Essais de production de pellets composés à 100% de

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Essais de production de pellets composés à 100% de
Essais de production de pellets composés à
100% de miscanthus
Décembre 2012
Gilles GAUTHIER
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ValBiom soutient le développement durable et harmonieux des filières de valorisation nonalimentaire de la biomasse:

en structurant et diffusant des informations scientifiques, neutres et objectives auprès de
différentes audiences privées et publiques;

en favorisant/organisant la rencontre entre tous les acteurs des filières existantes, en cours
de développement ou potentielles;

en apportant un support direct aux porteurs de nouveaux projets et aux acteurs établis;

en accompagnant la structuration des nouvelles filières;

en répondant aux questions de l’administration ou du pouvoir politique et en les sensibilisant
aux enjeux des filières;

en exerçant le rôle de facilitateur pour les industriels et/ou les consommateurs de certaines
filières;

en entretenant des relations avec d’autres institutions belges ou internationales poursuivant
les mêmes objectifs.
La valeur ajoutée, tant économique qu’environnementale, visée par ValBiom repose essentiellement
sur son positionnement indépendant et sur son approche intégrée des filières, de la production à la
valorisation non-alimentaire sous forme d’énergie («fuel») ou de produits biobasés («fiber»).
Date d'édition
Version
02/12/12
2.0
Gilles
Auteur
Gauthier
Comité de relecture 10/12/12
ValBiom produit ses meilleurs efforts pour que les informations contenues dans ce document soient le plus actuelles, complètes et
correctes possible. Cependant, ValBiom ne peut en aucun cas être tenu responsable des conséquences qui découleraient de toute
utilisation des informations contenues dans ce document et les inexactitudes éventuelles ne peuvent en aucun cas donner lieu à un
quelconque engagement de sa responsabilité.
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Table des matières
I
Contexte et objectif ....................................................................................................................... 5
II
Matériel et méthode ..................................................................................................................... 5
II.1.
Miscanthus .......................................................................................................................... 5
II.2.
Ligne de production............................................................................................................. 5
II.2.a
Broyeur à marteaux ......................................................................................................... 6
II.2.b
Presse à pellets ................................................................................................................ 6
II.3.
Normes ................................................................................................................................ 7
II.3.a
EN 14961-2 ...................................................................................................................... 7
II.3.b
EN 14961-6 ...................................................................................................................... 7
III
Résultats .................................................................................................................................. 8
III.1.
Essais de granulation ........................................................................................................... 8
III.1.a
Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière de 6x50 mm.................................. 8
III.1.b
Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm....................................... 9
III.1.c
Miscanthus ensilage non broyé, filière 6x60 mm............................................................ 9
III.1.d
Miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm ................................................................. 10
III.1.e
Enseignements des essais de granulation ..................................................................... 11
III.2.
Analyses des pellets produits ............................................................................................ 12
IV
Conclusions............................................................................................................................ 14
V
Bibliographie.......................................................................................................................... 15
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Table des tableaux
Tableau 1: résultats analyses pellets de miscanthus. Source: ValBiom ................................................ 12
Tableau 2: résultats analyses pellets de miscanthus vs EN 14961/2-6. Source: ValBiom..................... 13
Table des photographies
Photographie 1: vue de l’installation pilote de CPM. Source: ValBiom .................................................. 6
Photographie 2 et photographie 3: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits.
Source: ValBiom ...................................................................................................................................... 8
Photographie 4 et photographie 5: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits.
Source: ValBiom ...................................................................................................................................... 9
Photographie 6 et photographie 7: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom..... 9
Photographie 8 et photographie 9: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom... 10
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I
Contexte et objectif
Les essais de production de pellets réalisés en 20101,2 n’ont pas permis d’apporter toutes les
réponses quant à la possibilité de produire des pellets composés à 100 % de miscanthus. En effet, la
densité et le taux de fines des pellets produits étaient insatisfaisants et tous les paramètres (N, S,
etc.) n’avaient pu être mesurés. A l’heure actuelle, le comportement en granulation du miscanthus
est peu connu. Certains affirment même qu’il est impossible de granuler du miscanthus pur et qu’un
mélange avec d’autres matières telles que le bois ou l’ajout de liant est obligatoire.
Suite à ce constat, il a été décidé de conduire des essais de granulation à l’aide d’une installation de
marque de référence: l’unité pilote de granulation de la société CPM basée à Amsterdam. Cette
société, d’origine américaine, est un des leaders mondiaux dans l’installation d’unités de granulation
pour l’alimentation animale et l’énergie.
L’objectif de cet essai était donc de déterminer s’il était possible de produire des pellets, réalisés
exclusivement à l’aide de miscanthus, présentant une bonne qualité. Afin d’évaluer cette qualité, les
pellets produits ont été analysés par le laboratoire SOCOR (accrédité COFRAC). Les résultats
d’analyses ont ensuite été confrontés aux normes EN 14961/2 et EN 14961/6, normes européennes
régissant respectivement les pellets de bois et les agropellets.
II
Matériel et méthode
II.1. Miscanthus
Deux échantillons de miscanthus furent testés durant ces essais :


