La production énergétique à partir de la biomasse forestière : le devenir des nutriments et du carbone Jessica François, Mathieu Fortin et Anthony Dufour Journées CAQSIS les 8 et 9 avril 2014, Gembloux, Belgique 1 Introduction Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques… Lutte contre le de changement En Europe : 37,5% la surface climatique recouverte par des forêts en limitant les émissions de CO2 fossiles 23 % d’énergie renouvelable dans le mix énergétique français d’ici à 2020 Possibilité de transformer la biomasse dans des installations similaires CO2 échelle et bon rendement >> Production à grande cycle court = 1 mois – 100 ans CO2 2 Introduction Contexte Intérêt croissant de la biomasse à des fins énergétiques… … mais source limitée, épuisable Minéraux = essentiels à la croissance de l’arbre CO, NOx, N2O, SO2, HAP, etc. productivité des forêts utilisation de fertilisants chimiques Minéraux Temps géologique Altération 3 Introduction Comment Objectif de?notre étude Prédire le devenir minéraux et du carbone depuis forêt Intégration d’undes modèle de forêt dans un modèle delaprocédé jusqu’à la centrale biomasse énergie CO2 Emissions Bois énergie Cendres Minéraux Modèle Forêt Modèle Procédé bois-énergie Modèle depuis la forêt jusqu’au procédé 4 Modélisation de la forêt sous Capsis Plate-forme Capsis Prédiction de ladu croissance du peuplement Et des récoltes bois le long de la durée de vie du peuplement 0 an Teneur en C, N, S, K, P Temps en année 1 ha diamètre 1 ha 1 ha hauteur Biomasse récoltée en kg ha-1 an-1 Peuplement régulier de hêtre européen 1 ha Fort potentiel de valorisation en Lorraine 140 ans Croissance modèle FAGACEES Récolte 5 Modélisation de la forêt sous Capsis L’Outil Carbone Gestion des usages du bois récolté Minéraux enkg kgha ha-1-1-1an an-1-1-1 Carbone en Biomasse en kg ha an N, S, P, K • Menus bois • • 1 ha Croissance Récolte Tri selon qualité Bois énergie usage industriel Bois énergie usage domestique • Bois de trituration papier • Bois d’oeuvre meubles, construction, emballage Bois vers ces différents usages 6 Pour plus de détails voir Fortin et al. 2012 Modélisation de la forêt sous Capsis L’Outil Carbone Filière de production du bois énergie Forêt • Menus bois Bois récolté Bois disponible pour centrale biomasse Autres usages du bois • Bois énergie usage domestique • Bois de trituration papier • Bois d’oeuvre meubles, construction, emballage • Scierie, Usine de déroulage Bois énergie usage industriel • Résidus des industries du bois • Déchets Bois non souillé en fin de vie 7 Modélisation de la forêt sous Aspen Plus « Procédé » de production de bois énergie Flux Capsis en kg ha-1 an-1 CO2 H2O N S Flux en kg hr-1 P K Calcul le nombre d’hectares requis Production bois énergie Réacteur Aspen Plus Bois pour centrale biomasse CaHbOcNdSeClfKkPp + H2O Réaction simplifiée de photosynthèse 𝑎𝐶𝑂2 + 𝑏 2 𝐻2 𝑂 + 𝑑𝑁 + 𝑒𝑆 + 𝑓𝐶𝑙 + 𝑝𝑃 + 𝑘𝐾 → 𝐶𝑎 𝐻𝑏 𝑂𝑐 𝑁𝑑 𝑆𝑒 𝐶𝑙𝑓 𝑃𝑝 𝐾𝑘 + 2𝑎 + 𝑏 2 − 𝑐 2 𝑂2 8 Modélisation de la centrale biomasse sous Aspen Plus Centrale de cogénération biomasse Technologies disponibles Réseau de chaleur Electricité Combustion directe Technologie répandue et robuste Gazéification syngas chaleur Offre de meilleur rendement électrique Technologie encore en développement Turbine à vapeur Turbine à gaz Moteur 9 Modélisation de la centrale biomasse sous Aspen Plus Cogénération par gazéification Procédé modélisé : vue Biland’ensemble CO2, CO, H2O NO, N2O, N2, SO2, HCN, Fumées