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Cogénération biomassepar turbine à air chaud

Etienne Lebas5 décembre 2011

5 décembre 20112

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Historique

Fusion des sociétés ECOREN et LRCB Développement en mai 2011

Bureau d’étude bois-énergieEssaimage d’IFP Energies Nouvelles

Créé en janvier 2009

Bureau d’étude et d’ingénierie Pyrolyse et gazéification de la biomasse

Créé en mai 2008

Procédé de turbine à air chaud breveté par Etienne Lebas

Gazéifieur co-courant développépar Louis Rousseau

Procédé COGEBIO

5 décembre 20113

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Equipe

Etienne LEBASDocteur-ingénieur en Génie des Procédés15 ans de R&D pour IFP Energies NouvellesCombustion propre, capture du CO2, conversion de la biomasse

Christian BEDROSSIANAncien dirigeant d’une chaudronnerieDéveloppement du procédé de carbonisation CML avec le CIRAD8 usines en France, 2 en Chine

Louis ROUSSEAUInventeur de procédés de pyrolyse et de gazéificationExpert en thermique industrielle

8 salariés au 01/12/11

5 décembre 20114

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IOProduit : module de cogénération biomasse

Electricité verte

Module COGEBIOBiomasse

Chauffage

Puissance : 50 à 500 kWe100 kWe correspond à environ :-100 logements individuels, ou-15000 m² de locaux industriels

5 décembre 20115

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Turbine à gaz : cycle de Brayton

AirBrûleur

Gen.

Cheminée

Turbine Compresseur

Gazcombustible

Valorisationénergétique

00.050.1

0.150.2

0.25

0.30.350.4

0.450.5

0 10 20 30 40 50

Rapport de pression

Effic

acité

T = 800 °CT = 1100 °CT = 1500°CCycle de Brayton

5 décembre 20116

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Cycle « à récupération »

AirBrûleur

Gen.

Cheminée

Turbine

Compresseur

Gazcombustible

Valorisationénergétique

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20Rapport de pression

Effic

acité

T = 800 °C

T = 1000 °C

T = 1200 °C

T = 1500 °C

Optimum

5 décembre 20117

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7

Air à 20 °C

Brûleur

Gen.

Cheminée

Turbine

Biomasse

Valorisationénergétique

Compresseur

Echangeur de chaleur

800-1000°C 300 °C

250 °C

700-950°C

1 bar

5 bar

Turbine à air chaud

Procédé COGEBIO

5 décembre 20118

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IORendement du cycle de turbine à air chaud

Source : S. CARRARA PhD Thesis

COT : Combustion Outlet Temperature

5 décembre 20119

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Procédé COGEBIO

Paramètres affectant le rendement électriqueTempérature de l’air entrée turbineTempérature des fumées entrée échangeurTempérature des fumées sortie échangeurPression haute du cyclePertes de charges

Performances recherchéesPression haute : 2,5 à 4,5 barTempérature de l’air entrée turbine : > 750°CTempérature des fumées entrée échangeur : > 850°CTempérature des fumées sortie échangeur : < 350°CPerte de charge minimale

5 décembre 201110

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10

Combustion de la biomasse

Chaudière à grille

Source : COMPTE.R.

5 décembre 201111

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IOMulticyclone haute température (1000°C)

5 décembre 201112

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IOEchangeur céramique rotatifhaute température

5 décembre 201113

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IOCOGEBIOMise en œuvre d’un gazéifieur

Air

Brûleur

Génératriced’électricité

Cheminée

Turbine Compresseur

Echangeurde chaleur

Productiond’eau chaudeBiomasse Gaz de synthèse

Gazéifieur

5 décembre 201114

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Air

Brûleur

Gen.