Miscanthus ensilé
Résidu de criblage de miscanthus
Ces deux lots de miscanthus sont issus de la société Promisc. Société wallonne active dans la
plantation, la production et la commercialisation de miscanthus.
II.2. Ligne de production
Les essais précédents et des retours d’expérience3 ont permis d’établir que la granulation est un
process beaucoup plus complexe et délicat à conduire qu’il n’y parait au premier abord. En effet, la
production de pellets de bonne qualité requiert un certains nombres de conditions:






Humidité de la matière première adaptée
Granulométrie de la matière première adaptée
Réglage de l’installation adapté (vitesse d’alimentation de la matière, etc.)
Ajout éventuel d’eau (liquide ou vapeur)
Sélection de galets adaptés
Sélection d’une filière adaptée
1
ValBiom, Olivier Collignon, la valorisation énergétique du miscanthus en circuit court
2
ValBiom, influence des proportions Miscanthus – Bois sur les propriétés physiques et mécaniques des pellets produits
AgroPellets sprl 2010
3
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Ce dernier élément a un rôle capital dans la réussite du process de granulation. Les filières sont
notamment caractérisées par la longueur et le diamètre des trous qui la composent. Généralement,
ces caractéristiques sont exprimées par le « taux de compaction », correspondant au ratio diamètre
trou/longueur trou. Selon CPM, le taux de compaction habituellement utilisé pour des pellets de bois
composés de sciure de résineux est de 1/7.5, soit une longueur de trou de 45 mm pour produire des
pellets de bois de 6 mm de diamètre.
La ligne de production de CPM est composée de:
 Broyeur à rouleaux (1)
 Broyeur à marteaux (2)
 Presse à pellets (3)
 Refroidisseur (4)
 Tamisage (4)
Tous les équipements ont été utilisés sauf le broyeur à rouleaux.
Photographie 1: vue de l’installation pilote de CPM. Source: ValBiom
II.2.a
Broyeur à marteaux
Le broyeur à marteaux, d’une valeur approximative de 200.000 €, présente les caractéristiques
suivantes:



Puissance nominale: 22 kW
Capacité nominale: 600 kg/h
Diamètre des trous des grilles: 6.4 mm
II.2.b
Presse à pellets
La presse à pellets, d’une valeur approximative de 600.000 €, présente les caractéristiques suivantes:


