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Des solutions à la combustion

Il y a peu de risque avec la technologie éprouvée de combustion de la biomasse, mais il en va autrement quand il est question de production combinée électricité / chaleur dans une usine de petite capacité ou de bio-raffinerie.


26 mars 2013
Par Fernando Preto CanmetÉnergie RNC

Sujets
La biomasse brute n’est pas une matière uniforme, elle est souvent humide, difficile à manipuler et à entreposer.

La bonne nouvelle pour les Canadiens qui voudraient avoir recours à la biomasse forestière pour produire de la cha-leur, c’est qu’il existe une technologie qui a fait ses preuves et qui est facilement accessible pour à peu près n’importe quelle taille d’installations, des poêles à bois jusqu’au gros complexe industriel. Afin de ne pas faire peser de risques sur votre investissement, il faut toutefois soigneusement jumeler l’approvisionnement en fibre, dont la logistique doit être analysée en détail, avec la chaudière qui lui convient.

Il en va de même pour les usines de production combinée d’électricité et de chaleur où les grosses centrales d’électricité de, disons, 10 mégawatts (MW) ou plus. Cependant, quand on regarde de plus près les petites installations, notamment celles de moins de 3 MW, celles qui s’avèrent rentables constituent plutôt des exceptions que la règle courante dans le contexte canadien actuel. De la même façon, si on examine les bio-raffineries, qu’elles cherchent à produire des carburants gazeux, liquides ou solides, on s’aventure encore plus loin dans le domaine expérimental et celui du prototype, là où les néophytes en la matière et ceux qui n’ont pas une bourse bien garnie devraient être prudents.

Revenons plutôt au monde relativement simple de la combustion de biomasse pour la production de chaleur, avec un choix entre les chaudières à grille et celles avec les lits fluidisés.

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La chaudière à grille
La chaudière à grille comprend un convoyeur contrôlable qui alimente en biomasse la chambre de combustion au moyen d’une grille sur laquelle repose la matière qui se consume. Il existe différents types de grilles : fixes ou stationnaires, mobiles ou à gradins, et vibrantes. Leur principe de base est le même : la biomasse brûle complètement en traversant le lit de combustion de telle sorte que, à la sortie, il ne reste plus que des cendres.

Cette méthode éprouvée qui donne en général un rendement thermique de 60 à 80 %, présente plusieurs avantages.

  • Elle permet un large éventail quant à la taille des projets, de moins de un mégawatt (énergie thermique) à 250 MW (é-mergie thermique). En fait, la plus grosse usine consommant de la biomasse en Amérique du Nord, celle de 66 MW (énergie thermique) exploitée par Epcor à Williams Lake en Colombie-Britannique, possède une chaudière à grille. En comparaison, l’usine de production combinée électricité / chaleur exploitée par Taylor Lumber en Nouvelle-Écosse (voir le numéro de décembre 2008 de Canadian Biomass) génère 1.1 MW au moyen elle aussi d’une chaudière à grille.
  • L’investissement en capital est relativement faible. Parmi les chaudières industrielles ou commerciales sur le marché, elles sont les moins chères; c’est pourquoi on les retrouve dans de petites installations telles les serres ou les scieries, où l’investissement en capital est un facteur déterminant.
  • Cette méthode produit peu de poussière puisqu’elle fonctionne avec peu d’air (alors que l’injection d’air dans le système de combustion génère de la poussière).
  • Des fournisseurs largement déployés, dont plusieurs au Ca-nada, en facilitent la disponibilité.

Sa conception n’est toutefois pas sans défaut. Les chaudières à grille, selon leur application, peuvent présenter les inconvénients suivants.

  • Un mélange médiocre du combustible est possible, particulièrement en mode mixte (par exemple avec la boue dans les usines de pâtes ou le charbon dans d’autres applications).
  • Des niveaux élevés d’humidité peuvent occasionner des problèmes. Cette technique peut accepter une certaine variation dans le combustible, mais le taux d’humidité doit généralement se maintenir à 40 % ou moins. Mais il doit aussi être de plus de 5 % car certains systèmes ne supportent pas une chaleur trop intense qui pourrait entraîner une surchauffe ou des dommages aux matériaux de la grille. Si le combustible brûle à une température trop élevé, les résidus de combustion pourraient aussi fondre, se coller à la grille et bloquer son mécanisme.
  • Des problèmes peuvent survenir en raison de la présence de pierres ou de pièces de métal qui, en tombant, coincent les mouvements de la grille.
  • La chaudière à grille peut dégager plus d’émissions lorsqu’elle fonctionne avec un chargement réduit. Lorsque vous maintenez un feu très faible en période de basse demande, l’efficacité du mélange est moindre et vous produisez de la fumée. Les serres peuvent jusqu’à un certain point contour-ner le problème en ayant recours à de grands réservoirs d’eau chaude : elles réchauffent l’eau durant la nuit et l’utilisent ensuite durant le jour pour chauffer les serres, l’appareil de chauffage est alors éteint plutôt que de tourner au ralenti.

