MJ = 5 kWh
Bois séché (20% d’humidité) = 12,6 MJ = 3,5 kWh
Grain sec (0% d’humidité) = 18 MJ = 5 kWh
Grain séché (15% d’humidité) = 4,2 kWh
Paille sèche (0% d’humidité) = 4,7 kWh
Paille séchée (15% d’humidité) = 4,0 kWh

Comparaison:
Charbon (sec et sans mat. minérales) = 35 MJ  (= +/- 10 kWh)
Charbon (3-6 % humidité, 4-15% minéraux) = 27-31 MJ (= +/- 8 kWh)

 

Taux de cendres

Bois :     0,5 à 1%     Grains : 1,5 à 2,8 %        Paille : 7 à 8 %

 

PCI de carburants liquides – 1l

Ethanol = 5,9 kWh/l             - ETBE = 7,5 kWh/l
Méthanol = 4,4 kWh/l (15,9 MJ/l)    - MTBE = 7,2 kWh/l
Huile de colza = 9,5 kWh/l        - Biodiesel = 9,2 kWh/l
Comparaison : Diesel = 9,8 kWh/l  -  Essence = 8,7 kWh/l

 

PCI de carburants gazeux – 1 Nm³

PCI gazéification du bois = 5,5 MJ/m³ = 1,5 kWh/Nm³
PCI biogaz (50% de méthane) = 4,3 kWh/Nm³
PCI biogaz (60% de méthane) = 5,1 kWh/Nm³
Comparaison : gaz naturel = 10 kWh/Nm³


Equipements de combustion

 

L’équipement de combustion transforme l’énergie de la biomasse en chaleur utile. Un équipement performant met en œuvre les conditions d’une combustion optimale : contrôle précis de l’alimentation en air (préchauffage et débits primaire et secondaire) et température de foyer de 800°C et homogène.

Dans le cas d’un combustible solide comme le bois, la combustion est plus complexe qu’avec un carburant. En fait, le bois ne brûle pas, mais ce sont les gaz qu’il génère qui brûlent. Sous l’effet de la chaleur, le bois solide se décompose et libère des composés organiques volatiles (COV). Si les conditions de température sont atteintes, au contact de l’oxygène de l’air, les COV brûlent et dégagent de la chaleur.

La combustion se déroule en trois phases : séchage, dégazage ou pyrolyse et combustion des braises. Avec le bois, la grande quantité d’énergie résulte du dégazage. Il est primordial que ces gaz combustibles brûlent sinon ceux-ci seront émis dans l'atmosphère et des composés tels que les goudrons se déposeront dans le conduit de cheminée. L'émission de gaz imbrûlés est responsable d'une perte de rendement énergétique, mais est aussi une cause de pollutions.

Les équipements ont en général 2 arrivées d’air. Une arrivée d’air primaire qui brûle le charbon de bois (braises) et une arrivée d’air secondaire destinée à la combustion des gaz générés. Les arrivées d’air seront avantageusement préchauffées.

 

Pour des usages domestiques, les différents équipements sont :
Cheminées à feu ouvert (Rendement de 10 à 15%)
Inserts et foyers fermés (Rendement  de 40 à 60%)
Poêles à bois (1 à 2 zones de combustion, 1 à 2 (parfois 3) arrivées d’air préchauffées, contrôle des alimentations en air, catalyseur, accumulation de chaleur) (Rendement de 40 à 90 %)
Chaudière au bois (Rendement de 40 à 90%)

Pour des usages industriels, on tend à favoriser les unités de cogénération càd la production simultanée d’électricité et de chaleur utile. Les rendements énergétiques peuvent atteindre 80 à 95% à comparer aux  20 à 40% pour une production électrique seule.

 


Ces informations s’appuient sur les ouvrages de référence consultables dans notre centre de documentation.

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