HCl, dioxin, HAP, VOC, Poussières (dont cendres volantes) CO2, CO, H2O NO, N2, SO2, HAP, COV, Suies Gaz d’échappement Chaleur 18 MW Epuration Syngas Moteur Electricité 10 MWe Gazéifieur Bois CaHbOcNdSeClfKkPp + H2O Syngas recyclé Cendres Ca’’Nd’’Se’’Clf’’Kk’’Pp’’ 10 Résultats Cas d’étude 2 1 43 Gestion plus intensive Gestion et menusplus boisintensive utilisé et menus bois au sol comme boislaissé énergie 0 an 0 an 100 ans Harvest 1 an de fonctionnement continu 140 ans gy ents Gestion standard Gestion et et menusstandard bois utilisé menus bois au sol comme boislaissé énergie Menu Bois Menu Bois BOIS ENERGIE BOIS ENERGIE CO2 Energy Emissions Emissions Other wood uses Other wood uses Heat Power Wood for energy etailed model under « CAPSIS » Transport crushing Gasification unit 570 TJ Harvest Transport crushing Nutrients Ashes 280 TJ Heat Power Wood for energy Detailed model under « CAPSIS » Gasification unit 570 TJ Ashes 280 TJ Data 11 Data Model of the whole biomass to energy route under Aspen Plus® Résultats Influence des scénarios sur la production de bois énergie 1 Standard sans MB 32 200 ha 2 Standard avec MB 27 400 ha Bois Energie Résidus Bois Energie 5% Résidus Déchets 71% 63% 30% 31% 6% 4 Intensif avec MB 28 700 ha 36 700 ha 64% 57% 37% 3 Intensif sans MB Déchets Bois Energie 23% 7% Bois Energie Résidus Déchets 6% Résidus Déchets Bois énergie vers cogénération : 85 000 tonnes sur 1 an Récolte plus des menus Durée de rotation courte bois • nombrerequis hectares requis : 15% • nombre hectares : 14% moins de biomasse /ha bois énergie • bois• énergie forêt : 6% forêt : 7% moins de bois d’œuvre • résidus industrie : 7% 12 Résultats Influence des scénarios sur l’exportation des minéraux 1 Standard sans MB 2 Standard avec MB N S P K 65 t 8 t 6,5 t 89 t N S P K 67 8,1 6,8 87 Other wood ses Heat Power Wood for energy PSIS » Harvest Wood for energy Transport crushing Ashes Detailed model under « CAPSIS » S 8 CO2 Energy Harvest Gasification unit Nutrients Heat Power Transport crushing Emissions Emissions Data Harvest Gasification unit Nutrients Heat Power Heat Wood for Power energy Transport crushing Ashes Gasification unit Ashes Detailed model under « CAPSIS » Detailed model under « CAPSIS » Data N S P K 70 8,2 7,1 82 Other wood uses Wood for energy Ashes 4 Intensif avec MB P K 6,7 76 Other wood uses Other wood uses Gasification unit Nutrients N 66 CO2 Energy Emissions CO2 Emissions Energy Transport crushing 3 Intensif sans MB Data • • • • •• • • • • [N] > [N] [N]menu bois > [N]autres [S] bois-energie-foret > [S]autres [S]menu bois > [S]autres [P] > [P]autres [K]bois-energie-foret menu bois > [K]autres [P]menu > [P] bois autres [K] bois-energie-foret < [K] [K]menu bois < [K]autres autres + de bois-énergie-forêt ass to energy route under Aspen Plus® Modelbois-energie-foret of the whole under Aspen Plus® Model of Plus® the whole biomass to energy route under Aspen Plus® biomass to energy route autres Model of the whole biomass to energy route under Aspen Durée de rotation plusbois courte Récolte des Récolte desmenus menus bois faiblede en N et •• • faible faible deN, N,S, S,PPP:::+1-3% +1-5% 2-6% • en K : 15% •• de deKK: :- +2% 8% • = en S Migration du K des menus bois vers le tronc ? 