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1 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 La recherche

1 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 La recherche et l’innovation au service de la mise au point de nouveaux biocarburants Exemple de la transformation thermochimique de la biomasse Paul Lucchese Directeur des NTE, CEA paul.lucchese@cea.fr 2 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Introduction Les biocarburants obtenus par transformation thermochimique (BTL): une voie de produire des carburants de synthèse – plus massivement, et contribuer aux objectifs français et européens sur l’énergie – avec des bilans CO2 et plus généralement environnementaux beaucoup plus favorables que la première génération – de la création de valeur économique (création d’emplois en France surtout sur la collecte de la ressource) et à l’exportation à travers d’une filière globale européenne – Amélioration des rendements de transformation par des possibilités d’évolution et d’innovations: • de couplage avec d’autres énergies, • de synergies avec la « Troisième génération » • De production d’Hydrogène (BTH) et d’autres carburants et produits 3 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Le procédé thermochimique de gazéification Collecte Transport Pre-Traitement 50-600° C Gazéification 700-1400° C Pression partielle air, O2, H2O Nettoyage et conditionnement du gaz Carburant de synthèse Diesel Fischer-Tropsch (-CH2-)n Methanol (CH 3OH) DME (C2H5OH) BIOMASSE C6H9O4 Cogénération électricité Chaleur Separation et shift production d’H2 Syngas: CO, H2, CO2, H2O, CH4 + goudrons, composés inorganiques,… H2/CO ~2 Pas de CH4 Goudrons < 1 mg/m3 Inorganiques ~1 à 10 ppb H2/CO : pas de critère CH4 : souhaitable goudrons~100 mg/m3 Composés inorganiques ~1 à 100 ppm Electrolyse ~280 kJ/mol Gazéification ~70 kJ/mol solid or liquid injection BTL BTH 4 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Problématique: Transformer du bois en biodiesel au coût minimal, en quantité maximale et de façon durable Prétraitement Gazéification Conditionnement du syngas biomasse Synthèse Fischer-Tropsch Hydro - Isomérisation naphta diesel Etape 1: •Fischer Tropsch: haute pression et pureté maximale des gaz, • minimiser investissement/Tep produite, grande capacité •Ratio H2/CO = 2 Etape 2: contrainte gazéifieur: Haute température, capacité travail pression, extrapolable à grande capacité et fiabilité de fonctionnement Diminuer cout investissement Diminuer les pertes thermiques Etape 3: Caractéristique gazéifieur T,P, Capacité Préparation introduction de la biomasse Flexibilité de la charge Etape 4: commente encore augmenter les rendements énergétiques, massiques Chaleur 5 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Influence de la taille sur les pertes thermiques % Heat loss 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 Plant capacity (MWth) Heat loss (%) 1 Mt de bois/an 100 000t de bois/an 0 1 2 3 4 5 6 7 8 500 600 700 800 900 1000 1200 1300 1400 T( ° C) moles C solide H2 CO CO2 CH4 H2O H2/CO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 500 600 700 800 900 1000 1200 1300 1400 T( ° C) moles C solide H2 CO CO2 CH4 H2O H2/CO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 500 600 700 800 900 1000 1200 1300 1400 T( ° C) moles C solide H2 CO CO2 CH4 H2O H2/CO Influence de la Température Taille de unités de production et niveau de température 6 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Les technologies de gazéification existantes • Elles se distinguent par les caractéristiques techniques: – La nature du gazéifieur: lit fixe, lit fluidisé, réacteur à flux entrainé – La nature des charges introduites: liquide, solide, slurry – Les conditions de pression, température – L ’intégration plus ou moins complète des différents composants • Elles se distinguent par les applications – Fabrication de biocarburants – Fabrication de carburants de synthèse et produits chimiques • À partir de charbon, petcoke, gaz naturel … – Cogénération La technologie Réacteur à Flux entrainé est la plus adaptée pour l’objectif BTL 7 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 La préparation de la biomasse: un point dur Schéma de principe du réacteur de pyrolyse flash ‘’twin-screw’’ de Lurgi/FZK • Technique de traitement mécanique: pas adapté pour l’introduction dans les réacteurs RFE sous pression • Technique de pyrolise rapide, flash • Technique de torrefaction 8 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Technologie de RFE Biomasse sèche Choren/Shell slurry/solide sec Siemens SFGT Slurry Lurgi Air Liquide MPG Slurry ConocoPhillips Liquide Shell SGP solide sec Shell SCGP Slurry GE (ex Texaco) Charge Technologie de gazéification à flux entraîné Il n’y a pas de technologie industriellement prouvée pour l’objectif BTL aujourd’hui En Europe 9 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Les améliorations et innovations à apporter Extrapolation, Démonstrateur Retour d’expérience Industrialisation Première génération à partir