La pyrolyse est une étape clé des procédés de synthèse thermochimique des biocarburants de deuxième génération. Notre objectif a été d'améliorer la compréhension des mécanismes impliqués à l'échelle d'une particule. Il apparaît nécessaire en premier lieu d'acquérir de nouvelles données expérimentales en maîtrisant les conditions opératoires, pour dans un second temps valider des modèles. Un dispositif expérimental a été développé pour étudier la pyrolyse d'une particule de bois de taille centimétrique entre 450 et 1050°C. La température interne, la masse et les dimensions de la particule ainsi que les rendements instantanés en gaz ont été suivis en temps réel. Les produits de pyrolyse ont été caractérisés. Le modèle développé dans un système à deux dimensions par l'Université Catholique de Louvain a été utilisé pour décrire les conditions expérimentales et simuler les résultats. Des écarts significatifs entre modèle et expérience ont été observés. La comparaison des données simulées et expérimentales ainsi que l'analyse des résultats d'une étude paramétrique permettent d'identifier des pistes d'amélioration du modèle. Les propriétés thermiques de la particule ont été déterminées expérimentalement. Des corrélations sont proposées pour décrire les variations des chaleurs massiques et des conductivités thermiques du bois et du résidu carboné en fonction de la température de pyrolyse, jusqu'à 1050°C. / Pyrolysis is a key step in the thermochemical conversion processes of biomass for the synthesis of second generation biofuels. The objective is to improve our understanding of the mechanisms of pyrolysis at the particle scale. It appears necessary to first get new data by controlling the operating conditions in order to secondly validate models. An experimental device has been developed to study the pyrolysis of wood centimeter-scale particle between 450 and 1050°C. The internal temperature, the mass and size of the particle, and instantaneous gas yields were monitored continuously. The products of pyrolysis were characterized. The model developed in a two dimensional system by the Catholic University of Louvain was chosen to describe the experimental conditions and simulate the results. Significant differences between model and experiments were observed. The comparison between simulated and experimental results and the results of a parametric study are used to identify ways to improve the reliability and the predictive ability of the simulations. The measurement of the particle thermal properties was one of the identified ways and was studied carefully. Correlations are proposed to describe the variations of both wood and char heat capacities and thermal conductivities with the pyrolysis temperature until 1050°C.

La torréfaction est un procédé thermochimique qui, appliqué à la biomasse, permet d'améliorer les propriétés de ce matériau en tant que vecteur énergétique. Il s'opère entre 250 et 300°C sous atmosphère inerte. Dans le contexte énergétique actuel, l'augmentation des volumes de matières torréfiées produites, transportées et stockées est annoncée pour la décennie à venir. Ce développement à l'échelle industrielle soulève la problématique de l'auto-échauffement et des risques qui lui sont associés. Dans ce travail, une approche multi-échelles a été mise en oeuvre pour étudier le comportement du bois torréfié en présence d'oxygène. Des expériences ont été réalisées à l'échelle du milligramme, à celle d'une sphère de bois torréfié et à celle d'un lit de plaquettes de bois torréfié. Les réactions et l'auto-échauffement généré à l'échelle de la sphère ont été modélisés. Les résultats du modèle présentent une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Quelle que soit l'échelle considérée, il a été montré que le bois sévèrement torréfié était plus sensible à l'auto-échauffement et à l'auto-combustion que le bois doucement torréfié. Il a également été confirmé que le suivi des gaz émis pourrait être un bon indicateur de la présence d'un auto-échauffement dans un lit de biomasse torréfiée. / Torrefaction is a thermochemical process which, applied to biomass, increases the fuel properties of this material. It operates between 250 and 300°C in an atmosphere depleted of oxygen. Considering the actual energetic context, the large scale development of the torrefied market is expected to the decade to come. This scale-up rises self-heating issue and its associated risks. In this work, a multiscale approach has been used to study the torrefied wood behavior when it gets into contact with oxygen The reactions have been studied at the milligram scale, self-heating has been generated for a unique torrefied wood sphere and self-heating at the reactor scale has been studied to better represent industrial conditions. Experiences have been done at all of these scales. Moreover, a modeled has been proposed to describe the reactions and the self-heating generated at the particle scale. Numerical results show good agreement with experiments. Furthermore, whatever the scale considered, it has been shown that the severely torrefied wood is more prone to self-heating than the mildly torrefied wood. It was also confirmed that continuous emitted gases monitoring could be a good indicator to detect and thus prevent a self-heating of a torrefied biomass bed.

