24 janvier 2009

Le Miscanthus

 

temporaire2Si actuellement le bois énergie est souvent issu de la récupération de déchets, il pourrait à l’avenir faire de plus en plus l’objet de cultures dédiées. Pour de telles cultures énergétiques, ce sont les taillis à croissance rapide ou encore le miscanthus qui offrent les meilleurs rendements à l’hectare. De plus, ces plantes possèdent des propriétés de dépollution des sols, et ne nécessitent aucun engrais chimique.

 

 

 

 Miscanthus ; récolte tous les ans (source ARDN) : 

-  Coût de revient des copeaux : environ 15€/MWh ; il peuvent également être transformés en granulés.

- Ratio énergie produite/énergie nécessaire (machines de récolte, …) : 32 

- 15 à 20 t/ha/an 

- PCI 4600 kWh/tonne à environ 20% d’humidité

- Environ 83 MWh/ha/an 

-  Rendement énergétique du la cellule solaire équivalente :

On peut considérer une culture énergétique comme une grande cellule solaire : l’irradiance solaire étant d’environ 1220 kWh/m²/an pour cette localisation géographique, on peut calculer le rendement énergétique d’une telle cellule : 0,68% ; un champ de panneaux photovoltaïques aurait quant à lui un rendement d’environ 5% (valeur issue des caractéristiques des centrales solaires construites par BP Solar ; les modules ont un rendement d’environ 15% mais ont un certain espacement). 

- La consommation française de chauffage (énergie finale) des secteurs résidentiel et tertiaire s’élevait en 2003 à 420 TWh. A 83 MWh/ha/an, une plantation de miscanthus de 5 millions d’hectare suffirait donc à couvrir la totalité de ces besoins. La surface agricole utile en France étant de 29 millions d’hectare, cela représenterait 17% de cette surface. Même s’il n’est pas question de considérer ces cultures énergétiques comme unique solution en terme d’énergie renouvelable, ces ordres de grandeurs montrent le très important potentiel de production énergétique de ces cultures.

Production d'électricité ou cogénération à partir du Miscanthus, comparé à d'autres energies renouvelables :

Le tableau ci-dessous compare la culture énergétique de miscanthus, en terme de coût de revient du MWh produit et de MWh produit par unité de surface, à deux autres filières d’énergie renouvelable : l’éolien et le solaire photovoltaïque.

temporaire

 

 

 

1: source INES, irradiance solaire 1220 kWh/m²/an, rendement global centrale solaire 5%, durée de vie 20 ans 

2 : source SFP, éoliennes de 2,5 MW, disponibilité 30%, espacement 360 m, durée de vie 20 ans 

3 : premier chiffre MWh électrique pour un rendement électrique de 33% ; chiffre entre parenthèses MWh thermique ; coût fonctionnement centrale thermique hors combustible : 10€/MWhe (source commission européenne)

On constate que même si la production à l’hectare du miscanthus est très inférieure à celle possible avec l’éolien ou le solaire, son coût de revient est sensiblement plus faible, même en production d’électricité seule. De plus, cette filière présente l’avantage d’une énergie stockable et capable de répondre aux variations de la demande du réseau électrique, contrairement aux énergies solaire et éolienne qui sont intermittentes.

Dossier rédigé par Jean-Dominique Thomassin et François Didier, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Metz

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24 octobre 2006

Huile Végétale Pure

sonnenblume1

Voici la nouvelle version du document très complet d'Yves Lubraniécki concernant l'huile végétale pure en tant que carburant.

ENERGIE_ET_DEVELOPPEMENT

Rappelons que l'huile végétale pure, c'est à dire n'ayant subie aucune transformation, peut être utilisée directement dans un moteur de type Elsbett. Sinon, elle peut être transformée en biodiesel afin de pouvoir être utilisée dans un moteur diesel conventionnel.

L'huile végétale peut être produite avec un bon rendement à l'hectare (4 000 L/an/ha) dans des régions ensoleillées tels les pays d'Afrique, grâce à une variété de palmier produisant une grande quantité d'huile. Ce serait égallement un moyen de dynamiser ces régions pauvres.

