Clefs n°60 été 2011
Clefs n°60 été 2011
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°60 de été 2011

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (215 x 307) mm

  • Nombre de pages : 104

  • Taille du fichier PDF : 4,5 Mo

  • Dans ce numéro : incontournable chimie.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Chimie pour les énergies alternatives La chimie présente à toutes les étapes des procédés de valorisation énergétique de la biomasse D’ici à 2030, les transports représenteront 20% de la consommation mondiale d’énergie primaire. S’inscrivant dans le respect des engagements en termes d’émission de gaz à effet de serre et de préservation des énergies fossiles, la production de biocarburants de deuxième génération à partir de biomasse, une ressource renouvelable, constitue une des solutions alternatives au pétrole. Les compétences acquises au CEA en thermochimie ainsi que dans la conduite et l’optimisation des procédés sont des atouts déterminants pour maîtriser l’intégration des différentes étapes technologiques de futurs procédés industriels. Échantillons de biomasse. Les recherches menées au CEA ont pour objectif de produire, à partir de biomasse, un gaz de synthèse de haute pureté qui permettra ensuite de fabriquer des biocarburants de haute qualité pour les transports. 38 CLEFS CEA - N°60 - ÉTÉ 2011 L a première génération de biocarburants, appelée agrocarburants, utilise la partie noble des plantes (la graine de colza, maïs, blé...) pour synthétiser des carburants liquides. Au contraire, le CEA a délibérément choisi de travailler, depuis plus d’une dizaine d’années, en non-concurrence avec la filière alimentaire, sur la deuxième génération de biocarburants. Il effectue des optimisations des technologies et des procédés existants ou innovants qui pourraient fournir des quantités importantes de biocarburants à partir de bois, de déchets forestiers et industriels banals, et de résidus agricoles (tiges, feuilles...). Il examine également la possibilité de valorisation énergétique de déchets ménagers et de boues d’épuration par les mêmes technologies. Une évaluation technicoéconomique, basée sur une estimation des quantités disponibles de ces diverses ressources ainsi que sur une amélioration réaliste des rendements en masse et en énergie des procédés existants, montre que ces biocarburants seraient susceptibles de couvrir jusqu’à P.Avavian/CEA la moitié des besoins en carburants liquides actuels (soit environ 25 Mtep) pour les déplacements terrestres en France. Le Laboratoire des technologies de la biomasse (LTB) de l’Institut Liten mène des recherches sur différentes filières technologiques de transformation de la biomasse. Parmi l’ensemble des procédés existants (1), la voie thermochimique consiste à chauffer la ressource, produisant un certain nombre de réactions chimiques au sein du mélange obtenu. Celui-ci comporte, selon les procédés et les niveaux de température atteints, des quantités variables de gaz, de liquides et de solides (figure 1). D’un point de vue expérimental, la gazéification de la biomasse est étudiée au LTB, soit dans des installations à l’échelle du procédé, soit de façon analytique dans des dispositifs de laboratoire permettant l’observation des phénomènes découplés. Assurer l’adéquation ressources/procédé Le potentiel de ressources non valorisées étant limité mais très varié, les procédés devront être suffisamment flexibles pour accepter diverses biomasses en entrée. Or, les propriétés physico-chimiques de celles-ci sont souvent très différentes suivant l’espèce considérée et aussi selon l’histoire de la plante – c’està-dire son itinéraire cultural, sa date de récolte et son lieu de pousse – ce qui peut rendre la gestion du procédé délicate. Ainsi, si la composition élémentaire en carbone, hydrogène, oxygène reste stable quelle que soit la biomasse, en revanche l’humidité, la densité, le pouvoir calorifique, la teneur en azote, soufre, chlore, fluor et en métaux, de même que la concentration en cendres et leur composition sont susceptibles de présenter une grande variabilité. Dans le procédé de gazéification, les éléments inorganiques, qui sont contenus en quantité nettement (1) Voir à ce sujet Clefs CEA N°50/51, Produire du carburant par transformation thermochimique de la biomasse, Hiver 2004-2005, p.42-46.
