Face à la croissance de la demande énergétique mondiale et la récente prise de conscience des problèmes d’augmentation de l’effet de serre et d’épuisement des ressources fossiles, les énergies renouvelables suscitent aujourd’hui un intérêt sans égal. Dans ce contexte, la biomasse présente un potentiel important, et des technologies de valorisation efficaces, comme la gazéification, émergent et encouragent le développement de cette filière.

Thèse soutenue par Mlle. Floriane de Mermoud, Laboratoire Biomasse énergie du Cirad, 2006.

Introduction : la gazéification, principe et historique

La gazéification est un traitement thermochimique qui convertit un solide carboné en un gaz combustible chargé en hydrogène et en monoxyde de carbone. La valorisation de ce gaz se fait aujourd’hui principalement dans des unités de cogénération, mais les possibilités de couplage avec les piles à combustibles ou les réacteurs de synthèse de biocarburants liquides laissent envisager un bel avenir à cette filière.

La gazéification a été développée significativement depuis l’entre deux guerres, avec une puissance mondiale installée de 45 GWth en 2004. Cependant, les installations existantes fonctionnent essentiellement au charbon minéral : l’application à la biomasse se heurte à certains verrous technologiques. Le manque de démonstrations dans le domaine de la gazéification de biomasse aboutit à une stagnation de la filière.

C’est dans ce contexte que l’Union européenne, dans le cadre du 5ème Programme cadre de recherche et développement technologique, a décidé de soutenir la recherche dans ce domaine au travers du projet Lift off. L’objectif du projet est la conception et la réalisation au Danemark d’une installation de démonstration en lit fixe de 2 MWth, permettant la cogénération d’électricité et de chaleur à partir de bois.

Objectif de la thèse

Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’appui à la conception et à l’optimisation des procédés de gazéification en lit fixe continu. En effet, si la gazéification de bois est étudiée depuis de nombreuses années en laboratoire ou sur des installations pilotes, le passage à l’échelle industrielle rencontre des difficultés technologiques.

Lorsque la taille du lit fixe augmente, la perte de charge à travers le lit, engendrée par le tassement des cendres, devient trop importante et des passages préférentiels pour les gaz se créent au sein du lit. Ces phénomènes entraînent une limitation de la réaction et donc une chute du rendement de l’installation.

L’objectif de ce travail est d’atteindre une compréhension plus fine du comportement du lit fixe continu pendant la gazéification, nécessaire pour dépasser les difficultés évoquées ci-dessus.

Contenu

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse se décompose en cinq parties :

Le chapitre I décrit les enjeux de la gazéification de la biomasse : tout d’abord sur le plan environnemental, avec les engagements de réduction des émissions de gaz à effets de serre ; puis, sur le plan énergétique, avec l’importance et la variété du gisement disponible ; sur le plan économique ensuite, avec les opportunités de développement rural et d’indépendance énergétique ; enfin, sur le plan industriel, avec le développement de nouvelles technologies énergétiquement performantes.

Le chapitre II est consacré à une étude bibliographique des phénomènes mis en jeu lors de la gazéification d’une particule de charbon de bois à la vapeur d’eau. Les caractéristiques du bois ainsi que le déroulement de la phase de pyrolyse sont tout d’abord décrits. La gazéification à la vapeur d’eau est ensuite spécifiquement étudiée. Les différents phénomènes de cinétique chimique, de transferts thermiques et massiques et d’adsorption des réactifs à la surface des pores sont détaillés.

Le chapitre III présente une étude expérimentale sur la gazéification d’une particule de charbon à la vapeur d’eau. L’influence de la vitesse de chauffe pendant la pyrolyse sur les propriétés du charbon est tout d’abord mise en évidence. Une étude paramétrique a ensuite été réalisée sur un dispositif expérimental de type « macro-TG ». L’influence
de paramètres tels que la température (830-1030°C), la pression partielle de vapeur d’eau (0,1-0,4 atm), la taille des particules (10-30 mm), ou la vitesse de chauffe pendant la pyrolyse est soulignée. La recherche d’un critère de surface réactive est également entreprise.

Le chapitre IV expose un modèle numérique de gazéification d’une particule de charbon de bois. La confrontation avec les résultats expérimentaux permet de déterminer les paramètres cinétiques de la réaction de gazéification à la vapeur d’eau. L’interprétation des résultats a amené l’auteur à conclure quant à la situation thermochimique de la particule au cours de sa gazéification. Ce modèle sera à la base d’un modèle de lit fixe.

Le chapitre V décrit le réacteur pilote conçu et réalisé dans le cadre de ce travail. Il s’agit d’un réacteur en lit fixe continu reproduisant la seule phase de gazéification d’un procédé complet. Les résultats des premiers tests de gazéification en lit fixe continu sont rapportés et permettent de valider la pertinence et l’intérêt d’un tel dispositif.

L’intégralité de la thèse est à télécharger ici

Jérome Levet, René Massé