En raison de certaines de ces contraintes, le message premier que je transmets aux opérateurs de chaudière à grille, qu’il s’agisse de serres, de scieries ou d’usines de pâtes, est qu’il faut accorder une attention particulière à la qualité du combustible employé. Certains n’apprennent qu’à partir de leurs erreurs : ils achètent une chaudière pour les copeaux de bois et essaient ensuite d’y brûler un autre type de combustible, peut-être moins cher, pour finalement réaliser que ça ne fonctionne pas. La qualité du combustible, en termes de contaminants et du degré d’humidité, est un facteur déterminant pour ces systèmes. Ce message devrait être compris de tous, de l’opérateur jusqu’à l’entrepreneur fournissant le combustible.

Les responsables de la chaufferie se doivent aussi d’acheter un équipement approprié au combustible qui sera utilisé; Le charbon ne brûle pas de la même façon que le bois et le bois ne brûle pas de la même façon que les résidus d’origine agricole. Si vous voulez vraiment brûler des combustibles de nature et de qualité variées, et que l’importance de votre production justifie un plus gros investissement, vous devez alors considérer l’utilisation d’une chaudière à lit fluidisé.

Le lit fluidisé
La force du système avec lit fluidisé réside dans le fait qu’il peut composer avec deux ou trois différents types de combustibles en même temps. Quand vient le temps de choisir une technologie parmi d’autres, il faut soigneusement considérer les sources présentes et futures de combustibles. Si vous votre approvisionnement en venait à changer ou si, pour répondre occasionnellement à une demande accrue, vous aviez besoin d’un approvisionnement mixte ou encore si, à cause de l’état du marché, vous étiez forcé d’accepter des combustibles de qualités variables, retenez alors que les lits fluidisés sont très efficaces avec des approvisionnements mixtes.

Les lits fluidisés sont habituellement constitués de cylindres (ou d’appareils carrés dans les installations de grande envergure) renfermant une petite proportion de sable par rapport à leur hauteur (trois pieds de sable pour un cylindre de 20 pieds de haut comme ceux utilisés dans les laboratoires de CanmetÉnergie à Ottawa). Le fond est percé de trous un peu plus petits que les grains de sable (pour ne pas en perdre bien sûr) à travers lesquels l’air est soufflé à la verticale à une vélocité suffisante pour soulever le sable, un peu comme les boules numérotées qui restent en suspension lors d’un tirage de loterie. Ainsi, lorsque des combustibles de types variés sont ajoutés, ils se mélangent très bien au cours de la combustion.

En plus de sa capacité à bien mêler les combustibles, les lits fluidisés réagissent mieux en présence de combustibles humides. Comme les particules de sable sont préchauffées à une température d’environ 800 degrés, leurs mouvements aideront à mêler et chauffer les matières pour obtenir une combustion efficace, même avec une matière humide comme la boue. En comparaison, un combustible humide inséré dans une chaudière à grille a plutôt tendance à former une motte. Dans un lit fluidisé, la même boue se mélangera et subira un transfert de chaleur beaucoup plus élevé.

Cette technologie offre aussi une bonne réduction de l’oxyde d’azote et une très grande efficacité thermique, entre 75 et 85 % généralement. Elle présente toutefois les inconvénients suivants.

  • A capacité égale, les lits fluidisés sont beaucoup plus dispen-dieux que les chaudières à grille.
  • Ils ne sont pas facilement disponibles pour de petites capacités de production et ils ne sont pas encore rentables pour une production de moins de 10 MW (énergie thermique). Ce n’est pas par hasard que la plus grosse usine de biomasse au monde, celle de Alholmens Kraft en Finlande produisant 550 MW (énergie thermique), utilise un lit fluidisé pour brûler un mélange de biomasse, de tourbe et de charbon.
  • Cette technique nécessite plus d’énergie pour son propre fonctionnement puisqu’elle a besoin d’un compresseur pour souffler l’air à travers le sable.
  • Elle requiert aussi un certain conditionnement relatif à la taille des matières à être brûlées.
  • Son fonctionnement exige plus de formation que celle requise pour une chaudière à grille.