plus importante dans les coproduits agricoles de type paille (jusqu’à 10% de la masse sèche) que dans les biomasses forestières (1 à 3% de la masse sèche), sont essentiels à caractériser. En effet, ils sont à même de se retrouver dans le gaz produit au cours de la gazéification sous forme de poisons pour les catalyseurs utilisés lors de la synthèse du carburant, de s’agglomérer dans le réacteur de gazéification ou encore d’influencer la vitesse de conversion du solide. Des études menées avec une thermobalance au LTB ont mis en évidence le rôle catalytique ou inhibiteur de plusieurs espèces inorganiques sur la vitesse de conversion, avec plus d’un facteur 20 d’écart entre certains échantillons plus ou moins riches en potassium et silicium. De telles différences peuvent poser problème lors du dimensionnement du procédé. Pour lisser celles-ci, il est actuellement envisagé d’effectuer des mélanges de biomasse afin d’obtenir un solide aux propriétés constantes, et aussi d’améliorer la qualité des biomasses en amont, en synergie avec les producteurs. Comprendre les mécanismes de torréfaction pour optimiser sa réalisation L’injection de biomasse dans un réacteur de gazéification à flux entraîné, qui est l’une des technologies couramment employées pour le charbon, requiert des particules de forme quasi sphérique inférieures à 500 µm environ. Vu la nature fibreuse de la biomasse, répondre à cette spécification est techniquement très difficile et, par conséquent, extrêmement coûteux en énergie. Un prétraitement thermique s’avère donc indispensable pour améliorer la « broyabilité » de la matière, tout en perdant le moins possible de masse. La transformation actuellement privilégiée au CEA est la torréfaction, réaction douce qui s’opère classiquement entre 200 et 300 °C sous atmosphère neutre pendant quelques dizaines de minutes. Plus de 70% de la biomasse initiale est convertie en un produit solide, hydrophobe, dont les caractéristiques se rapprochent du charbon, avec une augmentation à la fois de la proportion de carbone par rapport à celles d’hydrogène et d’oxygène, et aussi du pouvoir calorifique et de la friabilité. Des travaux conduits au LTB visent à comprendre l’origine de cette modification de comportement du solide. Il s’agit de déterminer, notamment à l’aide d’essais en thermobalance et d’analyses en résonance magnétique nucléaire (RMN) du solide, les mécanismes chimiques de dégradation des différents composés de la biomasse, à savoir la cellulose, les hémicelluloses et la lignine, dans le but de modéliser la transformation et ainsi optimiser les conditions opératoires associées. Les chimistes savent aujourd’hui que chacun des constituants présente un comportement distinct : les hémicelluloses instables thermiquement sont très facilement dégradées, au contraire de la cellulose dont la décomposition ne devient significative qu’à partir de 280 °C, et de la lignine qui subit une lente dégradation sur une large gamme de températures. En outre, des interactions entre composés ont été observées aux hautes températures de traitement et des études sont en cours pour déterminer si leur origine est purement structurale ou catalytique. Par ailleurs, lors de la torréfaction sont également émis collecte prétraitement biomasse gazéification gaz de synthèse (H 2,C CO) posttraitement chaleur, électricité moteur turbine à gaz synthèse carburants liquides (diesel, kérosène, DME, éthanol) ou gazeux (SNG, H 2) Figure 1. Schéma général et synthétique de la transformation de la biomasse par la voie thermochimique. Le gaz de synthèse obtenu, une fois nettoyé de ses composés indésirables, est employé directement pour la production de chaleur et d’électricité ou envoyé dans des réacteurs pour synthétiser des biocarburants liquides (diesel, kérosène, diméthyl-éther (DME), éthanol...) ou gazeux (par exemple du méthane, dit Gaz Naturel de Substitution ou selon l’abréviation anglaise SNG, et de l’hydrogène moléculaire H 2). des gaz (CO, CO 2), de l’eau et d’autres condensables tels que l’acide acétique (CH 3 COOH), le furfural ou les phénols. Il est essentiel de prévoir leur composition, afin d’éviter la corrosion des installations ou de les valoriser dans le cadre de la chimie verte. Là encore, des travaux ont été lancés pour établir le lien entre structure macromoléculaire de la matière et produits obtenus. La gazéification de la biomasse : des phénomènes à la fois physiques et chimiques La biomasse ainsi préparée subit une étape de gazéification qui va permettre de produire le gaz de synthèse donnant ensuite le biocarburant. Le LTB PYROLYSE : décomposition de la biomasse biomasse CO, H 2, CH 4, CO 2, H 2 O hydrocarbures C 2 –C 6 goudrons (> C 6) H 2 S, NH 3, KCl, NaCl... T = 700 à 1 500 °C résidu carboné cendres RÉACTIONS EN PHASE GAZEUSE reformage, oxydation ou craquage des hydrocarbures réaction du gaz à l’eau : H 2 O + CO H 2 + CO 2 GAZÉIFICATION : réaction hétérogène C + H 2 O CO + H 2 C + O 2 CO 2 C + CO 2 2 CO Figure 2. Schéma simplifié des réactions chimiques se déroulant lors de la gazéification de la biomasse. Dès son entrée dans le réacteur, la biomasse se décompose sous l’effet de la très haute température. Les produits de la pyrolyse sont des gaz incondensables [monoxyde de carbone (CO), hydrogène moléculaire (H 2), méthane (CH 4), dioxyde de carbone (CO 2), ammoniac (NH 3)], de l’eau (H 2 O), des hydrocarbures, des goudrons, des sulfures [sulfure d’hydrogène (H 2 S)...], des chlorures [chlorure de potassium (KCl), chlorure de sodium (NaCl)...], du résidu carboné et des cendres. CLEFS CEA - N°60 - ÉTÉ 2011 PhotoDisc ; DigitalVision 39



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