Auf arsen- und schwermetallbelasteten Böden im Raum Freiberg/Sachsen erfolgten Kalkdüngungsversuche und der Anbau von Weiden und Pappeln zur energetischen Verwertung. Nach der Kalkung auf Acker- und Grünlandflächen nahm der pflanzenverfügbare Anteil an Cadmium und Blei im Oberboden ab, nicht jedoch bei Arsen. Obwohl der Boden des Grünlandes hoch mit Blei und Arsen belastet war, wurde der Futtermittelgrenzwert nur vereinzelt bei Arsen und teilweise bei Cadmium überschritten. Bei Cadmium wurden erst mit zunehmendem pH-Wert und damit sinkendem pflanzenverfügbaren Anteil an Cadmium die Grenzwerte eingehalten. Die Kurzumtriebsplantage mit Pappeln und Weiden erreichte sehr gute Erträge. Sie lagen nach drei Anbaujahren bei 6,3 t TM/ha*a und nach weiteren zwei Jahren bei 16 t TM/ha*a. Weiden nahmen im Vergleich zu Pappeln die dreifache Menge an Cadmium und Zink auf. Die Einlagerung erfolgt insbesondere in den Blättern. Die belasteten Brennstoffe wurden in Feuerungsanlagen energetisch verwertet, die Aschen analysiert. Die Vergasung von Miscanthuspellets in einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgte problemlos.

Für den Anbau von Biomasse-Dauerkulturen wie schnellwachsende Baumarten werden Anbauhinweise und -empfehlungen gegeben, die Aspekte des Boden-, Gewässer- und Naturschutzes berücksichtigen. Standorteignung, Wirkungen auf wildlebende Pflanzen- und Tierarten, entstehende Synergieeffekte, Einflüsse auf den Wasserhaushalt, Stoffeinträge in Gewässer sowie klimatische Wirkungen sind Teilaspekte, unter denen die Chancen und Risiken der energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe im Rahmen eines mehrjährigen Verbundvorhabens in Sachsen untersucht wurden. Ergänzend wurde auch der Anbau einjähriger Energiepflanzen betrachtet.

Introduction :Dans la plus grande partie du monde en développement, la pollution de l’air domestique liée à l’utilisation de combustibles solides constitue un grave risque sanitaire et contribue fortement à la charge de mortalité et de morbidité.En effet, dans ces pays, près de 3 milliards de personnes continuent d’utiliser des combustibles traditionnels tirés de la biomasse (bois, résidus agricoles, excréments d’animaux, charbon de bois), pour cuire les aliments et / ou se chauffer, causant ainsi le décès prématuré d’environ 3,8 millions de personnes chaque année.Au Burkina Faso, comme dans la plupart des pays d’Afrique de l’Ouest, l’utilisation de combustibles solides, notamment à base de biomasse, est encore très répandue. En 2014, 89, 3% des ménages burkinabé continuaient d’avoir recours aux combustibles solides à base de biomasse pour la cuisine. A Ouagadougou, près de 56 % des ménages continuaient de recourir au bois de chauffe ou au charbon de bois pour la cuisine. Quels sont les facteurs déterminant les choix énergétiques et l’impact de ces choix en termes d’exposition et de risques sur la santé respiratoire des femmes en charge des activités culinaires dans les ménages ?L’objectif général de ce projet de thèse était d’apporter une réponse à cette question. Plus spécifiquement, il s’agissait de :- Estimer les prévalences des manifestations respiratoires tels que certains symptômes respiratoires aiguës et chroniques, la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) et l’asthme, chez les femmes chargées principalement de la cuisine dans les ménages ;- Déterminer la relation entre la pollution liée à l’utilisation de combustibles à base de biomasse et les manifestations respiratoires chez les femmes en charge de la cuisine dans les ménages ;- Caractériser le niveau de pollution de l’air dans les ménages en fonction des choix énergétiques pour la cuisine familiale ;- Identifier les facteurs qui influencent les choix énergétiques pour la cuisine familiale dans la ville de Ouagadougou.Matériels et méthodes :Pour l’atteinte de nos objectifs de recherche, les travaux menés au cours de cette thèse étaient de quatre ordres en fonction de leurs approches méthodologiques respectives.