Puissance nominale: 55 kW
Capacité nominale: 780 kg/h
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II.3. Normes
(M. Temmerman, 2010)
Les résultats d’analyses des pellets produits dans le cadre de ces essais ont été confrontés aux
normes EN 14961/2 et EN 14961/6, normes européennes régissant respectivement les pellets de bois
et les agropellets.
La norme En 14961-1 est un document définissant les classes de différents types de Biocombustibles
solides, sans hiérarchisation formelle de leur qualité et sans lien avec l’utilisation qui pourrait être
faite de ces combustibles.
Les biocombustibles solides sont classés selon une clé triple : l’origine, la forme commerciale et les
propriétés physiques, mécanique et chimiques relatives à ces formes commerciales.
4 origines sont définies: biomasse bois, biomasse herbacée, biomasse issue de l’industrie du fruit et
mélanges intentionnel & non intentionnels. Ces origines sont elles même divisées et subdivisées en
groupes caractéristiques de l’origine considérées. 12 formes commerciales de biocombustibles
solides sont ainsi définies et un tableau général est proposé pour caractériser tout biocombustible
qui ne serait pas repris parmi les plus courants.
Pour chaque forme commerciale un tableau est dressé. Il reprend les propriétés utiles pour cette
forme commerciale et définit des classes associées à des valeurs pour ces propriétés.
II.3.a
EN 14961-2
La partie 1 de la norme EN 14961, délimite des classes mais ne les associe à aucune utilisation, ni
aucune hiérarchisation. La partie 2 de ce document détermine 3 qualités de pellets de bois A1, A2 &
B associées à des valeurs limites pour les différentes propriétés définies par la partie 1. Cette norme
a été publiée en Belgique en juillet 2011 (NBN EN 14961-2).
II.3.b
EN 14961-6
Comme la partie 2 le fait pour les pellets de bois, la partie 6 de la norme définit les valeurs limites
que les pellets de biomasse « hors bois » doivent respecter. Cette norme fixe les valeurs limites pour
des pellets de biomasse telles que la paille de froment, la Baldingère faux-roseau (Phalaris
arundinacea), le miscanthus ou même des mélanges. Les pellets produits dans le cadre de ces essais
ont été comparés aux valeurs limites fixées pour le miscanthus. Cette norme a été publiée en
Belgique en mars 2012 (NBN EN 14961-6).
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III
Résultats
Durant cette séance de tests, quatre essais de granulation ont été réalisés:




Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x50 mm
Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm
Miscanthus ensilage non broyé, filière 6x60 mm
Miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm
Tous les essais se sont déroulés sans difficultés engendrant des consommations électriques et des
qualités de pellets variables.
III.1. Essais de granulation
III.1.a Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière de 6x50 mm
Ce premier essai était destiné à tester les réglages de la ligne de production, notamment le choix
d’une filière 6x50 mm.
Photographie 2 et photographie 3: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits. Source: ValBiom
Matière première
Le résidu de criblage présentait une humidité de 12.5 % pour une granulométrie 3x3x1 mm.
Pelletisation
La consommation électrique de la presse était de 50 kWh/t. Les pellets produits présentaient de
nombreuses fissures. La qualité des pellets produits ne donnant pas satisfaction, il a été décidé de
changer la filière de 6x50 mm au profit d’une autre de 6x 60 mm.
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III.1.b Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm
Photographie 4 et photographie 5: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits. Source: ValBiom
Matière première
La matière première utilisée était identique au point précédent. Le résidu de criblage présentait une
humidité de 12.5 % pour une granulométrie 3x3x1 mm.
Pelletisation
Avec ce changement de filière, la consommation électrique de la presse a fortement augmenté pour
atteindre 130 kWh/t, soit la valeur la plus élevée de ces essais. Les pellets produits présentaient une
qualité bien supérieure à l’essai précédent.
III.1.c
Miscanthus ensilage non broyé, filière 6x60 mm
Photographie 6 et photographie 7: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom
Matière première
Le miscanthus ensilé présentait une humidité de 14.5 % pour une granulométrie 30x15x10mm.
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Pelletisation
La consommation électrique de la presse était de 126 kWh/t, soit la seconde valeur la plus élevée de
l’ensemble des essais. Ce phénomène était attendu. En effet, la matière grossière entrant dans la
filière doit d’abord être « broyée » par les galets avant de pouvoir traverser celle-ci, générant des
contraintes importantes et donc une consommation électrique supérieure. Les pellets produits
présentaient de nombreuses fissures. En effet, certaines particules de miscanthus de taille
importante occupaient parfois la totalité de la section des pellets formés. Ce phénomène empêche la
bonne cohésion des pellets. Ce lot de pellets présentait la moins belle qualité de la journée d’essais.
Au vu de la consommation électrique très importante et de la piètre qualité des pellets produits, il
semble peu conseillé de granuler directement le miscanthus ensilé sans effectuer un broyage.
Cette conclusion est regrettable car elle démontre l’obligation d’investir dans un broyeur pour la
production de pellets de miscanthus. Toutefois, il serait utile de déterminer la granulométrie la plus
fine que l’on peut atteindre en modifiant les réglages de l’ensileuse lors de la récolte, quitte à réduire
le débit de chantier.
III.1.d Miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm
Photographie 8 et photographie 9: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom
Matière première
La matière était identique au point précédent. Le miscanthus ensilé présentait une humidité de 14.5
% pour une granulométrie 30x15x10mm.
Broyage
Le broyage s’est déroulé sans difficulté. La consommation électrique fut de 42 kWh/t.
Pelletisation
La consommation électrique de la presse était de 102 kWh/t. Les pellets produits présentent une très
belle qualité. Il s’agit des plus beaux pellets produits durant la journée d’essais.
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III.1.e Enseignements des essais de granulation
Suite à ces essais et avant d’aborder les résultats d’analyse des pellets produits, il s’avère que le
miscanthus:




