Brevet FR3144296A1 — publié le 20240628

La présente invention se rapporte au domaine de la production d’énergie à partir de déchets ou de biomasse. Elle se rapporte aussi au domaine des cimenteries et autres domaines de production d’énergie pour l’industrie. Cette invention concerne un procédé de détermination des performances de décarbonation et de suivi dans le temps d’une installation de production d’énergie à partir de mesures des gaz émis dans la cheminée puis d’analyses en laboratoire et enfin d’un algorithme de calcul. Procédé de détermination et de suivi dans le temps des performances de décarbonation d’une installation de production d’énergie La présente invention se rapporte à la décarbonation de la production d’énergie à partir de déchets ou de biomasse. Elle se rapporte aussi au domaine des cimenteries et autres domaines de production d’énergie pour l’industrie. Les déchets et la biomasse utilisés pour produire de l’énergie sont d’origines diverses et sont de type biogènes ou fossiles. Le terme « décarbonation » signifie une soustraction d’émission dans l’atmosphère de dioxyde de carbone produit à partir de matière fossile. Pour quantifier les performances de décarbonation d’une installation de production d’énergie à partir d’énergie thermique, il est important de connaitre la part d’énergie produite issue de la combustion de matière biogène, part qui est considérée comme une énergie renouvelable. Le terme « matière biogène » désigne toute matière produite par des organismes vivants au cours de processus naturels (plantes, déchets de bois, résidus de sylviculture…). Le terme « matière fossile » désigne toute matière produite par transformation très lente de matière par des cycles géologiques long, variés et complexes de fossilisation : toute matière produite à partir de pétrole, de gaz ou de charbon. Le cycle biologique des matières fossiles est de plusieurs dizaines de millions d’années. Son impact carbone est long terme, il induit un effet élevé sur l’atmosphère. Le cycle biologique des matières biogènes est de l’ordre de quelques dizaines d’années. Son impact carbone est court terme et considéré comme neutre. Les émissions associées à la matière biogène sont compensées par l’assimilation pendant la durée de vie de la biomasse et sont intégrées au cycle naturel du carbone. Le potentiel renouvelable d’une ressource énergétique est donc directement lié à la quantité de matière biogène qui compose le combustible. Il en résulte un impact considérablement différent sur l’environnement. L’identification de la part de chacune de ces matières dans des combustibles d’origines diverses, biogènes et fossiles et la déduction des performances climatiques de l’installation est la base de la mesure de la décarbonation. De façon bien connue, il est établi que dans un dispositif de production de chaleur à partir de combustion, le remplacement de combustible fossile par du combustible biogénique correspond à une action de décarbonation de l’atmosphère. Les règles économiques, notamment les impôts et taxes appliquées aux activités industrielles, intègrent ces performances dans leur évaluation des entreprises et activités industrielles. Pour les industriels, l’impact en termes d’image, d’engagement pour le respect de l’environnement, de labellisation de ses produits, est aussi significatif. De plus, l’impact sur la valeur de la marque employeur est un paramètre important notamment dans des périodes tendues sur le marché du recrutement. Pour quantifier la performance de décarbonation de façon rigoureuse, il est nécessaire de remonter la chaine de combustion : depuis les gaz émis dans la cheminée, jusqu’à la matière combustible. Le terme « installation » désigne les installations de production d’énergie (chaufferies, incinérateurs de déchets, fours de cimentiers, …) qui utilisent des combustibles d’origines diverses et souvent mélangés : biogènes et fossiles. Dans la suite du texte, le terme « combustible » fait référence à ces combustibles dits hétérogènes. De plus, ces combustibles sont de plus souvent mélangés à un faible pourcentage d’eau et d’inertes. De plus, certaines installations sont susceptibles d’utiliser des combustibles de récupération (ordures ménagères, déchets d’activité économique, refus de tri de centres de tri) dont la composition est variable et souvent difficile à déterminer. De façon bien connue, le « Pouvoir Calorifique Inférieur », est un indicateur de l’énergie produite par un combustible et correspond à la quantité d’énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de masse combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur contenue dans cette eau non récupérée. Dans le reste du texte, le terme PCI sera employé pour désigner le Pouvoir Calorifique Inférieur. Il est intéressant pour les exploitants des installations de production d’énergie de définir la performance de décarbonation de l’installation : en effet, pour un PCI donné, l’augmentation de la part de matière biogène dans le combustible hétérogène est donc équivalente à une augmentation de la performance de décarbonation. Les procédés de mesure de performance de décarbonation actuels sont basés sur des analyses statistiques du combustible en entrée d’installation de production d’énergie. Pour les combustibles hétérogènes, une estimation des caractéristiques du combustible entrant ne constitue pas une méthode satisfaisante afin d’estimer la performance