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%.