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27 septembre 2006

Du bioéthanol à la pompe en France

bioethanolLe ministre de l'économie Thierry Breton a annoncé mardi 26 septembre, que du biocarburant serait disponible à la pompe d'ici un an. L'objectif annoncé est une disponibilité dans 500 stations françaises, au prix de 0,80€ le litre.

On attendait une telle nouvelle depuis longtemps, alors qu'en Allemagne on peut trouver du biodiesel dans les stations depuis plusieurs années.

En France, le biocarburant dont il est question est le bioéthanol, ou plus précisément l'E85, un mélange de 85% d'éthanol et de 15% d'essence.

Contrairement au biodiesel qui est utilisable seulement dans un moteur diesel, l'E85 est utilisable dans les moteurs essence uniquement. Le choix de privilégier ce type de carburant est surprenant, alors que la majorité des Français roulent aujourd'hui au diesel. Ceci dit, ce choix n'est pas dénué de sens sur le plan environnemental, car les moteurs essence rejettent bien moins d'oxydes d'azote que les moteurs diesel.

Il faut ajouter que l'éthanol possède un indice d'octane très élevé (environ 120) qui permet un plus grand taux de compression, et donc un meilleur rendement du moteur. Le passage de l'essence au biocarburant ne se fait donc pas au dépend des performances, bien au contraire.

On peut rouler à l'éthanol dans un véhicule à moteur essence, certes, mais celui-ci doit être spécialement adapté. Sans modifications, on peut mettre jusqu'à 20% d'éthanol dans l'essence, mais au delà des problèmes peuvent apparaître. Les durits doivent résister à l'attaque de l'alcool, et l'électronique d'injection et d'alumage doit être programmée différemment. Ainsi, pour rouler avec une forte proportion d'éthanol, il faut utiliser un moteur spécialement adaptée. Le surcoût est faible, les modifications étant légères. Des véhicules "flex fuel" capables d'utiliser n'importe quelle proportion de mélange essence-ethanol sont dors et déjà utilisés à grande échelle au Brésil. Ils devraient être disponibles en France d'ici un an.

D'un point de vue financier, l'essence verte seraient vendue aux alentours de 0,80€/L, contre 1,20€/L actuellement pour l'essence conventionnelle. Avant de tirer une conclusion, il faut tenir compte du fait qu'un litre d'E85 contient 30% d'énergie de moins que l'essence. Un litre d'essence contenant 10kWh (36MJ) d'énergie, un calcul rapide montre qu'il faudra 40% d'éthanol de plus que d'essence pour parcourir la même distance (si l'on ne tient pas compte d'une éventuelle augmentation du rendement du moteur due à l'indice d'octane du biocarburant). Ainsi, l'équivalent en énergie d'un litre d'essence coutera 0,80€ + 40% donc 1,10€ environ.

Rouler à l'éthanol coûtera donc légèrement moins cher que rouler à l'essence, mais plus cher que de rouler au gazole. Au niveau du coût à l'achat du véhicule, un véhicule acceptant l'éthanol comme carburant sera légèrement plus cher qu'un véhicule n'acceptant que l'essence, mais restera moins cher qu'un véhicule diesel. Ainsi, l'usage de l'éthanol se révèlera être un compromis intéressant entre l'essence et le diesel.

Du point de vue de l'agriculture, l'éthanol possède un meilleur rendement à l'hectare cultivé que le biodiesel, mais sa culture nécessite plus d'énergie. Actuellement, le bioéthanol est produit sous nos latitudes à partir de la bettrave à sucre, ou à partir de la canne à sucre au Brésil. Mais rappellons que les techniques de production actuelles sont amenées à changer radicalement , avec le développement de la filière de production d'éthanol par hydrolyse enzymatique. Avec cette nouvelle méthode, il faudra bien moins de surface cultivée et d'énergie pour produire cette essence verte. De plus, des espèces végétales diverses seront utilisables, notamment des taillis à croissance rapide. A noter égallement que l'éthanol peut être produit à partir de certains déchets.