- Une revue systématique visant à mettre en évidence l’impact de l’exposition à la fumée de combustibles de type biomasse sur la survenue de BPCO chez la femme.- Une étude transversale à visée descriptive :Il s’agit d’une étape qui a permis de caractériser les ménages et les femmes impliquées dans l’étude et de déterminer les préférences énergétiques pour la cuisine. - Une étude transversale à visée analytique afin de comparer l’état de santé respiratoire, assimilé à la présence d’un certain nombre de symptômes respiratoires, la prévalence de la BPCO et celle de l’asthme, selon les choix énergétiques.- Une étude observationnelle de type cas-témoins ayant pour but de comparer le niveau d’exposition aux polluants émis par la combustion de la biomasse dans la cuisine entre le groupe des femmes malades de BPCO identifiées lors de la phase précédente et celui des femmes témoins indemnes de la BPCO.- Une étude transversale complémentaire a été conduite afin d’évaluer l’exposition à pollution de l’air domestique en fonction des conditions de préparation des repas dans les ménages. Des mesures environnementales ont été réalisées.Les enquêtes ont été menées dans trois quartiers (secteurs) de la commune de Ouagadougou :Kilwin, Tampouy et Tanghin, entre mars 2017 et septembre 2018.Le traitement statistique des données de ces études a donné lieu à plusieurs analyses descriptives et explicatives dans lesquelles nous avons présenté, en plus des statistiques usuelles, les odds ratio et leur intervalle de confiance à 95% et les tests d’association calculés grâce au logiciel Stata/SE version 12 et 13. Une P valeur ≤ 0,05 sera considérée comme significative.Pour l’estimation de la force des associations entre les variables d’exposition (le principal combustible utilisé pour la cuisine ou les concentrations moyennes de polluants) et les variables d’intérêt, l’analyse était d’abord univariée, puis multivariée afin d’estimer des risques propres débarrassés des facteurs confondants et des facteurs modificateurs d’effet.Résultats :Les résultats obtenus ont fait l’objet de publications. Pour l’essentiel, les différentes analyses en viennent aux constatations suivantes :- L’exposition domestique à la fumée de la biomasse est un facteur de risque de BPCO chez les femmes dans le monde. Il y a peu d’études africaines sur le sujet.- L’état de santé respiratoire est assez préoccupant chez les femmes chargées des activités de cuisine dans les ménages. La prévalence de la BPCO était de 2.26% dont une prévalence de 1.06% de BPCO diagnostiquée à la spirométrie et 1.17% de bronchite chronique. Toutes les femmes dépistées BPCO à la spirométrie avaient déclaré l’utilisation de la biomasse énergie comme principale combustible pour les préparations culinaires. L’asthme a été diagnostiquée chez 18.18% des femmes.- Il existe de grandes disparités de santé respiratoire entre les femmes utilisant principalement le bois ou le charbon de bois pour la cuisine et celles utilisant le gaz. L’utilisation de la biomasse comme combustible de cuisine a une influence sur la survenue de plusieurs symptômes respiratoires aigus et chroniques, de la BPCO et de l’asthme. - Les concentrations de PM2.5, contenant des poussières particulaires ayant une taille leur permettant d’atteindre les régions bronchiolaires et alvéolaires, émises dans les cuisines sur 24h étaient i) au-delà des valeurs recommandées par l’OMS pour la qualité de l’air intérieur, ii) plus élevées dans les cuisines où l’on brûle du bois et ou du charbon de bois en comparaison aux cuisines où l’on utilisait des foyers à gaz, iii) plus élevées dans les foyers traditionnels que les foyers améliorés, iiii) plus élevées dans foyers améliorés à charbon que les foyers améliorés à bois.- La différence dans la concentration moyenne de PM2.5 dans les cuisines entre les femmes avec une BPCO et sans une BPCO était non significative.