Heating of Greenhouses from Biomass Polygeneration Systems

L’agriculture moderne demande des quantités remarquables d’énergie. Que ce soit pour le transport, le travail du sol, le séchage des grains ou encore le fonctionnement de machineries lourdes, les combustibles fossiles sont toujours omniprésents dans les activités agricoles. À l’heure actuelle, l’essentiel de la charge de chauffage dans l’industrie serricole est comblé par les combustibles fossiles. Heureusement, il existe d'autres sources d'énergie comme la biomasse agricole et forestière résiduelle. Celle-ci pourrait répondre aux besoins énergétiques des serres, en réduisant les coûts économiques, ainsi que les émissions de gaz à effet de serre. Aujourd’hui, de nombreux procédés permettent la transformation de ces ressources en bioproduits à valeur ajoutée, tels que des hydrocarbures liquides, fréquemment en produisant simultanément une quantité importante de chaleur résiduelle. L’énergie thermique nécessaire pour une application de chauffage est donc obtenue en même temps que l’extraction d’hydrocarbures liquides à partir de biomasse résiduelle. Alors que la majorité du développement dans ce domaine cible une production à grande échelle, on s’intéresse ici à un système adapté à des ressources énergétiques décentralisées. Cette installation offre certains avantages, en particulier si l’usine de biocarburants peut être couplée avec une charge de chauffage et un système de stockage de l’énergie thermique. Ce dernier permet d’absorber des pointes de demande et réduire la puissance nominale du système de chauffage. Il s'agit ici d'un point critique qui motive la présente étude, car la puissance d'un tel système de polygénération peut difficilement être modulé pour suivre la demande. Dans le cas traité ici, une serre de tomate est couplée au système de conversion de la biomasse, comme utilisateur de chaleur. La gazéfication de la biomasse résiduelle permet la production de biocarburant, d'électricité, d'hydrogène, de chaleur et d'un flux de CO_2, par un même système de polygénération. Ce présent mémoire répondra aux défis d'un tel système en proposant une modélisation thermique d'une serre, avec comme source de chaleur un système de polygénération. Sa contribution principale est d'étudier le couplage de la courbe d'offre énergétique constante du système de polygénération à la courbe de demande en chaleur de la serre tout en analysant le potentiel d'économie d'énergie lié à l'intégration de système de stockage court et long terme. Le modèle proposé intègre un réservoir d'eau comme système de stockage court-terme et un lit de roche comme système long-terme. Un système de chauffage auxiliaire, utilisant du méthanol produit par le système de polygénération lui-même comme carburant, est aussi considéré. Les résultats montrent que l'excès de chaleur généré par la gazéification de la biomasse et sa conversion en biocarburant peut être utilisée efficacement pour répondre aux besoins de chauffage de la serre tout au long de l'année. Environ 50% de la chaleur résiduelle du système de polygénération peut être récupérée et valorisée pour chauffer la serre. L'intégration d'un système de stockage thermique montre également des résultats concluants en permettant l'utilisation additionnelle d'environ 5% de l'énergie totale produite par la conversion de la biomasse, qui serait autrement rejetée dans l'environnement sous forme de perte de chaleur. Cette énergie stockée peut être réutilisée pendant les périodes de demande de pointe, réduisant ainsi l'utilisation du système de chauffage auxiliaire. L'énergie fournie par le système de stockage couvre plus de 10% de la demande annuelle totale en chauffage, une énergie qui ne doit pas être fournie par un système de chauffage auxiliaire ce qui peut diminuer les coûts économiques et environnementaux (émissions de gaz à effet de serre). Finalement, l'ajout d'un système de stockage thermique peut réduire considérablement la puissance thermique qui doit être fournie par le système de polygénération pour répondre aux besoins des serres. La puissance peut être réduite de 5.9MW à 3.1MW, ce qui représente une diminution de près de 50%.

Abstract

Modern agriculture requires remarkable amounts of energy. Whether for transportation, tillage, grain drying, or heavy machinery operation, fossil fuels are ubiquitous on farms and are used to meet these large energy needs. Currently, most of the heating load in the greenhouse industry is met using fossil fuels. Fortunately, there are other sources of energy such as residual agricultural and forestry biomass. These are considered here to meet the energy needs of greenhouses, reducing economic costs, as well as greenhouse gas emissions. Many processes allow the transformation of these resources into value-added bioproducts, such as liquid hydrocarbons, usually with the release of a significant amount of waste heat. If such a system is implemented in a greenhouse, the energy needed to heat the greenhouse can be obtained simultaneously with the extraction of liquid hydrocarbons from the residual biomass. In recent years, most of the work in this field has been oriented towards large-scale production facilities. However, decentralized energy systems are often overlooked and are the primary focus of this thesis. Decentralized installation offers advantages, especially if the biofuel plant can be coupled with a heating load and thermal energy storage system, allowing to absorb peak demand and reduce fossil fuel consumption. In this thesis, a tomato greenhouse is coupled with a biomass conversion system as a heat user to study the performance of such a system. We consider the partial gasification of residual biomass to allow the production of biofuel, electricity, hydrogen, heat, and CO_2 streams through the same polygeneration system. Excess heat can be used to meet the significant energy needs of heating a greenhouse located in a northern climate such as Québec. This thesis addresses these challenges by proposing a thermal model based on a tomato greenhouse with a polygeneration system as its heat source. Its main contribution is to study the coupling of the constant energy supply of the polygeneration system to the greenhouse heat demand curve, while analyzing the energy saving potential related to the integration of short- and long-term storage systems. The proposed model integrates a water tank as a short-term storage system and an underground rock bed as a long-term storage system. An auxiliary heating system is also considered, using methanol produced by the polygeneration system itself as fuel. The results show that the excess heat generated from biomass combustion can be effectively used to meet greenhouse heating needs throughout the year. Approximately 50\% of the waste heat can be recovered and used to heat the greenhouse. Integration of thermal storage system also shows conclusive results in allowing the use of additional an approximately 5% of the total energy produced by biomass conversion that would otherwise be rejected in the environment as heat loss. This stored energy can be reused during periods of peak demand, thus reducing the use of expensive auxiliary heating system. The energy supplied by the thermal energy storage system covers more than 10% of the total annual heating demand, energy that does not have to be supplied by an auxiliary heating system which can reduce economic and environmental costs (greenhouse gas emissions). Moreover, the addition of thermal storage can considerably reduce the thermal power that must be supplied by the polygeneration system to meet greenhouse needs. The nominal power can be reduced from 5.9MW to 3.1MW which represents a decrease of almost 50%.