Cheminée

Turbine Compresseur

Echangeur de chaleur

900°C 300 °C

176 °C

750°C

1 bar

3,5 bar

Eau 60°C Eau 80°C

120 °C

500°C

Biomasse Gaz de synthèse

Gazéifieur

COGEBIOTempératures et pressions

5 décembre 201115

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Gazogène 1930-1950

5 décembre 201116

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Principe du gazéifieur

Lit fixe co-courant Lit fixe contre-courant

5 décembre 201117

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Gazéifieur Gasclean

Composition molaire du gaz de synthèse

5 décembre 201118

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IO

5 décembre 201119

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Grandes puissancesProduction des 

biocarburants et d’H2

Moyennes à grandes puissancesChaleur et cogénération centralisée Production de 

biocarburants et d’H2

Petites puissancesChaleur et cogénération 

décentraliséeApplication

Forte8 à 1008 à 1001 à 1000,01 à 100,1 à 3Teneur en

particules (g/Nm3)

<0,11 à 301 à 301 à 230,015 à 330 à 150Teneur en

goudrons (g/Nm3)

O2, VapeurO2, VapeurAir, O2

Air/vapeurO2/vapeur

Air, O2Air/vapeurO2/vapeur

AirAir/vapeur

AirAir/vapeur

Agent degazéification

Très sensiblePeu sensiblePeu sensiblePeu sensibleTrès sensiblePas sensibleVariabilité ducombustible

< 15%5 à 60%5 à 60%10 à 55%< 25%< 60%Humidité ducombustible

< 1< 20< 20< 5020 à 1005 à 100Granulométrie ducombustible (mm)

DémoDémoCommercialCommercialCommercialCommercialStade de

développement

> 5010 à 10010 à 1005 à 25< 22 à 30Plage de

puissance (MW)

Flux forcéLFDLFCLFBCo

courantContrecourant

Réacteur

5 décembre 201120

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Pilote de démonstration

Gazéifieur

Turbine à air chaud

5 décembre 201121

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Échangeur haute température

Température des fumées en entrée : 900 °CTempérature de l’air en sortie : 750 °C

5 décembre 201122

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Pilote de démonstration

5 décembre 201123

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IO

Avantages

Augmentation du rendement par rapport aux technologies actuelles

Rendement électrique > 20 %Rendement global > 70 %

Baisse de l’investissement spécifique (€/kW installé)

Un coût de production de 3000 €/kW est accessibleChaleur disponible à 300°C

Meilleure valorisation de la chaleur produite (vapeur basse pression, séchage par air chaud)

5 décembre 201124

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IO

Applications

Réseau de chaleurCentre aquatiqueHôpitalEtablissement scolaireImmeuble (bureaux, résidentiel)Industrie

Séchage du boisLaiterie – FromagerieAgro-alimentaireHangars de stockage

5 décembre 201125

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IOProduction de chaleur additionnelle

Air

Brûleur

Génératriced’électricité

Chaudière

Turbine Compresseur

Echangeurde chaleur

Productionde chaleurBiomasse

Gaz de synthèse

Gazéifieur

Productionde chaleur

5 décembre 201126

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Exemple : réseau de chaleur

Heures

Puissance(kW)

300

800

1300

Production de chaleur de 300 kWthassociée à une production électrique de 100 kWeProduction complémentaire de chaleur à partir de gaz de synthèse de 0 à 500 kWth

Combustible fossile

5 décembre 201127

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Simulation économiqueCOGEBIO COGEBIO

CaractéristiquesPuissance électrique (kW) 100 100Puissance thermique (kW) 300 300Durée de production annuelle (heures) 7000 7000Production électrique (MWh) 700 700Production thermique (MWh) 2100 2100Tarif de la biomasse (€/MWh) 25 25Tarif de vente de l'électricité (€/MWh) 200 80Valorisation de la chaleur (€/MWh) 40 40

Investissement (€) 650 000 325 000Matériel 500 000 250 000Génie civil, installation 100 000 50 000Etudes, Maitrise d'œuvre 50 000 25 000

Coûts opératoires (€) 95 500 95 500Combustible 87 500 87 500Maintenance 8 000 8 000

Revenus annuels (€) 224 000 140 000Electricité 140 000 56 000Chaleur 84 000 84 000

Gain annuel (€) 128 500 44 500

Temps de retour brut (années) 5.1 7.3

5 décembre 201128

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