Les Energies Renouvelables : L’ingénierie appliquée à l’éolien, au solaire, à la biomasse ... les enjeux de demain
Editorial pour 1er journal en ligne
I. Introduction
II. Les étapes du développement éolien on-shore
III. L’offshore a le vent en poupe
IV. Concentrons-nous sur l´Energie de Concentration Solaire (CSP)
V. Biomasse - Un sujet brûlant dans le domaine des énergies renouvelables
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Les Energies Renouvelables : L’ingénierie appliquée à l’éolien, au solaire, à la biomasse … les enjeux de demain
V. BIOMASSE – Un sujet brûlant dans le domaine des énèrgies renouvelables
par Ir. Florin Barta et Ir. Samuel Nelis, Tractebel Engineering
La Directive Européenne RES 2009 (Renewable Energy Sources) ne fixe pas de minimum requis par technologie, mais un objectif à l’échelle Européenne proche de 35% d’électricité produite à partir de RES en 2020.
La biomasse constitue une source importante d’énergie renouvelable. Il existe 3 grandes voies de valorisation de la biomasse en fonction de ses caractéristiques : la production de biocarburants, la transformation thermochimique (principalement combustion et gazéification), et la bio-méthanisation ou fermentation anaérobie.
Afin de parvenir à satisfaire à l’engagement européen, la conversion de grosses centrales électriques (« large scale power plants » de plus de 80 MWe) est un facteur déterminant.
Tractebel Engineering a développé, en collaboration avec Laborelec, une expérience unique dans le domaine de la combustion ou la co-combustion de la biomasse.
Les initiatives relatives à la conversion à la co-combustion ou combustion à 100% biomasse se sont multipliées au cours des dernières années: plusieurs centrales électriques dans le Benelux ont subi ce « lifting » vers la co-combustion : Awirs, Ruien, Rodenhuize, Langerloo, Gelderland. Par ailleurs la centrale de Rodenhuize est passée récemment à la combustion de 100% biomasse. Dans ce contexte Electrabel, et implicitement la Belgique, jouent un rôle de pionnier, avec un parc énergétique charbon largement converti à la biomasse.
Cette activité débouche actuellement, au sein du groupe GDF SUEZ, sur plus de 650 MWe de production électrique sur base de biomasse.
D’autres gestionnaires d’installations au Royaume-Uni, en Italie, aux Pays-Bas et en Pologne, ont également fait confiance à Tractebel Engineering et projettent de passer à la combustion d’un certain pourcentage de biomasse, pour des capacités unitaires allant de 300 à 850 MWe par installation.
Par ailleurs d’autres acteurs développent des projets de cogénération dont la chaleur produite sera utilisée pour le chauffage urbain. Citons comme exemple, en France, l’Usine d’Electricité de Metz et la Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain (CPCU).
La co-combustion biomasse – charbon
Une des technologies les plus connues est la co-combustion de charbon – biomasse en adaptant les centrales en service fonctionnant au charbon pulvérisé.
La co-combustion est la combustion simultanée dans la même chaudière de différents combustibles. La biomasse est la fraction biodégradable de produits, déchets et résidus d’origine biologique provenant de l’agriculture (incluant les substances végétales et animales), forêts et industries annexes, la pêche et l’aquaculture, les déchets municipaux et industriels (directive EC 2009 RES).
La co-combustion réduit la dépendance aux énergies fossiles, réduit les émissions des oxydes d’azote et oxydes de soufre et réduit la part des émissions de CO2 des combustibles fossiles non utilisés.
Une dizaine d’années d’essais et de mise au point de projets pilotes de taille industrielle a permis l’émergence de techniques innovantes de co-combustion bois-charbon. Des exploitants de centrales électriques ont ainsi fait le pas d’introduire la biomasse dans plusieurs de leurs chaudières alimentées au charbon.
Le remplacement en tout ou en partie du charbon dans des centrales existantes par la biomasse présente de nombreux avantages :
- une installation de co-combustion peut être installée dans une centrale alimentée au charbon dans un délai d’une année et avec un arrêt limité de l’unité à convertir ; l’impact très faible sur les infrastructures existantes et leur réutilisation explique le coût très attractif de la co-combustion ;
- un autre avantage comparé à des installation de plus petite puissance est le rendement électrique de min. 35 % atteint dans les anciennes installations charbon et conservé en brûlant de la biomasse ; ce rendement dépassera les 40 % pour les installations de combustion de biomasse de grande puissance de la prochaine génération.