- Environ 60% des ménages avait recours principalement à des combustibles à base de biomasse pour la préparation des repas. - Près de 85% des ménages combinent au moins 2 types de combustibles afin de satisfaire leur besoin énergétique dans le cadre de la cuisine. - Le statut socio-économique, la taille du ménage, le niveau d’instruction et l’âge de la femme en charge de la cuisine, le type de combustible utilisé chez ses parents, sont des facteurs qui influencent les choix énergétiques. Discussion :L’utilisation de combustibles polluants tels que les combustibles traditionnels de type biomasse, au centre de ces symptômes et maladies respiratoires chroniques, comme l’ont montré nos différents résultats, est malheureusement très répandue dans plusieurs pays d’Afrique sub-saharienne tels que le Burkina Faso. L’adoption de la biomasse énergie n’est pas seulement l’apanage des populations des zones rurales. Les préférences pour ce type d’énergie sont encore très populaires dans les zones urbaines. L’identification des déterminants des choix énergétiques, mettant l’accent sur ceux axés sur la personne chargée de la préparation des repas dans le ménage revêt une grande importance. Dans les pays en développement, la cuisine est une activité féminine, de sorte que le choix de l’énergie de cuisson domestique n’est pas seulement attribué au chef de ménage, mais aussi à la femme en charge des activités culinaires dans le ménage.Nos résultats nous permettent d’affirmer que, malgré les subventions gouvernementales pour maintenir le prix du gaz de pétrole liquéfié (GPL) relativement abordable, les combustibles de cuisson à base de biomasse restent en tête de liste des choix des ménages de Ouagadougou. Le bois a été la première source d’énergie contrôlée par l’homme lorsque l’utilisation du feu a été découverte. L’utilisation du bois dans la cuisine pour la préparation des repas, est une question d’habitude. Dans ces cas, l’amélioration des performances techniques des foyers traditionnels, en ajoutant une cheminée par exemple, pourrait être plus accepté et constituer une alternative plus rentable pour réduire la consommation de combustibles, réduire les émissions de fumée et l’exposition aux polluants, tout en respectant les habitudes et les besoins culturels des individus.De nombreuses études interventionnelles ont suggéré que l’amélioration de la ventilation des foyers et/ou de la cuisine peut réduire les concentrations de polluants dans la cuisine pendant la cuisson, l’exposition personnelle et les effets sur la santé de l’exposition à la fumée de la combustion de la biomasse, aussi bien chez les femmes que chez les enfants de moins de 5 ans.Cependant, même si les niveaux de pollution sont réduits lorsque les foyers traditionnels sont améliorés, ils demeurent considérablement plus élevés que les valeurs guides recommandées par l’Organisation mondiale de la santé pour la qualité de l’air intérieur. Ces foyers semblent plus économes en énergie, mais ont encore des niveaux d’émissions de polluants élevées.Le défi consiste à concevoir des foyers à biomasse à la fois écoénergétiques et qui réduisent les émissions à des niveaux suffisamment bas pour préserver la santé. Des stratégies pour assurer l’accès des ménages à des combustibles à la fois peu polluants, fiables et abordables financièrement, et des stratégies pour soutenir le passage au GPL ou au solaire, sont nécessaires. Conclusion :L’exposition à la fumée de la biomasse énergie cause des dommages respiratoires aux femmes en charge de la cuisine dans les ménages. Il est plus qu’urgent d’accélérer la transition énergétique. Des stratégies pour assurer l’accès des ménages à des combustibles à la fois peu polluants, fiables et abordables financièrement, et des stratégies pour soutenir le passage au GPL ou au solaire, sont nécessaires. Outre les subventions gouvernementales qui permettent à une partie de la population d’utiliser le GPL comme principal combustible de cuisson, d’autres initiatives doivent être mises en œuvre, en particulier