L'introduction de ce carburant se révèle donc très intéressante pour l'avenir. Mais on peut s'étonner du fait que parallèlement, l'utilisation de l'huile végétale brute soit toujours interdite en France ...

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20 janvier 2006

Le Méthanol

methanolQuand on parle des biocarburants, on évoque souvent le bioéthanol et le biodiesel. Mais on parle beaucoup moins du biométhanol, qui présente pourtant des avantages très intéressants.

Le Méthanol est parfois appelé "alcool de bois". En effet, on peut en obtenir en distillant du bois. Mais on peut surtout l'obtenir en grande quantité à partir de la filière BTL ; comme dans un gazogène, on gazéifie du bois ou tout autre biomasse (colza, tournesol, et pas seulement les graines, mais bien toute la plante, avec les tiges ...) et on obtient du gaz de synthèse, CO + H2. On fait ensuite réagir ce gaz (appelé jadis "gaz à eau", sa composition est proche de celle du gaz de ville ou gaz d'éclairage) avec de la vapeur d'eau, et l'on obtient du méthanol, CH3-OH. Le rendement de cette filière serait de 5000 litres à l'hectare, soit plus du triple du rendement obtenu avec le biodiesel. Actuellement, le méthanol est surtout produit à partir du gaz naturel (CH4) ; on produit du gaz de synthèse par vapocraquage du gaz naturel, et ensuite on suit la même procédure.

La molécule de méthanol est composée d'un seul atome de carbone pour 4 atomes d'hydrogène, ce qui garantit des faibles rejets de CO2 pour un moteur fonctionant avec cet alcool. Pour comparer, les molécules qui composent l'essence comportent à peine plus de deux atomes d'hydrogène pour un atome de carbone.

Le Méthanol est sous forme liquide dans les conditions normale de température et de pression. Contrairement à l'hydrogène ou au gaz naturel, on a pas besoin de réservoir sous haute pression pour le stocker.

Le grand avantage du Méthanol est de pouvoir alimenter à la fois des voitures à MCI ou des voitures à PAC. En effet, il peut parfaitement alimenter un moteur essence, en étant équivalent à une essence à haut indice d'octane. Une PAC peut se nourir de Méthanol, grâce à l'ajout d'un reformeur embarqué qui convertit le Méthanol en hydrogène. On peut même alimenter certaines PAC directement au Méthanol, sans avoir besoin de reformeur ... Bien qu'au stade actuel de la recherche, les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell, PAC alimentée directement au Méthanol) ne bénéficient pas d'un rendement élevé. En permettant d'alimenter à la fois les moteurs d'aujourd'hui et ceux de demain, le Méthanol pourait bien être l'élément de transition entre l'ère du pétrole et l'ère de l'hydrogène.

Note :
BTL : Biomass To Liquids, nouveau procédé de production de biocarburants
MCI : Moteur à Combustion Interne
PAC : Pile à Combustible

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31 décembre 2005

Les huiles végétales pures, biocarburant utilisable dès aujourd'hui

sonnenblume1L'huile végétale pure (ou brute) est un biocarburant utilisable dès aujourd'hui dans les moteurs diesels, sans aucun risque jusqu'à une proportion de 30% en mélange avec le gazole. Moyennant quelques modifications, on peut rouler à 100% d'huile végétale, que l'on peut trouver à ... 0.06 € le litre ! Voire gratuitement si elle est issue de la récupération. Elle peut également être utilisée dans une chaudière au fioul.

HVB_ENERGIE_ET_DEVELOPPEMENT.pdf
Plaidoyer pour l'utilisation des huiles végétales pures. Page de présentation des travaux de M. Yves Lubraniecki sur la défense des huiles végétales carburant.


Ce biocarburant n'arrange ni l'Etat, ni les grands pétroliers, car il est issu d'une production décentralisée, par les agriculteurs, et il ne requiert aucune transformation consommatrice d'énergie, contrairement au diester (EMHV). Pourtant cette production décentralisée minimiserait les besoins de transport, diminuerait le nombre de camions sur les routes, ...