Biomasses utilisées
Le granulé de bois (ou pellets) constitue le combustible principal actuellement utilisé dans les centrales à charbon converties à la biomasse. Ce combustible a de multiples avantages liés à son haut pouvoir calorifique (17 MJ/kg soit env. 70 % du PCI du charbon) et implicitement à sa densité énergétique, taille et forme homogènes, facilité de manutention et transport, facilité de stockage… Mais il comporte aussi des désavantages liés à la consommation d’énergie pour sa production, transport, stockage et préparation par broyage pour injection sous forme de poudre dans les brûleurs. Il a aussi le désavantage d’être très sensible à l’humidité et, vu les risques d’explosion lié à la présence de poussières, de nécessiter des équipements ATEX tout au long du cycle de manutention.
Qu’elle est la quantité de biomasse disponible ? Aujourd’hui la production mondiale de pellets de bois est de l’ordre de 15 millions de tonnes par an. Elle devrait atteindre les 40 millions de tonnes d’ici 2020. La demande mondiale de charbon est quant à elle de l’ordre de 7 milliards de tonnes par an. La biomasse peut en partie remplacer le charbon et répondre partiellement à la demande de réduction d’énergies fossiles. Les 2 grands challenges pour pérenniser l’utilisation de la biomasse énergie sont les garanties de durabilité (« Sustainability ») et un prix compétitif.
Les critères de durabilité de la biomasse solide destinée à produire de l’énergie manquent actuellement. Une initiative est prise par la CE pour l’établissement d’une Directive. Dans cette attente, des initiatives privées sont prises pour fixer des règles internationales de durabilité de la biomasse. Ces règles doivent entre autres tenir compte du fait que l’exploitation de la biomasse ne peut pas être en compétition avec les ressources alimentaires, ne peut pas dégrader un écosystème comme les forêts primaires et ne peut pas interférer avec d’autres secteurs industriels comme l’industrie du bois ou de la cellulose.
Un autre défi est celui de l’accès aux ressources biomasse et le développement des infrastructures de collecte et transport de la zone de plantation, à partir de la pelletisation jusqu'à la centrale électrique. Une centrale de 150 MWe alimentée à la biomasse consomme de l’ordre de 500 000 T de granulés par an.
La pelletisation devient le standard pour le conditionnement de la biomasse. Cette technologie s’applique à d’autres types de biomasses que le bois, comme les déchets agricoles de type paille, brou de tournesol…
Une nouvelle technologie en phase de recherche est la torréfaction des pellets, procédé qui confère plus de stabilité mécanique, un PCI supérieur de 21 à 22 MJ/kg équivalent au charbon, une insensibilité à l’humidité, probablement moins d’émissions de poussières et devrait générer moins de risque d’explosion. Les pellets ainsi torréfiés sont nommés également « biocoal ».
Les pellets ayant, comme mentionné ci-dessus, leurs avantages et désavantages, d’autres types de biomasse sont utilisés, évidemment en fonction de leur disponibilité sur le marché et notamment en fonction de la proximité des centrales électriques ou des unités de cogénération. En général, en Europe on dispose de déchet du bois (ou bois en fin de vie) du bois forestier et des biomasses d’origine agricole tels que la paille, la balle de riz, le brou de tournesol, les résidus d’olives, les moûts de vinification, les résidus d’élagage des vignes et arbres fruitiers.
Les bois frais des coupes forestières et celui en fin de vie peuvent être utilisés sous forme de plaquettes, ce qui réduit fortement la consommation d’énergie par rapport à la pelletisation. L’inconvénient est la faible densité massique et énergétique de ces plaquettes, ce qui réduit en cas de transport de grandes quantités la compétitivité de ces plaquettes. Le tableau suivant reprend ces caractéristiques:
|
Puissance calorifique (densité énergétique) |
Densité massique |
Bois frais |
8 à 10 MJ/kg |
300 kg/m³ |
Bois en fin de vie |
12 à 14 MJ/kg |
250 kg/m³ |
Pellets |
16.5 à 17.5 MJ/kg |
600 kg/m³ |
Concernant la production de biomasse on peut aussi mentionner les cultures énergétiques comme le phalaris, le switchgrass, le miscanthus. Ces plantes ont l’avantage d’avoir une croissance rapide avec utilisation de sols non agricoles mais ne satisfont pas nécessairement aux critères de disponibilité et de biomasse durable.
Pour clore ce chapitre il faut dire aussi que d’autres types de biomasse problématiques pour l’environnement sont disponibles en énormes quantités dans certaines régions du monde, tels que : l' « invader bush » en Namibie [broussaille épineuse, qui a envahi le pays au détriment d’autres cultures et qui représente une menace aussi bien pour la flore que pour la faune avoisinante], les arbres à caoutchouc en fin de vie, les forêts infectés par la parasite « Mountain Pine wood Bettle » au Canada, etc...
