Gazéification de charbon de bois à la vapeur d’eau : de la particule isolée au lit fixe continu

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

Biogaz et compatibilité avec les moteurs de cogénération

Extrait du rapport d’une recherche réalisée à l’unité de thermodynamique de l’Université catholique de Louvain sous la responsabilité du Professeur Martin dans le cadre du projet BIOCOGEN financé par la Région Wallonne (appel PIMENT) de Belgique. Février 2007.

Ce document traite essentiellement de l’évaluation de la compatibilité du biogaz obtenu en laboratoire avec les exigences des groupes de cogénération disponibles sur le marché.

Le biogaz constitue une alternative au fuel lourd ou au gasoil pour la production d’électricité et éventuellement d’eau chaude. Le biogaz peut être issu de la digestion anaérobie de la fraction organique des déchets ménagers, de la récupération du méthane dans les décharges publiques des mégapoles africaines, de la valorisation énergétique des effluents des industries agroalimentaires et des abattoirs.

Son utilisation dans les moteurs disponibles sur le marché est conditionné par les exigences des équipementiers aussi bien pour la garantie de compatibilité que pour assurer un fonctionnement optimal des installations et par ricochet une meilleure rentabilité du projet.

Ce document est structuré en deux parties :

  • L’analyse de la littérature et des pratiques industrielles sur la caractérisation des combustibles gazeux et les méthodes d’épuration du biogaz ;
  • La présentation de quelques résultats de l’enquête menée auprès des motoristes et packagers concernant les exigences sur la qualité du combustible gazeux et les conditions de maintien de la garantie.

Pépin Tchouate

Etude comparative de chaînes de conversion d’énergie dédiées à une éolienne de petite puissance

Thèse soutenue par M. Adam Mirecki, Laboratoire d’électrotechnique et d’électronique industrielle (LEEI), Institut national polytechnique de Toulouse (INPT), 2005.

Nous disposons de ressources en énergie renouvelable inépuisables, que nous sommes en mesure d’exploiter de plus en plus facilement et proprement. Néanmoins, longtemps négligées, les techniques d’extraction de la puissance de ces ressources demandent des recherches & développements plus approfondis, pour accroitre leur fiabilité, réduire leurs coûts (de fabrication, d’usage et de recyclage) et augmenter leur efficacité énergétique.

Introduction : « grand et petit éolien », rapide état des lieux

Cette étude s’intéresse à la filière éolienne qui semble une des plus prometteuse avec un taux de croissance européen et mondial très élevé, même si la France reste « à la traîne » dans ce secteur par rapport à ses voisins Allemands et Espagnols.

Si la filière du « grand éolien » (fermes de forte puissance, sites offshore,…) est en pleine expansion, l’idée de décentraliser l’énergie en produisant de petites quantités de façon localisée (proche du besoin) est de plus en plus présente.

Parmi les applications potentielles de ce qu’on qualifie habituellement de « petit éolien » (gamme de puissances inférieures à 100 kW), l’électrification rurale occupe une place prépondérante, pour ses usages domestiques, mais aussi , pour le pompage, le traitement de l’eau, l’électrolyse de l‘eau et, à plus long terme, le stockage d’hydrogène… Au delà de ces réseaux isolés (ilotés), on parle aussi aujourd’hui d’intégration des énergies renouvelables en site urbain. En effet, après notamment les incidents récemment intervenus sur les réseaux nationaux et transnationaux, et dans le contexte « délicat » de la dérèglementation du secteur de l’énergie, l’idée d’un habitat partiellement, voire totalement autonome en énergie (« bâtiment zéro énergie ») fait son chemin. Or, pour ce qui concerne l’éolien, les gisements à proximité des habitations sont nettement moins réguliers et a priori moins performants que les sites « dégagés », et nécessitent impérativement une gestion optimisée (systèmes à fréquence variable,…) tout en restant peu coûteuse.

Objectifs de l’étude

C’est dans ce contexte du « petit éolien » que se situe l’étude proposée ici : son but est de recenser les solutions actuelles et d’en imaginer d’autres, dans l’optique d’optimiser le compromis coût / performance au niveau système, c’est à dire en jouant sur l’architecture (choix de convertisseur, minimisation du coût de mesure,…), le dimensionnement et la
gestion de l’énergie (maximisation de puissance).

Contenu

Chapitre I : état de l’art des énergies renouvelables

Quelques chiffres montrent l’importance et l’évolution dans le temps de la production renouvelable mondiale.