pour les plus pauvres pour lesquels les prix du GPL malgré la subvention restent hors de portée et pour ceux qui, culturellement ou par habitude, restent réticents aux combustibles modernes, afin de leur permettre à tous un accès à une énergie propre et saine. Dans les communautés pauvres, des initiatives qui permettent des paiements par versements en plusieurs fois, pour l’acquisition d’équipements de cuisine peu polluants, doivent être mises en œuvre et encouragées, afin de soutenir leur désir de changement. Améliorer les connaissances et les comportements des femmes grâce à des campagnes de sensibilisation participatives sur les effets nocifs de l’utilisation de combustibles à biomasse peut être bénéfique. / Doctorat en Santé Publique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Bioenergie – das Multitalent mit den vielen verschiedenen Konversionspfaden und Nutzungsmöglichkeiten aus den vielfältigen nachwachsenden Rohstoffen! Wird ihre Rolle im Energiesystem angemessen gewürdigt? Werden ihre Funktion und ihre besonderen Potenziale im Systemzusammenhang realistisch dargestellt und analysiert? Welche Kenngrößen sind zur Abbildung des hochgradig diversen Bioenergieanlagenparks von relevanter Bedeutung für die Systemanalyse? Dies ist ein Ausschnitt der zentralen Fragen, mit denen sich dieses Handbuch aus methodischer Sicht beschäftigt. Im Rahmen des vom BMWi im Programm „Energetische Biomassenutzung“ geförderten Projektes „OptiSys“ (FKZ 03KB129) haben sich die Projektpartner deshalb mit der Frage beschäftigt, wie die Bioenergie im großen Zusammenhang des Energiesystems adäquat beschrieben werden kann bzw. sollte. Im Projekt wurde dazu am Beispiel des Biogas-Sektors in Deutschland untersucht, wie sich die zentralen technischen, ökonomischen und ökologischen Eigenschaften von Biogasanlagen in Anlagenparks und im Energiesystem sinnvoll systematisieren und typisieren las-sen. Darüber hinaus wurde die Einflussstärke der so strukturierten Anlagenparameter auf die Ergebnisse der Modellierung des Energieversorgungssystem Deutschland erarbeitet, um die Relevanz einzelner Parameter herauszuarbeiten und darzustellen. Im Modell wurden sowohl der Strom- und Wärmemarkt als auch der Transportsektor berücksichtigt, wenngleich nicht im identischen Detailierungsgrad. Im Ergebnis halten Sie nun ein Methodenhandbuch in den Händen, aus dem sowohl erfahrene Energiesystemmodellierende als auch Neulinge fundiert und umfangreich in Erfahrung bringen können, wie die Bioenergie im Energiesystemzusammenhang modelliert und analysiert werden kann bzw. sollte. Vom Leser wird dabei kein Expertenwissen zur Bioenergie vorausgesetzt, vielmehr reduziert das Methodenhandbuch das Fachwissen der Biogastechnik auf wenige für die Systemmodellierung relevante Aspekte. Dieses Handbuch soll den Nutzer unterstützen eine bewusste Technologie- und Parameterauswahl für den verwendeten Systemkontext zu treffen und diese auch entsprechend zu kommunizieren. Im Methodenhandbuch werden zum einen allgemein übertragbare Erkenntnisse und Methoden für die Modellierung der Bioenergie formuliert (Teil I) und zum anderen die spezifischen Annahmen aus dem Projekt „OptiSys“ transparent dargestellt (Teil II). Die Verfassenden dieses Methodenhandbuches erheben damit keinen Anspruch auf eine voll-ständige Darstellung aller Facetten der Bioenergie oder auf eine Allgemeingültigkeit der Aussagen zur modelltechnischen Abbildung. Vielmehr geht es um Anregungen, Impulse und Reflexionen bezogen auf das komplexe Themenfeld Bioenergienutzung als Bestandteil der Energiewende. Durch die adäquate Berücksichtigung der Bioenergie sollen die Ergebnisse zukünftiger Systemanalysen belastbarer und die Qualität erhöht werden. Das vorliegende Methodenhandbuch will die im Projekt gewonnenen Erfahrungsschätzen teilen. Ein Beitrag dazu ist sicherlich auch der in Teil II bereitgestellte umfangreiche Datensatz zu den technischen und ökonomischen Parametern der untersuchten Biogaskonzepte.