Un moteur optimisé pour les HVB  existe, c'est le moteur ELSBETT. Son rendement atteint 40%, et il est capable de fonctionner indifféremment au gazole ou à l'huile végétale brute ... Sa mise en oeuvre sur le marché de l'automobile serait aisée dès aujourd'hui, mais les constructeurs et les pétroliers préfèrent investir dans l'hydrogène, qui permettra que ce soient encore les mêmes qui continuent à s'enrichir. Rappelons que les véhicules fonctionnant à l'hydrogène ont un rendement énergétique "du puits à la roue" souvent moins bon que les véhicules actuels, en raison du coût énergétique de la production de ce gaz ... Et que l'hydrogène sera pendant plusieurs décénies produit à partir de ressources FOSSILES.

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17 décembre 2005

Rouler à l'huile végétale

ll est possible, dès aujourd'hui, de rouler à l'huile végétale, avec les voitures d'aujourd'hui. Sans faire aucune modification, on peut utiliser 30% d'huile végétale brute (HVB) en mélange avec 70% de gasole, avec un moteur diesel. Cela marche très bien, sauf sur les dernières génération, type HDI, où l'HVB est mal supportée par les injecteurs.

Le principal problème des HVB est d'être plus visqueux que le gasole, et de figer facilement aux basses températures. En règle générale, il est plus facile de rouler à l'HVB en été qu'en hiver, car il suffit de chauffer un peu l'huile pour qu'elle retrouve la même viscosité que le gasole. Ainsi, il est possible, par temps chaud, de rouler à 100% HVB sans aucune modification.

Pour rouler avec de fortes proportions d'HVB par n'importe quel temps, quelques modifications doivent être apportées. Le principe est d'apporter au moteur une huile suffisement préchauffée pour posséder une viscosité suffisement faible pour être parfaitement supportée par le moteur. Pour se faire, il existe classiquement 2 solutions, et une troisième qui est en fait la combinaison des 2 premières.

La première solution est d'installer un système de bicarburation, de façon à ce que l'on puisse rouler au choix au gasole ou à l'huile végétale. De cette façon, on démarre au gasole, puis, quand le moteur a atteint sa température de régime permanent, on peut passer sur le fonctionnement à l'HVB. On repasse en mode gasole quelques instants avant d'arrêter le moteur, pour nettoyer les injecteurs.

La deuxième solution est d'ajouter un système de préchauffage dans le réservoir, afin de rendre l'huile suffisement fluide. Ce système est forcément au moins partiellement électrique, car il doit fonctionner avant l'allumage du moteur, quand l'électricité est la seule énergie disponible à bord.

La troisième solution combine efficacement les deux autres : il s'agit d'installer un système de bicarburation et un système de préchauffage de l'huile. Le système de préchauffage n'est pas une résistance électrique mais un serpentin où circule de l'eau de refroidissement du moteur. Ce serpentin vient du radiateur, et la température de l'eau est ainsi déjà régulée par la vanne thermostatique déjà existante, à une température de 80°C environ. On démarre au gasole, puis, une fois le réservoir d'HVB chaud, on passe sur le fonctionnement HVB.  Avant l'arrêt du moteur, on repasse quelques instants en mode gasole.

Avec ce système, on peut envisager une vanne permettant d'obtenir n'importe quel mélange d'HVB et de gasole. On peut rouler sans problème avec 100% HVB.

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03 décembre 2005

Résumé sur les biocarburants

           I.      Les 4 types de Biocarburants

Le monde des biocarburants se décompose en 4 grandes familles : l’HVB (Huile Végétale Brute), le biodiesel (EMHV), le bioéthanol (ETBE), et le biométhanol. HVB  et biodiesel sont utilisés dans les moteurs diesel, et bioéthanol et biométhanol sont utilisés dans les moteurs essence. Ces 4 carburants verts permettent des réductions des émissions de GES et aussi de NOx.

