Cogénération biomasse par turbine à air chaud

Cogénération biomasse
par turbine à air chaud
© COGEBIO
Etienne Lebas
5 décembre 2011
Historique
Fusion des sociétés ECOREN et LRCB Développement en mai 2011
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 développé
par Louis Rousseau
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Bureau d’étude bois-énergie
Essaimage d’IFP Energies Nouvelles
Créé en janvier 2009
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Procédé COGEBIO
5 décembre 2011
Equipe
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Etienne LEBAS
„
„
„
„
Christian BEDROSSIAN
„
„
„
„
© COGEBIO
„
3
Ancien dirigeant d’une chaudronnerie
Développement du procédé de carbonisation CML avec le CIRAD
8 usines en France, 2 en Chine
Louis ROUSSEAU
„
„
Docteur-ingénieur en Génie des Procédés
15 ans de R&D pour IFP Energies Nouvelles
Combustion propre, capture du CO2, conversion de la biomasse
Inventeur de procédés de pyrolyse et de gazéification
Expert en thermique industrielle
8 salariés au 01/12/11
5 décembre 2011
Produit : module de
cogénération biomasse
Chauffage
Biomasse
Module COGEBIO
Puissance : 50 à 500 kWe
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100 kWe correspond à environ :
-100 logements individuels, ou
-15000 m² de locaux industriels
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5 décembre 2011
Electricité verte
Turbine à gaz : cycle de Brayton
Gaz
combustible
Cheminée
Valorisation
énergétique
Air
Brûleur
Gen.
Turbine
Compresseur
0.5
0.45
0.4
Efficacité
0.35
T = 800 °C
0.3
T = 1100 °C
0.25
T = 1500°C
0.2
Cycle de Brayton
0.15
0.1
0.05
© COGEBIO
0
5
0
10
20
30
Rapport de pression
5 décembre 2011
40
50
Cycle « à récupération »
Cheminée
Valorisation
énergétique
Gaz
combustible
Brûleur
Air
Gen.
Turbine
Compresseur
0.6
0.5
Efficacité
T = 800 °C
0.4
T = 1000 °C
T = 1200 °C
0.3
T = 1500 °C
0.2
0.1
© COGEBIO
6
Optimum
0.0
0
5 décembre 2011
5
10
Rapport de pression
15
20
Turbine à air chaud
Cheminée
Valorisation
énergétique
Brûleur
Biomasse
300 °C
800-1000°C
700-950°C
Echangeur de
chaleur
250 °C
5 bar
Air à 20 °C
1 bar
Gen.
Turbine
Procédé COGEBIO
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Compresseur
5 décembre 2011
Rendement du cycle
de turbine à air chaud
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COT : Combustion Outlet Temperature
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5 décembre 2011
Source : S. CARRARA PhD Thesis
Procédé COGEBIO
„
Paramètres affectant le rendement électrique
„
„
„
„
„
„
Performances recherchées
„
„
„
© COGEBIO
„
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Température de l’air entrée turbine
Température des fumées entrée échangeur
Température des fumées sortie échangeur
Pression haute du cycle
Pertes de charges
„
Pression haute : 2,5 à 4,5 bar
Température de l’air entrée turbine : > 750°C
Température des fumées entrée échangeur : > 850°C
Température des fumées sortie échangeur : < 350°C
Perte de charge minimale
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Combustion de la biomasse
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Chaudière à grille
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Source : COMPTE.R.
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Multicyclone haute température
(1000°C)
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Echangeur céramique rotatif
haute température
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5 décembre 2011
COGEBIO
Mise en œuvre d’un gazéifieur
Cheminée
Biomasse
Production
d’eau chaude
Gaz de synthèse
Brûleur
Echangeur
de chaleur
Gazéifieur
Air
Génératrice
d’électricité
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Turbine
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5 décembre 2011
Compresseur
COGEBIO
Températures et pressions
Cheminée
120 °C
Eau 80°C
Eau 60°C
Biomasse
Gaz de synthèse
300 °C
900°C
Brûleur
750°C
Gazéifieur
Echangeur de chaleur
176 °C
3,5 bar
Air
500°C
1 bar
Gen.