C’est dans ce cadre que la technologie éolienne est abordée et développée. La qualité du gisement éolien est un des facteurs du choix de la configuration de la chaîne éolienne : les méthodes d’évaluation du gisement éolien sont explicitées. Le document illustre de quelques exemples, habituellement utilisés à l’échelle industrielle, les architectures de chaînes de conversion d’énergie, en association avec différents types de génératrices. Dans la limite de ces travaux de thèse, l’ auteur s’est intéressé à des systèmes éoliens de petite puissancen, dédiés à un site perturbé comme ceus rencontrés dans les milieux urbains. Les turbines à axe vertical, qui semblent être adaptées à ces conditions de fonctionnement fortement turbulentes, ont été prises en considération. L’aérodynamique et l’insertion de telles voilures en site urbain ont été et sont étudiés par l’Institut de mécanique des fluides de Toulouse. Ces travaux, auxquels l’auteur a collaboré, sont succinctement décrits en fin de chapitre.

Chapitre II : étude des éléments de la chaîne éolienne

La chaîne éolienne est constituée de la voilure, d’une génératrice synchrone à aimants à grand nombre de pôles, d’une chaîne de conversion d’énergie et de la charge de type batterie.

Les travaux ont été menés parallèlement sur le plan théorique, par simulation et sur un banc d’essai dédié, puis en partie développé par l’auteur au LEEI. Les modèles permettant un comportement dynamique de la voilure sont développés. Un « générateur de vitesse » commandé en fonction de la vitesse du vent fait office de « simulateur numérique ou physique (banc d’essai) de voilure éolienne ». Une machine synchrone autopilotée est spécialement commandée à cet effet sur le banc d’essai. Diverses structures de conversion statique d’énergie sont proposées : redresseur MLI, redresseur à diodes associé à un hacheur dévolteur ou à un hacheur asymétrique à deux bras ; leurs modèles et leurs commandes respectifs sont aussi développés.

Une autre problématique abordée en détail dans ce chapitre est l’association particulière de la génératrice synchrone à aimants directement avec un redresseur à diodes. A cause de l’impédance de la génératrice, cette association est fortement couplée et a une grande influence sur les propriétés de la chaîne de conversion. Des limitations en terme de puissance accessible apparaissent et l’effet prépondérant du phénomène d’empiètement est analysé et modélisé.

Chapitre III : étude dynamique orientée système

L’association des éléments décrits dans le chapitre précédent permet d’avoir une vision globale de la chaîne de conversion d’énergie.

La caractéristique de la voilure Savonius ici considérée est très fortement non linéaire avec une « forme de cloche » prononcée : elle nécessite impérativement d’adopter une stratégie de recherche du point maximal de puissance (Maximum Power Point Tracking – MPPT).

Les techniques développées, décrites dans cette section, peuvent admettre que la caractéristique de la voilure est inconnue : alors un dispositif MPPT basé sur la logique floue est une solution proposée. Dans le cas ou cette caractéristique est connue, les stratégies de recherche de puissance optimale sont multiples (pilotage direct en couple ou en vitesse et commande indirecte par la commande du courant de charge) et adaptées aux structures du convertisseur statique employé (redresseur MLI, pont de diodes, hacheur dévolteur à un cadran, hacheur dévolteur asymétrique à deux bras).

La thèse met en évidence les comportements des structures du système éolien étudiés, confrontés à divers gisements éoliens caractéristiques. Les résultats de calculs numériques et issus des mesures sur banc d’essai permettent une comparaison énergétique entre les différentes configurations matérielles, conjuguées avec les stratégies de commande MPPT développées.

Pour conclure, un bilan global du compromis coût / efficacité est enfin proposé.

L’intégralité de la thèse est à télécharger ici

Jérome Levet, René Massé

La biométhanisation de la biomasse humide

« Vade mecum technique de la biométhanisation de biomasse humide pour les installations de puissance inférieure à 10 MWth ». Document rédigé par le Bureau d’études IRCO Sprl, adapté par DEECC Consulting Sprl, Belgique. 19 pages.

Ce document décrit les aspects techniques de la biométhanisation qui est de plus en plus fréquemment mise en œuvre pour la valorisation des déchets domestiques et dont l’application dans les exploitations agro-industrielles pourrait contribuer au développement durable du secteur électrique dans beaucoup de pays africains.

La biométhanisation consiste en la dégradation de matière organique en absence d’oxygène (digestion anaérobie) et à l’abri de la lumière, par l’action combinée de plusieurs communautés de micro-organismes. C’est un processus qui conduit à la production d’un mélange gazeux appelé biogaz (dont le gaz principal est le méthane – CH4) et d’un digestat. Le biogaz peut être utilisé comme combustible et le digestat, recyclé comme amendement agricole.