13 Résultats Lien entre minéraux et émissions 1 Standard sans MB N S P K 65 t 8 t 6,5 t 89 t CO2 Energy Emissions Other wood uses 1% Heat Power Wood for energy Harvest Transport crushing Nutrients N2O 0,7 t Emissions Detailed model under « CAPSIS » Data 1% HCN 0,2 t 43% Gasification unit NO 28 t Ashes Cendres Model of the whole biomass to energy route under Aspen Plus® 55% N2 36 t 15% S 1,2 t 99% P2O5 6,5 t 85% < 1% SO2 6,8 t P2O5 0,04 t K2O 88 t 99% K2O 0,5 t < 1% 14 Résultats Influence des scenarios sur les émissions 1 Standard sans MB 2 Standard avec MB CO2 Energy CO2 Energy Emissions CO2 Emissions Energy Other wood ses Heat Power Harvest Gasification unit Nutrients Ashes Wood for energy Transport crushing Harvest Gasification unit Nutrients Heat Power Ashes 4 Intensif avec MB Emissions Emissions Other wood uses Other wood uses Other wood uses Wood for energy Transport crushing 3 Intensif sans MB Wood for energy Transport crushing Harvest Gasification unit Nutrients Heat Power Heat Wood for Power energy Transport crushing Ashes Gasification unit Ashes Cendres NO 28,0Detailed t Cendres Cendres 28,4 Cendres NO 28,1 Detailed model under « CAPSIS » NO model under « CAPSIS » NO 28,2Detailed model under « CAPSIS » S 1,2 t S 1,2 Data S Data1,2 S 1,2 Data N2O 0,7 t N O 0,8 N O 0,75 N2O 0,8 Model of the whole biomass to energy 2 2 P2OofPlus® 6,5biomass t to energy P2OPlus® ass to energy route under Aspen Model Aspen ofP the whole biomass to energy route under Aspen route under Plus® 5the whole P2OPlus® 5 7 2O 5 6,6 Model route under Aspen 5 6,8 SO2 6,8 t K2O 88 t SO2 6,9 K2O 76 SO2 6,8 K2O 76 SO2 6,9 K2O 87 PSIS » Récolte menu menu bois bois ++ rotation rotation plus plus courte courte Récolte avec récolte des menus bois et rotation plus courte SS et les et : +: P+30dans kg ;kg P2;Ocendres kgkg; ; SOKK22:O+:150 - 12kg 000 kg •• NO 400 N52:O+:560 + 54 <=> exportation des minéraux +2% +1% +9% -13% +7% +2% 15 Conclusions • Couplage « modèle Forêt » avec « modèle Procédé biomasse énergie» • Prédiction des flux biomasse et minéraux du sol aux émissions • Influence des pratiques sylvicoles sur exportation des minéraux vers centrale biomasse Récolte des menus bois + rotation plus courte • exportation de N, S, P de 1 à 9% exportation de K de 2 à 15% Influence des pratiques sylvicoles sur émissions de la centrale Récolte des menus bois + rotation plus courte émissions du procédé de 1 à 7% 16 Merci Merci à Fédération Jacques Villermaux, LERFoB, CNRS, pour leur soutien financier 17 Modélisation de la centrale biomasse sous Aspen Plus Cogénération par gazéification Procédé modélisé : gazéifieur H2, CO, CO2, CH4, H2O NH3, N2, HCl, H2S, HCN, Goudrons : C6H6, C7H8, C10H8, C16H10, etc. Poussières GAZEIFIEUR CO2, CO, H2O NO, N2O, N2, SO2, HCN, HCl, dioxin, HAP, COV Fumées Poussières (dont cendres volantes) Syngas Réactions secondaires chaleur Lit de sable gazéification GAZIFIEUR Gaz BRÛLEUR Charbon Air Bois CaHbOcNdSeClfKkPp + H2O Ca’Hb’Oc’Nd’Se’Clf’Kk’Pp’ Cendres Ca’’Nd’’Se’’Clf’’Kk’’Pp’’ 18 Résultats Influence des scénarios de sylviculture sur produits bois 1 ha Autres 3,2 t Biomasse récoltée sur 1 an pour 1 ha Autres Autres 1,2 t 3,2 t 0,8 t Bois Energie 0,1 t Résidus 1,6 t 2,6 t 0,8 t Bois Energie 0,1 t 2,2 t 1 Standard sans MB 1,2 t 2,6 t 0,6 t Bois Energie Déchets 2,5 t 2 Standard avec MB 1,7 t 0,6 t 0,1 t Bois Energie Résidus Résidus Déchets Autres 0,1 t Résidus Déchets 1,9 t 3 Intensif sans MB Déchets 2,4 t 4 Intensif avec MB Récolte des menus bois : Durée de rotation plus courte bois énergie • • biomasse / ha / ha : + 18% • =• boisbois énergie forêt/ ha : + 28% énergie • Autres (surtout bois d’œuvre) • Résidus industrie du bois 19
© Copyright 2024 ExpyDoc