peut être pelletisé sans ajout de liant ou mélange de matières
ne nécessite aucun séchage pour être pelletisé
requiert un broyage pour obtenir une qualité de pellets et une consommation électrique
acceptables
engendre une consommation électrique importante lors de la pelletisation par rapport au bois
Deux éléments doivent faire l’objet d’un commentaire complémentaire.
Taux d’humidité
Selon CPM, le taux d’humidité optimum pour pelletiser du bois est de 10 à 12 %. Or, durant ces
essais, l’humidité du miscanthus était comprise entre 12,5 et 14,5 %. Cette humidité plus importante
ne semble pas avoir eu de conséquences sur la qualité des pellets produits selon CPM. Il est donc
probable que l’optimum d’humidité pour la pelletisation de miscanthus soit supérieur à celui du bois.
Il convient donc d’être très attentif à ce paramètre lors de la récolte. En effet, si le miscanthus n’est
pas récolté au moment adéquat, l’humidité peut dépasser les 20% ce qui rendra la granulation
probablement impossible. Il faudra également veiller à conserver le miscanthus dans un endroit sec.
Consommation électrique de la presse à pellets
Quatre paramètres principaux vont influencer cette consommation électrique.
D’une part, les producteurs de pellets constatent de manière empirique que la consommation
électrique augmente avec l’augmentation du taux d’humidité de la matière première.
Ensuite, plus la matière est abrasive (notamment lié au taux de Si), plus la consommation électrique
est importante.
En outre, plus la granulométrie de la matière est grossière, plus les contraintes exercées dans la
presse sont importantes et plus la consommation électrique est importante. Cet élément a été
démontré durant ces essais. Lors de la granulation de miscanthus ensilé non broyé, la consommation
électrique était de 126 kWh/t pour chuter à 102 kWh/t lors de la granulation de miscanthus ensilé
broyé pour des réglages de production identiques.
Enfin, plus le taux de compaction est petit, plus la consommation électrique est élevée car la matière
subit des contraintes plus importantes pour pouvoir passer dans la filière. Cet élément a également
été démontré durant ces essais. Lors de la granulation des résidus de criblage du miscanthus réalisée
à l’aide d’une filière 6x50 mm (taux de compaction= 1/8,3), la consommation électrique était de 50
kWh/t pour atteindre 130 kWh/t en utilisant une filière 6x60 mm (taux de compaction= 1/10). Selon
CPM, un équilibre devrait être trouvé entre qualité des pellets produits et consommation électrique
plus raisonnable en utilisant une filière présentant un taux de compaction intermédiaire.
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III.2. Analyses des pellets produits
Seuls les deux lots de pellets les plus réussis ont été analysés:


Pellets de résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm
Pellets de miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm
Tous les paramètres repris dans les normes EN 14961-2 et -6 ont été analysés par le laboratoire
SOCOR. Les résultats sont repris dans le tableau ci-dessous.
Propriété
Dimensions
Unité
mm
Humidité
Taux de cendres
Masse volumique apparente
Durabilité, DU
Pouvoir calorifique inférieur
Taux de fines
Soufre
Azote
Chlore
Arsenic, As
Cadmium, Cd,
Chrome, Cr
Cuivre, Cu,
Plomb, Pb,
Mercure, Hg,
Nickel, Ni,
Zinc, Zn,
Temp Fusion des cendres
(température de déformation)
%**
%*
3*
kg/m
%**
MJ/kg**
%**
%*
%*
%*
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
EN 14961-2
EN 14961-6
WP A1 WP A2 WP B
Miscanthus
D06, D08 (+ 1 )
D06, D08, D10 (+ 1)
3,15< L <40 & 40<Max 1%<45
3,15< L <40
40<Max 1%<45
< 10
< 10
< 10
< 10
<0,7
<1,5
<3,0
< 10
> 600
> 600
> 600
> 580
> 97,5
> 97,5
> 96,5
> 97,5
> 16,5
> 16,5
> 16,0
A mentionner
< 1,0
< 1,0
< 0,03
< 0,03
<0,04
<0,05
<0,3
<0,5
<1,0
<0,5
<0,02
<0,02
<0,03
<0,08
<1
<1
<1
<1
< 0,5
< 0,5
< 0,5
< 0,5
< 10
< 10
< 10
< 50
< 10
< 10
< 10
< 20
< 10
< 10
< 10
< 10
< 0,1
< 0,1
< 0,1
< 0,1
< 10
< 10
< 10
< 10
< 100
< 100
< 100
< 100
> 1 200 > 1 100 > 1 100 A mentionner
MEB
5,76
97,9
0
6,3
2,7
630
97,1
16,588
0,2
0,028
<0,3
0,0229
<0,1
<0,4
2,6
2,1
0,95
<0,05
<1,5
11
1065
MCNB
5,52
98,2
0
7,4
3,8
640
97,8
16,312
0,4
0,0849
<0,3
0,0384
0,11
<0,4
4,5
3,9
1,3
0,05
<1,5
37
1076
Tableau 1: résultats analyses pellets de miscanthus. Source: ValBiom
Légende:
*Sur base anhydre
**à la réception
WP= wood pellets
MEB= miscanthus ensilé broyé
MCNB= miscanthus criblé non broyé
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Afin d’augmenter la lisibilité des résultats, ceux-ci ont été comparés aux différents critères des
normes à l’aide d’un code de couleur.
Propriété
Dimensions
Unité
mm
Humidité
Taux de cendres
Masse volumique apparente
Durabilité, DU
Pouvoir calorifique inférieur
Taux de fines
Soufre
Azote
Chlore
Arsenic, As
Cadmium, Cd,
Chrome, Cr
Cuivre, Cu,
Plomb, Pb,
Mercure, Hg,
Nickel, Ni,
Zinc, Zn,
Temp Fusion des cendres
(température de déformation)
%**
%*
kg/m3*
%**
MJ/kg**
%**
%*
%*
%*
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
mg/kg *
MEB
5,76
97,9
0
6,3
2,7
630
97,1
16,588
0,2
0,028
<0,3
0,0229
<0,1
<0,4
2,6
2,1
0,95
<0,05
<1,5
11
1065
MCNB
5,52
98,2
0
7,4
3,8
640
97,8
16,312
0,4
0,0849
<0,3
0,0384
0,11
<0,4
4,5
3,9
1,3
0,05
<1,5
37
1076
Légende
Respect WP A1
Respect WP A2
Respect WP B
Respect Miscanthus
Aucun respect
Valeur informative
Tableau 2: résultats analyses pellets de miscanthus vs EN 14961/2-6. Source: ValBiom
Les pellets de miscanthus ensilé broyé (MEB) respectent 14 des 17 critères des pellets de bois A1,
soit la meilleure qualité. Ce résultat permet de confirmer, une fois de plus, que le miscanthus est un
des meilleurs agrocombustibles du marché. Seuls le taux de cendres, la durabilité et le taux de chlore
ne respectent pas les limites des WP A1. Ces taux respectent les limites des WP B.