Au sommaire :

I. Principes généraux de la biométhanisation

  • Les phases de la digestion anaérobie
  • Conditions optimales pour la digestion anaérobie

II. Types de digesteurs

  • Paramètres techniques des digesteurs, encore appelés fermenteurs
  • Classification sur base des charges acceptées
  • Classification sur base du principe de fonctionnement

III. Dimensionnement des digesteurs

IV. Cas spécifique des unités de biométhanisation de petite taille en agriculture

V. Production de biogaz et bilan énergétique

VI. Pourquoi construire une installation de production de biogaz ?

VII. Conditions nécessaires pour envisager la mise en œuvre d’une installation de biométhanisation

Pépin Tchouate

La roue hydraulique : le projet d’électrification du centre de Kamonia

La République Démocratique du Congo a fait le choix de promouvoir la petite hydroélectricité pour électrifier les zones rurales, de façon durable.

La roue hydraulique

L’exploitation de l’énergie hydraulique remonte à bien longtemps. Mais, c’est aux environs du 18ème siècle qu’elle a pris de plus en plus d’importance avec l’exploitation de l’écoulement naturel de l’eau pour la production de l’électricité.
Bien que de grandes dimensions, lourdes et construites avec des matériaux locaux, les premières roues hydrauliques étaient néanmoins fiables et fournissaient l’énergie nécessaire pour le fonctionnement des moulins, des scieries, de petites centrales hydroélectriques, etc.., en transformant l’énergie de l’eau en énergie mécanique (travail mécanique).
Aujourd’hui, avec l’évolution technologique, la roue hydraulique constitue, à côté de la turbine, une composante essentielle d’une pico ou micro centrale hydroélectrique pour une électrification rurale décentralisée.

Hydroélectricité en République Démocratique du Congo

En République démocratique du Congo (RDC), nous dénombrons plusieurs pico ou micro installations hydrauliques utilisant la roue hydraulique pour produire un travail mécanique. Toutes ces installations appartiennent à des privés. Pour la plupart, ces roues actionnent des huileries, des scieries, des pompes aspirantes pour l’eau d’alimentation ou d’irrigation.

Une dizaine seulement produisent de l’électricité. Ces dernières ont connu à leurs débuts des dysfonctionnements d’exploitation (mauvaise régulation du débit, instabilité de la tension produite, mauvaise conception des ouvrages, etc..). : un travail de conformité technologique a été réalisé par la Commission nationale de l’énergie (CNE), qui est l’Organe de conseil et d’études du Gouvernement Congolais en matières énergétiques, a alors entrepris un travail de mise en conformité technologique de ces équipements. Ces efforts de réhabilitation et de développement des principaux composants des aménagements ont permis une amélioration de la disponibilité des équipements et ouvrages, une diminution des pertes de production, une amélioration de la sécurité de la fourniture et des installations ainsi qu’une réduction des coûts de maintenance.
Actuellement, l’électricité produite par ces centrales concourre au bien – être des populations concernées.

Constituant une préoccupation majeure du Gouvernement de la RDC, la sécurisation de l’approvisionnement en énergie électrique à long terme a conduit donc au choix du développement de la petite hydroélectricité (pico, micro ou mini) au regard du nombre important des sites propices.
C’est dans ce cadre que s’inscrit la publication par la CNE d’une étude sur les possibilités d’électrification des territoires de la RDC par mini ou micro centrales hydroélectriques. Cette étude a été publiée en octobre 2005. Un des objectifs visés est la mise en valeur de l’énorme potentiel hydroélectrique national ; l’étude cible 345 sites susceptibles d’être aménagés avec de petites centrales hydroélectriques.

Electrification du centre de Kamonia

La CNE a mis en application cette étude avec la conception et la conduite du projet d’électrification du centre de Kamonia par micro centrale hydroélectrique. La technologie utilisée est celle d’une roue hydraulique actionnant une génératrice. Le coût d’investissement de la MCH, y compris les réseaux de distribution, atteint près de 200.000 US $.
D’une puissance installée de 150 kW et d’un productible de 2 295 MWh, l’installation comprend :

  • un petit barrage qui agit comme seuil déversoir afin de régulariser le niveau d’eau et le débit en saison des pluies ;
  • un évacuateur des crues ;
  • une chambre de mise en charge ;
  • un collecteur comprenant un pertuis muni d’un batardeau à commande manuelle, un rétrécissement et une pente de 1% pour accroitre la vitesse de l’eau à l’entrée de la roue ;
  • un coursier où est placée la roue ;
  • une usine abritant d’autres équipements ;
  • un poste élevateur 110/6.600 V et un poste abaisseur 6 ;6/0,4 kV ;
  • un réseau de distribution.