Technologies disponibles
Nous avons déjà mentionné l’utilisation des chaudières fonctionnant avec combustibles pulvérisés. Afin d’augmenter la flexibilité d’utilisation du combustible, de réduire la consommation énergétique pour le broyage ainsi que les risques liés à l’explosion, d’autres technologies sont envisagées comme le lit fluidisé. Au-delà de puissances de 120 MWth (Megawatt thermique) le plus utilisé est le lit fluidisé circulant ou « CFB ».
Les avantages de cette technologie sont multiples :
- flexibilité relative à l’utilisation de divers combustibles comme bois sous diverses formes (plaquettes et pellets), bois frais et en fin de vie, agri-biomasses, tourbe, charbon, etc... par ailleurs les pellets peuvent être enfournés non broyés ;
- stabilité accrue des paramètres vapeur due à l’importante inertie thermique du lit fluidisé qui écrête l’instabilité du PCI ou débit du combustible ;
- possibilité de combiner cette technologie avec une chaudière de type « once-through ».
Des études de faisabilité pour des nouvelles unités spécifiquement développées pour la biomasse jusqu’à une puissance de 400 MWe ont montré que les rendements de telles unités peuvent être significativement augmentés et avec un rendement électrique net de 44 %, se rapprochant du rendement de centrales électriques charbon à haute performance, type USC.
La biomasse n’est pas un phénomène de mode. La production de chaleur et d’électricité utilisant ce combustible se développera dans les années à venir jusqu’au point d’équilibre avec le potentiel de la ressource. La biomasse aura sa place dans le panel diversifié des modes de production d’énergie dans le futur.
Plus d’informations sur les activités de Tractebel Engineering en énergies renouvelables ?
Contact :
Ir. Robert Berdal
Product Director Renewable Energy
Tractebel Engineering S.A.
Tel : +32 2 773 87 08
Email : Robert.Berdal@gdfsuez.com
http://www.tractebel-engineering-gdfsuez.com
De gauche à droite :
Ir. Hervé Macau : Product Manager Wind Onshore and Photovoltaic
Ir. Emmanuel van Vyve : Product Manager Biomass, Concentrated Solar Power and Geothermy
Ir. Fiona Buckley : Product Manager Wind Offshore and Marine Energy
Ir. Robert Berdal : Product Director Renewable Energy
Ir. Sandrine Bosso : Business Developer Cities of Tomorrow
Ir. Grégory Bartholomé : Project Manager Renewable Energy
L’expérience de TE en Energie Renouvelable
Employant plus de 3 300 personnes dans le monde entier, Tractebel Engineering (GDF SUEZ) est une société internationale d’ingénierie offrant des solutions complètes et une assistance technique aux acteurs des secteurs de l’électricité, du nucléaire, du gaz, industriel et de l’infrastructure tant publics que privés. Depuis le début de l’ère renouvelable, Tractebel Engineering s’est dotée d’une équipe d’ingénieurs dédicacée aux énergies renouvelables telles l’éolien onshore et offshore, les énergies marines, l’énergie solaire photovoltaïque et à concentration, la biomasse et la géothermie.
Notre objectif est de procurer à nos clients des solutions techniquement innovantes et durables, et ce tout au long de la vie de leurs installations. Notre équipe d'ingénieurs, travaillant exclusivement dans le secteur des énergies renouvelables, est soutenue par nos centres de compétence spécialisés en génie civil, géotechnique, mécanique et électricité.
Notre domaine d’expertise couvre les premiers stades du développement des projets avec la sélection des meilleurs sites, l’analyse de la ressource solaire/éolienne, les études d’acceptabilité de la production renouvelable par le réseau électrique et les plans de production devant servir de base aux décisions d’investissements. Ensuite, notre expérience couvre la conception et le suivi de réalisation des projets d’énergie renouvelables, incluant les études de faisabilité, la préparation des spécifications techniques, la gestion des appels d’offre, la négociation des contrats avec les fournisseurs, le suivi de la réalisation incluant la mise en service et les tests de performance, ainsi que le support à l ‘exploitation et à la maintenance.
La compétence de Tractebel Engineering en énergies renouvelables s’est exprimée au travers de nombreux projets réalisés ces dernières années à travers le monde. Citons entre autres le parc éolien Caribou de 100MWe au Canada, le parc éolien offshore C-Power de 320MWe en mer du nord, la centrale à concentration solaire (CSP) de 100MWe en Afrique du Sud, la centrale biomasse Green Unit en Pologne, …
Ces missions témoignent de notre expertise en énergie renouvelable et montre la reconnaissance du marché international envers les capacités de Tractebel Engineering à gérer des projets de grande taille.
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