Les pellets de miscanthus criblé non broyé (MCNB) respectent 13 des 17 critères des pellets de bois
A1. Le pouvoir calorifique inférieur respecte les limites des WP B. Les taux de cendres et de chlore
respectent les critères de la norme 14961/6 (miscanthus). Seul le taux de soufre ne respecte aucune
norme.
Les différences de résultats constatées entre MEB et MCNB peuvent être expliquées par deux
facteurs. Premièrement, ces deux lots de miscanthus sont très probablement issus de parcelles
différentes présentant donc un précédent cultural différent. Celui-ci peut affecter la composition du
miscanthus. Deuxièmement, le criblage du miscanthus engendre probablement une séparation des
constituants du miscanthus, la fraction ligneuse de la tige et la moelle, présentant peut-être une
composition élémentaire différente. La fraction ligneuse étant plus cassante que la moelle, elle
génère probablement des morceaux plus petits que la moelle lors de l’ensilage. Ces morceaux de
plus petites dimensions sont passés au travers des mailles du crible, engendrant probablement une
séparation des constituants du miscanthus.
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IV
Conclusions
Ces essais ont permis de démontrer qu’il était possible de produire des pellets de très bonne qualité,
réalisés à l’aide de 100% de miscanthus. Afin de qualifier la qualité des pellets produits, ceux-ci ont
été analysés et les caractéristiques obtenues ont été comparées aux normes 14961/2-6. De
nombreux critères ont respecté les limites fixées pour la première classe (A1) des pellets de bois,
démontrant que le miscanthus est bel et bien un des meilleurs agrocombustibles productible en
Wallonie. Les pellets produits à l’aide du miscanthus ensilé ont présenté des caractéristiques
inférieures aux pellets produits à partir du résidu de criblage de miscanthus.
Concernant la pelletisation, aucun additif n’a dû être ajouté et aucun mélange de matières n’a dû
être effectué pour obtenir ces bons résultats. Toutefois, il semble impératif de broyer finement le
miscanthus avant de le pelletiser. Il apparait également très important de veiller à maintenir, lors de
la récolte et du stockage, un taux d’humidité le plus faible possible. Cette caractéristique du
miscanthus rend cette biomasse particulièrement intéressante en tant que combustible car,
contrairement à la production de pellets de bois, elle ne nécessite aucun séchage avant la
pelletisation.
Même s’il s’avère possible de produire des pellets de miscanthus de très bonne qualité, il convient de
préciser que l’usage de ceux-ci est à réserver à un équipement de chauffage polycombustibles.
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V
Bibliographie
EN 14961-1:2009, Solid biofuels - Fuel specifications and classes - Part 1: General requirements, CEN,
2009
prEN 14961-2:2010, Solid biofuels - Fuel specifications and classes - Part 2: Wood pellets for nonindustrial use, CEN, 2010
prEN 14961-6:2010, Solid biofuels - Fuel specifications and classes - Part 6: Non-woody pellets for
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