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RÉSUMÉ
La valorisation de la biomasse est au cœur des interrogations sur les ressources énergétiques au cours du xxie siècle. Pour les biomasses humides, un procédé intéressant de valorisation est la gazéification en eau supercritique, qui permet la production d'un gaz énergétique très intéressant de par son origine non fossile. La gazéification en eau supercritique s'adresse plus particulièrement à des biomasses très humides. L'influence des conditions opératoires principales sur la nature et les rendements de conversion de ce procédé sont détaillés et les pilotes de laboratoire les plus importants sont présentés.
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Olivier BOUTIN : Ingénieur École nationale supérieure des Industries chimiques, Docteur en Génie des procédés - Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA Marcoule)
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Jean-Christophe RUIZ : Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA Marcoule) - Responsable du projet Eau supercritique au sein du laboratoire des Procédés supercritiques et de Décontamination.
INTRODUCTION
La valorisation de la biomasse est au cœur des interrogations sur les ressources énergétiques au cours du xxi e siècle. Elle en est un des enjeux majeurs. Le terme biomasse regroupe des significations très diverses, depuis une biomasse noble destinée à l'alimentation, comme les céréales, jusqu'à des biomasses assimilables à des déchets comme les vinasses issues de la fabrication de betterave ou les boues biologiques de station d'épuration. Dans le cas des biomasses humides un procédé de valorisation d'intérêt est la gazéification en eau supercritique. Ce procédé permet d'éviter une étape de séchage et, moyennant des conditions de pression et de température adéquates, la production d'un gaz énergétique pouvant contenir de l'hydrogène, du méthane, du monoxyde de carbone et/ou des hydrocarbures légers. L'intérêt suscité par ce procédé est donc à situer dans la problématique globale de l'accès à une énergie d'origine non fossile ainsi que dans la problématique des gaz à effet de serre, l'utilisation de biomasse s'insérant dans un cycle court du carbone. La gazéification en eau supercritique s'adresse plus particulièrement à des biomasses très humides (plus de 70 % d'humidité) qu'il n'est donc pas nécessaire de sécher au préalable. Les températures de réaction sont relativement basses (maximum de 700 °C), comparées aux procédés de gazéification en voie classique ou sèche (typiquement 900 °C). Cela limite la production de gaz polluants, type dioxines ou NOx. De même, le milieu aqueux de solvatation permet de limiter la formation de solides et de goudrons. Les gaz visés sont l'hydrogène principalement, mais également un mélange hydrogène et monoxyde de carbone (mélange pour la synthèse Fisher Tropsch), ou la production de méthane. L'influence des conditions opératoires principales sur la nature et les rendements de conversion sera détaillée dans cet article (pression, température, concentration initiale de la biomasse, présence ou non de catalyseurs). Le développement industriel de ce procédé n'étant pas réalisé à ce jour, les pilotes de laboratoire les plus importants (jusqu'à 100 kg.h-1) seront présentés.
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Technologies de gazéification en eau supercritique
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3. Généralités sur la gazéification en eau supercritique
3.1 Les différentes biomasses concernées
Compte tenu du fonctionnement du procédé en eau sous pression, celui-ci s'adresse principalement aux biomasses déjà fortement humides, qu'il faut parfois diluer pour atteindre des concentrations massiques acceptables en entrée de procédé. Le taux d'humidité est certainement un critère économique de choix de procédés, mais aucune étude n'a pour l'instant donné d'indications claires et définitives sur le choix d'une valorisation thermochimique en fonction du taux d'humidité et du type de biomasse. D'autre part, certaines des biomasses peuvent être considérées comme « nobles », c'est-à-dire une source de matière première directe, et d'autres peuvent être des déchets de l'agriculture ou de certaines industries.
Parmi les biomasses nobles, celles contenant un taux humidité important et suscitant un grand intérêt sont les microalgues.
Par exemple, Guan et al. [3] ont étudié la gazéification d'une souche Nannochloropsis, une algue marine. De bons rendements de gazéification (jusqu'à 84 %) sont obtenus pour des concentrations massiques initiales inférieures à 15 % [4]. Comparés à une biomasse plus classique, les rendements en méthane sont plus élevés.
En ce qui concerne les biomasses lignocellulosiques plus classiques, certaines peuvent contenir des taux d'humidité élevés, rendant leur séchage avant une gazéification classique non intéressant. Dans le cadre d'études plus fondamentales et de recherche sur les mécanismes de dégradation, il est en général admis que le glucose est un composé modèle pour la cellulose, les composés aromatiques pour la lignine et la glycine pour les protéines [5]. Une étude sur de nombreuses biomasses différentes d'origine agricole montre la grande diversité des résultats obtenus et la difficulté de prédire les rendements de gazéification à partir de la composition de la biomasse initiale [6]. Un exemple probant sur la gazéification de différents types de maïs peut être également cité [7]. De plus, le taux de lignine a un impact négatif sur le rendement de gazéification [8]. En effet, les mécanismes de dégradation de la cellulose sont connus et conduisent à de bons rendements de gazéification. La dégradation de la lignine par contre est plus complexe et conduit à un nombre important d'intermédiaires...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEUSBROCK (I.), METZ (S.), REXWUNKEL (G.), VERSTEEG (G.) - Quantitative approaches for the description of solubilities of inorganic compounds in near-critical and supercritical water. - Journal of Supercritical Fluids, 47, 117 (2008).
-
(2) - KHAN (M.S.), ROGAK (S.) - Solubility of Na2SO4, Na2CO3 and their mixture in supercritical water. - Journal of Supercritical Fluids, 30, 359 (2004).
-
(3) - GUAN (Q.), SAVAGE (P.), WEI (C.) - Gasification of alga Nannochloropsis sp. in supercritical water. - Journal of Supercritical Fluids, 61, 139 (2012).
-
(4) - CHAKINALA (A.), BRILMAN (D.), VAN SWAAIJ (W.), KERSTEN (S.) - Catalytic and non-catalytic supercritical water gasification of microalgae and glycerol. - Industrial Engineering Chemistry Research, 49, 1113 (2010).
-
(5) - SCHMIEDER (H.), ABEL (J.), BOUKIS (N.), DINJUS (E.) - Hydrothermal gasification of biomass and organic wastes. - Journal of Supercritical Fluids, 17, 145 (2000).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1 Organismes – Fédérations – Associations
Association Innovation Fluides Supercritiques IFS
http://wikini.supercriticalfluid.org
Association International Society for Advancement of Supercritical Fluids ISASF
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