de décarbonation. En effet, la caractérisation en entrée ne peut se faire que de manière ponctuelle et ne tient pas compte des variations du gisement de combustible dans le temps. En outre, certaines fractions de combustible nécessitent des investigations approfondies pour estimer leur contenu biogène, par exemple les matériaux composites, les tissus, les plastiques fabriqués à partir de matière végétale. En outre, la représentativité des échantillons utilisés pour la caractérisation en entrée est un facteur d’incertitude élevé. D’autres procédés sont basés sur des extrapolations de simulation, peu faible et non rigoureux. Les procédés existants sont donc approximatifs et mal appropriés à un calcul financier lié à une négociation commerciale ou un calcul fiscal. En outre, si certains procédés de caractérisation existent en post-combustion, ils permettent de décrire le combustible en termes de contenu énergétique mais ne permettent pas le lien avec les performances de décarbonation. Les objets assignés à la présente invention visent par conséquent à porter remède aux différents inconvénients énumérés précédemment et à établir un procédé de mesure et de caractérisation massique des combustibles hétérogènes en entrée d’installation de production d’énergie, plus précisément de leur contenu massique en matière biogène et fossile, puis d’en déduire par des algorithmes le taux de décarbonation de l’installation. L’objet principal de la présente invention est un procédé de détermination et de suivi dans le temps d’une installation de production d’énergie. Un objet de la présente invention est d’établir la fraction biogène du combustible, homogène au taux de décarbonation de l’installation, au sens que sa masse peut être divisée en quatre fractions : matière biogène, matière fossile, matière inerte, eau Un autre objet assigné à l’invention vise à proposer un procédé permettant de caractériser la performance de décarbonation de l’installation en tenant compte de la variabilité de composition du gisement de combustible. Un autre objet assigné à l’invention vise à proposer un procédé permettant d’intégrer dans le calcul de performance de décarbonation le taux d’humidité et la présence de matière inerte. Un autre objet assigné à l’invention vise à proposer un procédé permettant de s’affranchir des difficultés liées à l’échantillonnage en entrée d’installation de production d’énergie. Un autre objet assigné à l’invention vise à proposer un procédé permettant de s’affranchir des difficultés liées aux incertitudes de ces procédés en prélevant de façon non continue le CO2 des gaz de combustion. Un autre objet de la présente invention vise à proposer un procédé associant les systèmes de mesures et d’analyses des installations de production d’énergie, un système de prélèvement post-combustion semi-continu du dioxyde de carbone émis en cheminée lors de la combustion et des analyses en laboratoire, un procédé qui permette de calculer le taux de décarbonation de l’installation. Le procédé de détermination et de suivi dans le temps d’une installation de production d’énergie qui fait l’objet de la présente invention est caractérisé en ce que le procédé allie différentes unités fonctionnelles d’échantillonnage, de mesure, d’analyse et de calcul dont l’assemblage permet la détermination du taux de décarbonation de l’installation. illustre, selon une vue en perspective, une variante d’installation de production d’énergie sur laquelle le procédé de détermination et de suivi dans le temps des performances de décarbonation est appliqué conformément à l'invention. On note (A) l’installation de production d’énergie. On note (B) l’alimentation de l’installation de production d’énergie en combustible. On note (C) le foyer de combustion. On note (D) la chaudière de récupération d’énergie. On note (E) le système de traitement des fumées. On note (F) le système d’évacuation des fumées. On note (G) la salle de commande de l’installation. Selon une caractéristique importante de l’invention, le procédé de détermination et de suivi dans le temps des performances de décarbonation de l’installation de production d’énergie (A) comporte un assemblage de différentes unités fonctionnelles, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes consistant à prélever des gaz de combustion (1) pour effectuer un échantillonnage du CO2 (2) contenu dans les gaz de combustion, à analyser via un laboratoire ex situ des échantillons prélevés par dosage du carbone 14 pour déterminer un pourcentage de carbone biogène et de carbone fossile issus du combustible (3), à mesurer en continu un taux d’humidité en cheminée (4) de l’installation de production d’énergie (1), à échantillonner régulièrement des résidus de combustion des cendres sous foyer (5), des cendres sous chaudière et résidus d’épuration des fumées (6), à les analyser dans un laboratoire ex situ (7) pour déterminer leur taux d’humidité et d’inertes, à déterminer dans un module de calcul (8) au moyen d’algorithmes le taux de décarbonation de l’installation de production d’énergie (A). Il est remarquable que le système de prélèvement de gaz de combustion (1) soit conforme à la norme ISO 13833. De façon bien connue l’échantillonnage du CO2 (2) contenu dans les gaz de combustion (1) est réalisé ex situ par mesure du taux de carbone 14 pour détermination du taux de CO2 biogène. Il est remarquable que le procédé comporte la mesure du taux