Le dernier point mérite une attention particulière parce que la formation des chauffeurs de chaudières est importante même quand il s’agit d’appareils à grille. À mesure que ces systèmes sont installés dans des serres, des scieries ou pour d’autres applications industrielles, on remarque plus de problèmes reliés à une formation insuffisante. Dans certains cas, les fournisseurs livrent le système, montrent au client comment le mettre en marche, ou donnent des instructions de base sur la mécanique, puis ils s’en vont. Si bien que lorsque des problèmes surgissent, on fait toutes sortes d’essais et d’erreurs pour les résoudre et on subit son lot de frustration et de délais pour tenter de sauver son investissement. La formation de l’employé de chaufferie reste préoccupante, d’autant plus qu’il n’existe pas vraiment de centre de formation au Canada pour améliorer le processus d’apprentissage. CanmetÉnergie discute de ce besoin  avec plusieurs collèges afin d’encourager l’établissement d’un programme pour les technologues en production d’énergie renouvelable.

Beaucoup d’air et d’eau
Bien que de telles techniques de combustion directe aient fait leur preuve, il y a tout de même des contraintes inhérentes au fait d’utiliser la biomasse. D’abord, il s’agit habituellement d’une matière humide, hormis les résidus issus par exemple d’une usine de rabotage. En plus, à poids égal, elle engendre moins d’énergie que la plupart des autres types de combustibles couramment employés. Ces particularités entraînent des difficultés en matière de transport, d’entreposage et de manutention entre autres. Même lorsqu’il est totalement sec, le bois possède généralement la moitié du contenu énergétique de son équivalent de charbon en poids, et le tiers de celui du gaz naturel. En outre, sa densité est très faible comparée à celle du charbon (mais elle est plus levée que celle de la paille).

En combinant ces facteurs, soit un contenu énergétique moindre de la moitié, un volume de cinq ou six fois supérieur et un taux d’humidité qui peut atteindre 60 % dans le cas de la biomasse fraîche, il en résulte que vous avez à remuer beaucoup d’air et d’eau pour produire de l’énergie. Par conséquent, des distan-ces de transport économiquement acceptables pour la biomasse fraîche devraient être bien en dessous de 200 km, ce qui limite l’envergure des installations à peu près partout. Les systèmes de manutention et d’entreposage devront aussi être plus imposants que ceux requis par les carburants conventionnels. Voici quelques facteurs à considérer.

  • Faites au mieux pour obtenir de la biomasse anhydre, ou séchez-la avant la combustion. L’efficacité d’une chaudière diminue de façon significative à mesure que le taux d’humidité augmente : elle peut passer de 80 % avec une matière sèche, à moins de 60 % si le taux d’humidité est de plus de 55 %. Comme vous payez pour transporter une telle humidité, il peut s’avérer plus rentable d’acheter un combustible plus sec. Envisagez de faire des échantillons de chargements et d’acheter sur une base de contenu anhydre, puisque, au final, c’est ce que vous payez par gigajoule qui compte vraiment.
  • Dès les premières étapes de planification d’une usine, analysez minutieusement les phases de transport, de manutention, de séchage et de broyage. Une logistique efficace est indispen-sable à la réussite d’un projet; des méthodes de transport et de manutention déficientes peuvent anéantir l’usine la mieux conçue, alimentée aux combustibles les moins chers.
  • La densification de la biomasse près de sa source pourrait être une avenue intéressante, de même qu’un plus grand territoire d’extraction, si vous avez besoin de gros volumes. La fabrication de granules est une option qui permettra de transformer une biomasse brute, peu commode à manier, contenant jusqu’à 50 % d’humidité et représentant de 50 à 300 kg/m3, en une matière uniforme, humide à moins de 10 % et constituée de 600 à 650 kg/m3.
  • Calculez le coût réel des combustibles qui semblent moins chers. Si vous choisissez des déchets de démolition qui contiennent des contaminants tels des morceaux de cloisons sè-ches, ou que vous pensez utiliser des résidus d’origine agricole disponibles localement, sachez que vous aurez à composer avec plus de cendres. Le bois sec produit généralement moins de 0.5 % de son poids en cendres, les écorces en créent de 2 à 3 %, certains types de paille en produisent de 5 à 10 % alors que le fumier peut atteindre de 30 à 40 % en cendres. Certains de ces résidus de combustion pourraient contenir beaucoup de potassium, et alors ils fondraient à une température beaucoup plus basse, causant des problèmes d’encrassement et d’obstruction.

La cogénération?
Pour les entrepreneurs canadiens, il existe plusieurs options pour la production  rentable d’électricité à partir de la biomasse, mais votre degré de réussite pourrait bien dépendre de l’envergure de votre exploitation. À 10 MW électrique ou plus, l’exploitant a le choix entre plusieurs méthodes éprouvées.

En règle générale, les systèmes basés sur le cycle de Rankine (turbine à vapeur) ne sont pas économiquement acceptables au Canada pour des capacités de production largement sous les 10 MW électrique, en raison principalement des règles du code du travail qui exigent, dans le cas de dispositifs de vapeur à haute pression, la présence continuelle d’un ingénieur sur les lieux, 24 heures par jour, 7 jours par semaine. Il y a des exceptions où des systèmes de moindre capacité se sont avérés une réussite, comme des scieries disposant de leur propre approvisionnement et ayant des besoins en énergie spécifiques. Mais pour la plupart des autres, la capacité de production est un facteur déterminant parce qu’on ne peut se permettre d’embaucher plusieurs ingénieurs pour générer un mégawatt d’énergie.