Mehr als die Hälfte der erneuerbaren Energie in Deutschland stammt aus Biomasse. Im Stromsektor ist ihr Anteil mit etwa 18 % (2019) deutlich geringer als im Wärme- oder Verkehrssektor. Aufgrund ihrer Speicherbarkeit und Flexibilität kann sie hier jedoch in besonderem Maße zum Ausgleich der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind und Sonne und damit zur Versorgungssicherheit beitragen. Vor dem Hintergrund eines weiteren Ausbaus von Wind- und Solarenergie sowie des Kohleausstiegs wird die flexible Bereitstellung von Bioenergie zur Stabilisierung der Strom- und Wärmeversorgung mittelfristig potenziell weiter an Bedeutung gewinnen.

Mit der geplanten Novellierung im Sommer 2014 läuft die Politik Gefahr, den moderaten Ausbau der Stromerzeugung aus Biomasse weitgehend zu beenden. Für die in den letzten Jahren so erfolgreich etablierten Technologielinien besteht das Risiko eines kompletten Ausbau- und damit auch Entwicklungsstopps. Für den bereits existierenden umfangreichen Anlagenbestand zeigt der aktuelle Entwurf keine Perspektive auf und setzt die bisher geleistete Entwicklung aufs Spiel. Auf diesen Sachverhalt wurde bereits von 65 Forschungsnehmern des Förderprogrammes Energetische Biomassenutzung des BMUB hingewiesen. Das vorliegende Hintergrundpapier spricht die Schwachpunkte der geplanten Novellierung an, skizziert deren Auswirkungen und gibt Empfehlungen zur Anpassung der gegenwärtig vorliegenden Vorschläge.

Das vorliegende Hintergrundpapier zeigt die voraussichtliche Entwicklung des Biomasse-Anlagenbestandes sowohl auf Bundesebene als auch auf Ebene der Bundesländer auf. Dafür wurde angenommen, dass der jährliche Ausbaupfad, entgegen dem derzeitigen Trend, von 100 MWel/a ausgeschöpft wird. Auf Ebene der Bundesländer wurde der Ausbaupfad nicht berücksichtigt, da die regionale Verteilung derzeit nicht abgeschätzt werden kann.

Infolge gestiegener Agrarpreise ist kurz- und mittelfristig mit einem Rückgang der Biogaserzeugung zu rechnen, da Biogassubstrate zurzeit verstärkt als Futtermittel nachgefragt bzw. Flächen zur Erzeugung von Futter- und Nahrungsmitteln umgewidmet werden. Um diesen Rückgang zumindest teilweise auszugleichen und den Vorrang der Ernährungssicherheit auch längerfristig zu gewährleisten, sollte Biogas verstärkt aus biogenen Abfällen bzw. Nebenprodukten sowie aus Anbaubiomasse erzeugt werden, die nicht in Konkurrenz zur Erzeugung von Nahrungs- und Futtermitteln steht. Um den Beitrag von Biogas zur Energieversorgungssicherheit zu sichern, wird ein Sofortprogramm zur Mobilisierung biogenen Nebenprodukten, Abfällen und Anbaubiomasse ohne zusätzlichen Flächenbedarf im Umfang von 30 TWh empfohlen. Dies kann zeitnah durch geeignete Anreize im EEG umgesetzt werden. Daneben sollte im Hinblick auf die wichtige Rolle von Gas für eine bedarfsgerechte Stromerzeugung die Flexibilisierung von Biogasanlagen durch höhere Anreize und verschärfte Flexibilitätsanforderungen im EEG beschleunigt werden. Eine weitergehende Ausweitung der Biogaserzeugung ist kurzfristig nur durch starke Einschränkungen von Nachhaltigkeitsanforderungen und noch höheren staatlichen Anreizen möglich, was nicht im Verhältnis zu den dadurch realisierbaren Biogasmengen steht.