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Turbine
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5 décembre 2011
Compresseur
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Gazogène 1930-1950
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5 décembre 2011
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Principe du gazéifieur
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Lit fixe co-courant
5 décembre 2011
Lit fixe contre-courant
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Gazéifieur Gasclean
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5 décembre 2011
Composition molaire du gaz de synthèse
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5 décembre 2011
Réacteur
Contre
courant
Co
courant
LFB
LFC
LFD
Flux forcé
Plage de
puissance (MW)
2 à 30
< 2
5 à 25
10 à 100
10 à 100
> 50
Stade de
développement
Commercial
Commercial
Commercial
Commercial
Démo
Démo
Granulométrie du
combustible (mm)
5 à 100
20 à 100
< 50
< 20
< 20
< 1
Humidité du
combustible
< 60%
< 25%
10 à 55%
5 à 60%
5 à 60%
< 15%
Variabilité du
combustible
Pas sensible
Très sensible
Peu sensible
Peu sensible
Peu sensible
Très sensible
Agent de
gazéification
Air
Air/vapeur
Air
Air/vapeur
Air, O2
Air/vapeur
O2/vapeur
Air, O2
Air/vapeur
O2/vapeur
O2, Vapeur
O2, Vapeur
Teneur en
goudrons (g/Nm3)
30 à 150
0,015 à 3
1 à 23
1 à 30
1 à 30
<0,1
Teneur en
particules (g/Nm3)
0,1 à 3
0,01 à 10
1 à 100
8 à 100
8 à 100
Forte
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Application
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5 décembre 2011
Petites puissances
Chaleur et cogénération décentralisée
Moyennes à grandes puissances
Chaleur et cogénération centralisée Production de biocarburants et d’H2
Grandes puissances
Production des biocarburants et d’H2
Pilote de démonstration
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Turbine à air chaud
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Gazéifieur
5 décembre 2011
Échangeur haute température
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Température des fumées en entrée : 900 °C
Température de l’air en sortie : 750 °C
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5 décembre 2011
© COGEBIO
Pilote de démonstration
22
5 décembre 2011
Avantages
„
Augmentation du rendement par rapport aux
technologies actuelles
„
„
„
Baisse de l’investissement spécifique (€/kW
installé)
„
„
Rendement électrique > 20 %
Rendement global > 70 %
Un coût de production de 3000 €/kW est accessible
Chaleur disponible à 300°C
Meilleure valorisation de la chaleur produite
(vapeur basse pression, séchage par air chaud)
© COGEBIO
„
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5 décembre 2011
Applications
„
„
„
„
„
„
Réseau de chaleur
Centre aquatique
Hôpital
Etablissement scolaire
Immeuble (bureaux, résidentiel)
Industrie
„
„
„
© COGEBIO
„
Séchage du bois
Laiterie – Fromagerie
Agro-alimentaire
Hangars de stockage
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5 décembre 2011
Production de chaleur
additionnelle
Chaudière
Gaz de synthèse
Production
de chaleur
Production
de chaleur
Biomasse
Brûleur
Echangeur
de chaleur
Gazéifieur
Génératrice
d’électricité
© COGEBIO
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Air
Turbine
5 décembre 2011
Compresseur
Exemple : réseau de chaleur
Puissance
(kW)
1300
Production de chaleur de 300 kWth
associée à une production électrique de 100 kWe
Production complémentaire de chaleur
à partir de gaz de synthèse de 0 à 500 kWth
Combustible fossile
800
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300
26
Heures
5 décembre 2011
Simulation économique
COGEBIO
COGEBIO
Caractéristiques
Puissance électrique (kW)
Puissance thermique (kW)
Durée de production annuelle (heures)
Production électrique (MWh)
Production thermique (MWh)
Tarif de la biomasse (€/MWh)
Tarif de vente de l'électricité (€/MWh)
Valorisation de la chaleur (€/MWh)
Investissement (€)
Matériel
Génie civil, installation
Etudes, Maitrise d'œuvre
Coûts opératoires (€)
Combustible
Maintenance
Revenus annuels (€)
© COGEBIO
Electricité
Chaleur
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Gain annuel (€)
Temps de retour brut (années)
5 décembre 2011
100
300
7000
700
2100
25
200
40
100
300
7000
700
2100
25
80
40
650 000
325 000
500 000
100 000
50 000
250 000
50 000
25 000
95 500
95 500
87 500
8 000
87 500
8 000
224 000
140 000
140 000
84 000
56 000
84 000
128 500
44 500
5.1
7.3
© COGEBIO
Partenaires
28
5 décembre 2011