-        L’HVB est produit à partir de colza ou de tournesol. On extrait l’huile de la graine par pression à froid, ce qui permet d’extraire environ 85% de l’huile contenue dans la graine, avec éventuellement un procédé d’extraction chimique pour extraire jusqu’à 99% de l’huile. L’huile est ensuite purifiée, puis directement utilisée dans un moteur diesel qui doit subir quelques modifications. Le procédé co-produit des tourteaux, qui peut être vendu comme aliment pour le bétail. Le tourteau est de meilleure qualité si il reste une petite quantité d’huile à l’intérieur, c’est à dire si on n’utilise que la pression à froid comme procédé d’extraction. Par contre, au delà d’un certain niveau de production d’HVB, le marché des tourteaux devait rapidement être saturé, et donc l’écoulement de ce sous-produit deviendrait un problème. On produit environ 1,5 t de tourteau pour 1 tep d’HVB. Les moteurs, pour accepter les HVB, doivent être modifiés ; en effet, les HVB ont une viscosité variant en fonction de la température, et figent par grand froid ; d’autre part, la combustion est plus chaude et l’indice de cétane est plus faible que pour le gazole. Conçus spécifiquement ou adaptés, les MCI utilisant de l’HVB doivent permettre un contrôle de la viscosité de l’huile en fonction de la température. Classiquement, on a des systèmes de préchauffage de l’huile afin de garantir une viscosité suffisamment faible ; on peut se servir du circuit d’eau de refroidissement pour préchauffer l’huile, dans ce cas on installe un système de bicarburation permettant de démarrer au gazole et ensuite de switcher sur l’HVB. Dans ce cas, on peut rouler jusqu’à 100% HVB. Sans ces modifications, on peut, sur un moteur ancien, utiliser jusqu’à 30 % d’HVB, mais en aucun cas sur un moteur récent type HDI. Les HVB ont pour avantages : une production sans transformation chimique, un bon rendement énergétique global, un pouvoir lubrifiant dans le moteur. Ils ont pour inconvénients : un faible indice de Cétane, une odeur de friture lors du fonctionnement, un rendement par hectare réduit.

-        Le Biodiesel (EMHV) provient, comme les HVB, du tournesol ou du colza. Après pressage, on récupère et on filtre l’huile, puis on opère une réaction d’estérification, avec un léger apport de soude et de méthanol (ou d’éthanol). La réaction peut se faire sans soude, mais elle est alors beaucoup plus lente. Le biodiesel peut être consommé dans n’importe quel moteur diesel, sans modification majeure, même dans les diesel de nouvelle génération. Par contre, on l’utilise rarement à 100%, bien que ce soit possible. Classiquement, on a un mélange 50-50 avec du gazole dans les flottes captives. Le bilan énergétique est un peu moins bon que pour l’HVB, car la réaction d’estérification nécessite de l’énergie. Le Biodiesel a pour avantages : une absence d’odeurs, une utilisation possible sans modification sur les moteurs, un rendement énergétique correct, un pouvoir lubrifiant. Il a pour inconvénients : un rendement par hectare réduit. Le Biodiesel peut également être produit à partir de gaz de synthèse, lui même obtenu par gazéification de biomasse (procédé BTL). Le rendement surfacique est alors bien meilleur, car on utilise la totalité de la plante et non pas la graine uniquement. L’EMHV peut enfin être produit à partir d’algues, composées à 50% en masse d’huile, le rendement surfacique est alors jusqu’à 20 fois supérieur à celui obtenu avec du colza.

