Bois - Capsis

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
2 +  2 2  +  +  +  +  + 
→         + 2 +  2 −  2 2
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