Quelques grandeurs énergétiques importantes

Quelques grandeurs énergétiques importantes

Pouvoir calorifique 

Le pouvoir calorifique d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’une unité de masse de combustible. Il est différent selon la teneur en eau du combustible puisque la vaporisation de l’eau présente dans l’échantillon consomme une partie de la chaleur dégagée par la combustion de l’échantillon. Le pouvoir calorifique s’exprime de deux manières : − le pouvoir calorifique supérieur dans le cas où l’eau produite lors de la combustion est entièrement condensée ; − le pouvoir calorifique inférieur dans le cas où l’eau reste à l’état de vapeur. Compte tenu du degré d’humidité du bois, de la chaleur perdue dans les fumées (vapeur d’eau, cendres) mais aussi de l’azote contenu dans l’air nécessaire à la combustion, le pouvoir calorifique réel d’un combustible est inférieur au pouvoir calorifique supérieur théorique. Il est donné par la relation suivante (Deglise, 1982) : ) ) Avec : PCR le pouvoir calorifique réel (kJ/kg de bois sec), PCS le pouvoir calorifique supérieur (en kJ/kg de bois sec) et H le taux d’humidité (sur base sèche) du bois (en %). Le pouvoir calorifique du bois dépend également de la teneur en lignine, cellulose et résine. Que ce soit chez les feuillus ou les conifères, le pouvoir calorifique anhydre est globalement identique d’une essence à l’autre. Les conifères contenant de la résine présentent par contre un pouvoir calorifique supérieur à celui des feuillus. Il est de 4600 kCal/kg de bois sec pour les conifères et 4300 kCal/kg de bois sec pour les feuillus (Bary-Lenger et al, 1999).

Taux de matières volatiles

 Les matières volatiles représentent l’ensemble des produits gazeux, condensables ou non, qui sont émis par les composés organiques au cours de la carbonisation. Les matières volatiles condensables, hormis l’eau, correspondent au goudron (2 à 4 % lors de la cokéfaction des charbons à coke). Le résidu de distillation à 350-380°C est le brai.

Taux de cendres

Les cendres résultent de la pyrolyse des impuretés minérales et des composés organiques. Elles représentent fréquemment quelques pour cent de la masse d’un charbon. Demirbas Quelques grandeurs énergétiques importantes Chapitre 1 56 (1997) a par exemple réalisé des mesures de taux de cendre sur différents types de biomasse. Il a obtenu un taux variant de 0.4 % pour du hêtre jusqu’ à 13.5% pour de la paille de blé. La composition chimique des cendres peut présenter d’importants problèmes opérationnels. En combustion elles peuvent réagir et former des scories ou une phase liquide si la température est élevée. Cela réduit les débits et augmente les coûts d’exploitation (Mc Kendry, 2002). Il est donc important d’avoir un taux de cendres le plus faible possible lors des process de conversion énergétique de la biomasse.

Taux de carbone fixe

Le taux de carbone fixe désigne la fraction de combustible solide non dévolatilisé après combustion. Directement lié au taux de matières volatiles il permet finalement une mesure de la facilité avec laquelle la biomasse peut être enflammée puis gazéifiée (ou oxydée selon le type d’utilisation énergétique) (Mc Kendry, 2002). Le taux de carbone fixe est directement déterminé à partir des taux de cendres et de matières volatiles déterminés expérimentalement grâce à l’équation suivante : Avec CF le taux de carbone fixe, TC le taux de cendres et MV le taux de matières volatiles. Pour des matériaux naturels, il convient de corriger la valeur obtenue expérimentalement du taux de cendres (af : ash free basis) et du taux d’humidité (daf : dry ash free basis). Dans le domaine de la valorisation énergétique du bois, un taux de carbone fixe important est particulièrement recherché puisqu’il représente la véritable source d’énergie du matériau. C’est le cas dans la sidérurgie où un taux de 85 à 90% de carbone fixe est recherché (Antal et al., 1996). A l’état natif la proportion de carbone fixe dans le bois est comprise entre 20 et 30%. 

Quelques domaines d’utilisation du bois énergie 

Mis à part son utilisation dans le développement des biocarburants de seconde génération, largement décrit dans ce mémoire, il existe de nombreuses applications de valorisation énergétique du bois.

Combustible de chauffage

Aujourd’hui l’application principale du bois énergie est son utilisation en tant que combustible de chauffage : en 2003, 53% de la production mondiale de bois rond a été Revue de littérature 57 utilisée comme bois de feu (FAO, 2005). Depuis la préhistoire et pendant de nombreuses années il a été le seul moyen de chauffage pour l’Homme avant de péricliter au début du 19ème siècle. Ces dernières années, suite à l’augmentation du prix des énergies fossiles et à la volonté grandissante de développer les énergies renouvelables, il connait une renaissance. Utilisé sous forme de bûches, de plaquettes ou encore de granulés, le bois permet par combustion primaire ou secondaire de fournir l’énergie nécessaire au chauffage des bâtiments. En fonction de l’appareil de combustion utilisé et de certaines caractéristiques du matériau (essence, teneur en eau…) le rendement énergétique est variable. Il peut aller de 40 à 50% pour un poêle à bûches d’ancienne génération jusqu’à 85 à 95% pour des poêles à granulés modernes. Aujourd’hui le bois est utilisé comme combustible de chauffage dans les bâtiments individuels et collectifs. Les chaufferies collectives semblent cependant plus avantageuses puisque le coût de l’installation est plus facilement amorti et que les techniques utilisées permettent une meilleure maîtrise des paramètres de combustion. Il est également utilisé dans de nombreuses usines comme source d’énergie complémentaire, c’est le cas notamment des usines de pâte à papier. Dans les centrales dites de cogénération la production de chaleur par combustion de biomasse est couplée à une production d’électricité. Le principal intérêt de cette technique est d’associer le bénéfice d’un rendement élevé par récupération de la chaleur, et de diminuer considérablement les émissions polluantes. Il est également important de noter que dans de nombreux pays en développement la combustion du bois est la principale source d’énergie permettant la cuisson des aliments.

Le gaz naturel de synthèse

Le bois, préalablement broyé, est gazéifié à haute température (800 – 900°C) par de la vapeur d’eau (cf. § 1.3.3) et donne un mélange de gaz contenant principalement du dihydrogène (H2), du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4). Le mélange est ensuite purifié, méthanisé et nettoyé avant d’être directement injecté dans le réseau de gaz naturel. En juin 2009, la commune de Güssing (Autriche) a inauguré la première centrale de production de gaz naturel de synthèse à partir de bois. Cette inauguration a fait des émules et la Suède envisage elle aussi la construction d’une centrale de gazéification de puissance 20 à 25 fois supérieure à celle de Güssing.

Le charbon de bois

Le charbon de bois est produit par chauffage du bois, sous atmosphère inerte ou non, jusqu’à des températures proches de 500°C. Largement utilisés au cours des siècles passés, il est encore fabriqué de manière artisanale dans les pays en développement. De nos jours, il est surtout utilisé en sidérurgie, dans la fabrication de charbons actifs ou pour les barbecues.