-        L’éthanol est utilisé dans les moteurs essence, à hauteur de 15% dans un moteur non modifié et jusqu’à 85% dans un moteur adapté (flex-fuel au Brésil). Il peut être produit à partir du blé, de la canne à sucre, ou de la betterave. Sous nos latitudes, la production à partir de canne à sucre n’est pas envisageable, mais c’est elle qui est utilisée avec grand succès au Brésil. L’éthanol possède un fort indice d’octane, mais une faible capacité énergétique : les 2/3 de celui de l’essence. Il possède un effet nettoyant sur le moteur. Pour l’utiliser à plus de 15% dans un moteur, il faut modifier les réglages (injection, avance à l’allumage, …) et mettre des durites résistant à l’attaque de l’alcool. Utilisé tel quel, l’éthanol pose un problème du fait de sa forte volatilité, qui entraîne l’émission de polluants avant même la combustion. Pour remédier à ce problème, l’ETBE à été développé. Mais sa production nécessite de l’énergie, ainsi l’efficacité énergétique final est elle plus faible. L’efficacité énergétique est acceptable lorsqu’on valorise le reste de la plante (la partie qui ne produit pas d’alcool), par exemple en s’en servant pour alimenter en chaleur le procédé de distillation. L’éthanol est produit par fermentation aérobie et distillation, mais une autre méthode est à l’étude : l’hydrolyse enzymatique ; ce procédé permettrait de produire de l’éthanol à partir de taillis à croissance rapide. Les rendements pourraient être améliorés de façon significative avec ce procédé. L’éthanol a pour avantages : un rendement à l’hectare élevé, un fort indice d’octane. Il a pour inconvénients : un faible rendement énergétique, une modification des moteurs nécessaire pour rouler à 100%.

-        Le biométhanol n’est pas encore produit à grande échelle. Il est issu de la filière BTL. Après gazéification de la biomasse, est obtenu par synthèse du gaz obtenu. Doté d’une combustion très propre, il pourrait être produit avec des rendements élevés, étant issu de l’efficace filière BTL.

       II.      Un mot sur le BTL

Le BTL (Biomass To Liquid) consiste à gazéifier par chauffage, de la biomasse (bois, feuilles, tiges, colza, …). De multiples variétés de plantes peuvent être utilisées. On obtient du gaz de synthèse (CO + H2), qui est ensuite transformé en méthanol. A partir du méthanol, on peut obtenir du gasoil de grande qualité, extrêmement propre et performant. Le principal avantage du BTL est de valoriser la totalité de la plante en biocarburant, et non pas uniquement les graines par exemple. On obtient ainsi des rendements à l’hectare élevés, de l’ordre de 5 fois supérieurs à la filière classique. Pour apporter la chaleur nécessaire à la gazéification, on brûle une partie de la biomasse, classiquement, ou bien, selon un nouveau procédé à l’étude, on utilise des arcs électriques. Ce dernier procédé permet de transformer la totalité de la biomasse en biocarburant ; par contre, elle impose l’utilisation d’énergie électrique.

   III.      Un mot sur les algues

Il existe des algues capables de produire de l’huile une fois pressées, et donc du biodiesel, comme on le ferais avec du tournesol ou du colza. La différence, c’est que l’huile compose 50% de la masse de ces algues, alors que le colza n’est composé que d’environ 15% d’huile. De plus, alors qu’une seule récolte par an n’est possible pour les plantes habituelles, ont peut récolter les algues plusieurs fois par semaine, en raison de leur croissance très rapide. Ces algues monocellulaires sont bien adaptées à la culture dans des réacteurs automatisés, qui ont l’apparence de panneaux solaires verts à structure tubulaire. Ces organismes absorbent une grande quantité de CO2 ; leur production est maximale lorsqu’on leur injecte  une grande quantité de CO2, et lorsqu’ils bénéficient d’un fort rayonnement solaire. Ces algues sont même capables de se nourrir et ainsi de valoriser certains déchets. Il est possible de coupler une unité de production de biocarburant à partir d’algues à une industrie émettrice de CO2, une centrale électrique au charbon par exemple. Dans ce cas, les algues absorbent le CO2 produit par la centrale, et purifient ainsi les gaz rejetés.

Cela revient à avoir un carburant totalement propre, sans émissions de CO2, car le CO2 rejeté par le moteur lors de la combustion du biocarburant est celui qui a été absorbé par les algues dans les rejets de la centrale. On estime qu’une superficie de 200 000 ha placées dans le désert produiraient 28 milliards de litres de biocarburant chaque année, soit la totalité de la consommation des Etats-Unis ! Le rendement à l’hectare est de l’ordre de 90 fois celui du colza, et 25 fois celui de la Betterave !

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