de 2015-2020 Intégration thermique Intégration process global Intégration Procédés Etude de stabilité du procédé Etude des alcalins et des inorganiques Business modèles, Bioraffineries ACV, Etude ressources Etude technico économique Procédés allothermiques Couplage Energies Non CO2 Couplage Biocarbuarnts 3G Innovation Instrumentation en lignes Conduite du process Modélisation simulation Etude Matériaux Compréhension Physico chimiques des phénomènes Recherche de base Catalyseurs, étape finale de nettoyage, filtration Purification gaz et FT Transport et introduction de la biomasse Développement de bruleur Robustesse procédé par rapport à la variabilité de la ressource gazéification Développement torréfaction Homogénéisation traitement thermique Préparation de la biomasse 10 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 IFP/Axens: épuration des gaz, Fischer Tropsch, préparation de la biomasse, procédés, intégration, commercialisation licensing CNRS, Universités (Nancy) : matériaux, procédés CEA: Positionnement sur la filière thermochimique pour la production de carburants de seconde génération (BtL, BTH) ou pour la cogénération avancée (couplage SOFC) Une équipe de 20 personnes depuis Principaux thèmes d’étude : La ressource : caractérisation et prétraitement Les technologies de gazéification Utilisation du CO super critique modèles physiques et outils de simulation Instrumentation et matériaux Voies allothermiques plasma, H2 et couplage nucléaire L’épuration et la mise aux spécifications du gaz Les évaluations technico-économiques et la macro-économie (ITESE) Soutien au projet BtL de Bure-Saudron Les forces de R&D en France sur la gazéification BTL 11 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Un premier ensemble d’outils expérimentaux au CEA uniques en France mais encore insuffisants LFHT 40 bar 1000° C 1 kg/h continuous Started end of 2005 8 tests performed PEGASE 4 bar 1600° C during 2 s 2 Nm3/h First test november 2006 To be coupled with LFHT beginning of 2007 BIOMAP Torche Plasma 25 kW 12 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Évaluation technique, économique et environnementale Recherche de base: de nouveaux outils à développer Simulation de Procédés Modélisation et simulation de réacteurs chimiques (opérations unitaires) Modélisation Physicochimique •Thermodynamique •Transports et Transferts (masse et énergie) •Cinétique chimique Particule (µ µ µ µm – mm) Opération unitaire (m) Procédé - usine Filière •Génie de la réaction chimique •Échanges de chaleur •Mécanique des fluides •Données de procédés •Structures de rendement des opérations unitaires •Température et Pression Modèles de réaction hétérogène solide/gaz Résultats expérimentaux Logiciels laboratoire Logiciels laboratoire ou commerciaux Logiciels commerciaux (ProsimPlus) Calcul des bilans de matière et d’énergie •Coûts d’investissement, de main d’œuvre et de fonctionnements •Émissions, effluents •Monétarisation des externalités Dimensionnement et optimisation d’opérations unitaires Calcul des bilans économiques et environnementaux Échelle 13 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 C6H9O4 + 2 H2O => 6 CO + 6,5 H2 La combustion consomme ~ 2C et 2 H2 Restent: 4 CO + 4,5 H2 Réaction de Gaz-Shift: 1,5 CO => 1,5 H2 Rendement masse ~ 15% Restent 6 CO + 6,5 H2 Shift 2 CO=> 2 H2 Rendt masse ~30 % Pas de shift, mais Apport H2 externe Rendt masse ~ 48 % Autothermique Allothermique (énergie externe) La synthèse de biocarburant nécessite: H2/CO ~2 Les procédés allothermiques : augmenter le rendement masse Réaction de gazéification idéale : une réaction endothermique Plasma H2 LF Pré- traitement Reformage thermique Nettoyage Refroidissement shift RFE F.T. Hydrocraquage plasma H2 recycle 14 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Cartographie de la R&D européenne IFP CEA PANEL DE L’OFFRE Rech. amont (compréh. phénom., analyse…) Pré-Traitement (pyrolyse, torréfaction) Gazéification labo Comp. Annexes (TE, ACV, modél.) pilote Post- traitement Synthèse Carburant ECN IEC Freib. FZK Aston VTT KTH U. Stuttgart Force Tech. CUTEC PARTENAIRES FRANCAIS COMPLEMENTAIRES MAIS DE PETITE TAILLE POLE ALLEMAND DE RECHERCHE AVEC DES MOYENS IMPORTANTS ET COUVRANT L’ENSEMBLE DE LA FILIERE ACTEURS DISPOSANT DE MOYENS IMPORTANTS, TRES IMPLIQUES AU NIVEAU EUROPEEN ~40p ~40p 15 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Le CEA et CNRS travaillent sur de technologies de rupture complémentaires des biocarburants 2G • Production massive d’hydrogène à partir du nucléaire et Production d’hydrogène à partir de renouvelables – 40 personnes • Biocarburants 3 ème génération Bio huiles (Cadarache) et Biohydrogène – 30 personnes, labo mixte CEA CNRS • Des moyens de calcul et de simulation Certaines microalgues accumulent jusqu’à 60% de leur poids sec en lipides en réponse à une carence minérale (N, Si,…) Microalgues HélioBiote c 16 Paul Lucchese, CEA Audition OPCST, Biocarburants 1 octobre 2008 Conclusion(1/2): une R&D en France à uploads/Industriel/ annexe-2-cr-biocarburants.pdf