Pour les petites centrales d’énergie, il y a plusieurs prototypes de systèmes qui sont à l’essai ici et en Europe afin de contourner ce problème lié aux dispositifs à haute pression, comme des cycles basse température / fluide alterné, le cycle de Rankine à fluide organique, le cycle de Brayton, les moteurs Stirling et d’autres. À ce jour toutefois, aucune de ces options ne procurent de l’énergie à un prix abordable si l’on tient compte du coût en capital par kilowatt. La recherche se poursuit.

La gazéification et la pyrolyse
Si des solutions sont disponibles sur le marché en ce qui a trait à la simple combustion, les choix sont beaucoup plus limités si on s’engage sur la voie de la gazéification et de la pyrolyse à partir de la biomasse. Dans ces deux processus, la quantité d’air injectée dans le système varie au cours de la conversion. La gazéification utilise une présence partielle d’air (le tiers de l’air nécessaire à la combustion) afin de convertir la biomasse en gaz combustibles (monoxyde de carbone et hydrogène) qui pourraient alimentés les moteurs d’une petite centrale d’électricité et/ou être raffinés plus avant pour obtenir un carburant et des produits chimiques. La technologie est maintenant disponible pour créer ce type de « gaz synthétique » de façon efficace, mais il y a encore du travail à faire pour le purifier et le rendre commercialisable de manière à ce qu’il puisse être employé dans les génératrices conventionnelles au diésel. La gazéification reste donc un champ de recherche très actif. Pour l’instant, ceux qui s’y activent, comme en Europe, n’arrivent à produire de l’énergie qu’au prix non concurrentiel de 20 cents le kilowattheure (kWh), ou plus.

L’étape suivante est, et de loin, beaucoup plus difficile : raffiner le gaz au-delà de la pureté requise par un moteur et parvenir à ce que ce gaz synthétique puisse être converti en carburant liquide. Si vous prenez le monoxyde de carbone et l’hydrogène en cours de conversion et les placez dans un réacteur avec un catalyseur, vous pouvez obtenir un carburant liquide comme l’éthanol, le diesel ou autres. Ceci présente beaucoup d’intérêt mais un tel niveau de pureté est loin du stade que nous connaissons maintenant. Les ins-tallations industrielles actuelles s’en tiennent à brûler directement le gaz pour obtenir de la chaleur, ce qui n’exige pas un raffinage poussé.

La pyrolyse est un procédé qui produit un carburant liquide organique, appelé « bio-huile » et/ou charbon, en exposant la biomasse à des températures qui dépassent les 350 degrés Celsius, dans une absence complète d’oxygène. Cela fait en sorte d’augmenter la densité du combustible à un registre de plus de 1,200 kg/m3, ou encore de doubler la densité des granules de bois, rendant ainsi le transport et la manutention plus efficace. Mais il est important de rappeler qu’il ne s’agit pas d’huile mais plutôt d’un composé de produits chimiques incluant des aldéhydes, des cétones, des esters et d’autres produits chimiques particuliers. Si on brûle ces produits directement comme combustible, des précautions sont à prendre : une manipulation spéciale puisqu’ils sont corrosifs, des buses modifiées pour les brûleurs, et ils ont tendance à se polymériser ou se solidifier sous une chaleur intense.

Cette liqueur noire présente un potentiel intéressant, soit une amélioration du carburant ou peut-être des produits pharmaceutiques ou des produits chimiques de consommation. Mais il reste beaucoup de travail à achever pour arriver à créer de tels produits à l’échelle industrielle. Les autres problèmes qui sont à résoudre concernent le transfert de chaleur et l’extrapolation pour une usine à pyrolyse éclair (ce qui n’est pas un problème pour les technologies à pyrolyse lente applicables au charbon). Peu d’usines à pyrolyse éclair « bio-huile » semblent être en mesure de fonctionner au-dessus de 100 tonnes par jour, ce qui est très peu selon les standards conventionnels de l’industrie.

En fin de compte, pour un projet opérationnel, vous pouvez retenir la combustion simple pour la production de chaleur à partir d’usines de toutes capacités, ou encore une centrale d’énergie électrique ou une usine de cogénération lorsque la capacité s’approche plus souvent de 10MW (électrique). Il faut prendre garde aux autres énergies émergentes car elles sont encore en développement ou à un stade pré-commercial.   

 


Le Dr Fernando Preto travaille au centre CanmetÉnergie de Ressources naturelles Canada à Ottawa (preto@nrcan.gc.ca)


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