d’humidité des fumées. De façon bien connue, cette mesure est réalisée en continu au niveau du système d’évacuation des fumées de l’installation de production d’énergie. Il est remarquable que le procédé comporte en parallèle des éléments suscités un système de prélèvement régulier des mâchefers et des cendres. De manière bien connue, l’analyse de le contenu en inertes et en humidité des mâchefers et des cendres est réalisée ex situ. De manière bien connue, les unités de mesure utilisées dans les algorithmes sont le kilogramme pour les masses, et les heures pour le temps. Il est remarquable que le module de calcul (8) permette de déterminer les fractions massiques d’eau, de matière inerte, de matière biogène et de matière fossile contenues dans le combustible à partir des données issues des unités fonctionnelles suscitées et de déterminer le taux de décarbonation de l’installation. Au sens de l’invention, la détermination du taux de décarbonation de l’installation se fait par définition d’un algorithme de calcul basé sur la résolution du système d’équations suivant : [Math 1] Avec : A : masse de matière biogène contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps B : masse de matière fossile contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps C : masse de matière inerte contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps D : masse d’eau contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps E : masse de combustible hétérogène brûlée pendant la durée de prélèvement F : pourcentage de carbone contenu dans la matière biogène G : pourcentage de carbone contenu dans la matière fossile H : masse de carbone biogène émise pendant la durée de prélèvement I : masse de carbone fossile émise pendant la durée de prélèvement J : énergie produite pendant la durée du prélèvement K∶ PCI de matière biogène L∶ PCI du gaz de référence M∶ Energie produite à partir de matière biogène N∶ Energie produite à partir de matière fossile P∶ Masse de carbone évité Q∶ Taux de décarbonation de l’installation, en poucentage R∶ Durée du prélèvement f∶ algorithme issu de la norme Cemagref – Ademe pour matière biogène g∶ algorithme issu de la norme Cemagref – Ademe pour matière fossile h∶ algorithme issu de la norme Cemagref – Ademe pour la gaz de référence t∶ temps Il est remarquable que la mise en place d’un procédé de détermination de la répartition massique de matière biogène et de matière fossile à partir de mesures réalisées dans les fumées, associé aux algorithmes de détermination du CO2 évité permet le suivi dans le temps du taux de décarbonation de l’installation. Il est remarquable que le procédé permette d’envisager des systèmes d’adaptation du combustible en entrée aux objectifs environnementaux et énergétiques de l’installation de production d’énergie (A). Il est remarquable que le procédé permette de mesurer les performances de décarbonation de l’installation de production d’énergie (A). Procédé de détermination et de suivi dans le temps des performances de décarbonation d’une installation de production d’énergie (A) qui comporte un assemblage de différentes unités fonctionnelles, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes consistant à prélever des gaz de combustion (1) pour effectuer un échantillonnage du CO2 (2) contenu dans les gaz de combustion, à analyser via un laboratoire ex situ des échantillons prélevés par dosage du carbone 14 pour déterminer un pourcentage de carbone biogène et de carbone fossile issus du combustible (3), à mesurer en continu un taux d’humidité en cheminée (4) de l’installation de production d’énergie (1), à échantillonner régulièrement des résidus de combustion des cendres sous foyer (5), des cendres sous chaudière et résidus d’épuration des fumées (6), à les analyser dans un laboratoire ex situ (7) pour déterminer leur taux d’humidité et d’inertes, à déterminer dans un module de calcul (8) au moyen d’algorithmes le taux de décarbonation de l’installation de production d’énergie (A). Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la détermination du taux de décarbonation de l’installation se fait par définition d’un algorithme de calcul basé sur la résolution du système d’équations suivant : [Math 1] Avec : A : masse de matière biogène contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps B : masse de matière fossile contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps C : masse de matière inerte contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps D : masse d’eau contenue dans le combustible hétérogène brûlée par unité de temps E : masse de combustible hétérogène brûlée pendant la durée de prélèvement F : pourcentage de carbone contenu dans la matière biogène G : pourcentage de carbone contenu dans la matière fossile H : masse de carbone biogène émise pendant la durée de prélèvement I : masse de carbone fossile émise pendant la durée de prélèvement J : énergie produite pendant la durée du prélèvement K∶ PCI de matière biogène L∶ PCI du gaz de référence M∶ Energie produite à partir de matière biogène N∶ Energie produite à partir de matière fossile P∶ Masse de carbone évité Q∶ Taux de décarbonation de l’installation, en poucentage R∶ Durée du prélèvement f∶ algorithme issu de la norme Cemagref – Ademe pour matière biogène g∶ algorithme issu de la norme Cemagref – Ademe pour matière fossile h∶ algorithme issu de la norme Cemagref – Ademe pour la gaz de référence t:temps