De construction métallique et du type en dessous, cette roue a 3,5 m de diamètre et développe une puissance de 277 CV. Accouplée à un volant, la roue actionne une génératrice synchrone de 150 kVA par l’intermédiaire d’un multiplicateur de vitesse, constitué des poulies à gorges et courroies.

Cette MCH alimente près de 150 ménages, 3 centres médicaux, 4 écoles, quelques PME et ateliers ainsi que l’éclairage public selon une certaine répartition des charges.
Comme quoi, la technologie de la roue hydraulique peut encore servir de nos jours pour améliorer les conditions de vie de nos populations, surtout celles vivant en zones rurales. Toutefois, des considérations techniques doivent être prises en compte et bien respectées pour un fonctionnement optimal et durable.

Mick Mikemoto Lopusu

Activités rémunératrices : études de projets énergie impliquant des femmes dans huit pays d’Afrique et d’Asie

Auteurs : Salome Misana and Gail V. Karlsson, 2001, UNDP, 95 pages

Région : Afrique, Asie, février 2005

Cette publication du PNUD analyse huit projets énergie-femmes mis en œuvre en Afrique du Sud, au Bangladesh, au Ghana, au Kenya, au Malawi, au Mali, au Népal et en Ouganda. Il propose des exemples concrets pour améliorer l’accès des femmes les plus pauvres à des services énergétiques accessibles et montre comment cela permet d’initier du développement local, en créant des revenus, en responsabilisant les femmes dans leur milieu social.

A partir de ces retours d’expériences, le document dénonce les aspects critiques dans la conception des projets et des politiques de l’énergie qui nuisent à l’amélioration de l’accès de femmes aux services énergétiques modernes en zones rurales.


Cette publication a été préparée dans le cadre d’un projet du PNUD intitulé « Energy and Women : Generating Opportunities for Development ». Ce projet a été initié en février 1999, avec le support de SIDA – Swedish International Development Cooperation Agency – et du programme Sustainable Energy Global de l’UNDP.

Cette publication (en anglais) du PNUD propose une lecture critique des options conceptuelles des projets et politiques visant à améliorer l’accès des femmes aux services énergétiques fondée sur l’étude des huit expériences suivantes :

  • Bangladesh : utilisation de lampes alimentées par des batteries, un projet conduit par des femmes, par Hasna J. Khan ;
  • Ghana : énergie pour des entreprises rurales féminines, par Anokte Mensah ;
  • Kenya : projet de foyer Upesi, par Beatrice Khamati Njenga ;
  • Malawi : programme Ndirande Nkhuni de briquette de biomasse, par Malla Mabona ;
  • Mali : plateforme multifonctionnelle pour les villages, par Nalini Burn et Laurent Coche ;
  • Nepal : programme de développement micro-hydro en zone rurale, par Arzu Rana-Deuba ;
  • Afrique du Sud : impact du groupe femme – énergie sur la politique nationale, par Wendy Annecke ;
  • Ouganda : projet d’électrification rurale photovoltaïque, par May Christine Sengendo.

René Massé

Conférence "Le reboisement individuel, élément clé de la filière bois énergie" à Antananarivo (Madagascar)

21 et 22 mars 2007 – Le Programme « Protection et gestion durable
des ressources naturelles » de la GTZ Madagascar, en partenariat avec le ministère de l’Énergie et le ministère de l’Environnement et des Eaux et Forêts, organise une conférence sur la thématique du bois énergie intitulée : « Le reboisement individuel – élément clé de la filière bois énergie ».

Conférence organisée par le Programme « Protection et gestion durable des ressources naturelles » de la GTZ Madagascar.

Thèmes

A cours de la conférence, les thèmes suivant seront abordés :

  • Le charbon de bois – importance et perspectives pour Madagascar ;
  • Le marché du charbon de bois ;
  • Les démarches pour le reboisement individuel villageois ;
  • La durabilité des reboisements et leur gestion ;
  • Les mesures d’accompagnement favorisant la production durable de charbon de bois ;
  • Les conditions cadres pour la réussite du reboisement et la garantie de l’efficacité de la filière charbon de bois.

Lieux et dates

La conférence se tiendra à la Résidence Ankerana à Antananarivo (Madagascar), les 21 et 22 mars 2007.

Public visé et participation

Cette conférence s’adresse en priorité aux acteurs nationaux, publics et institutions intervenant dans la filière charbon de bois et surtout dans le reboisement à vocation énergétique à Madagascar. Afin de favoriser un échange plus large, des acteurs concernés par la filière venant d’autres pays partenaires sont invités à y participer.

Pour des raisons d’organisation, les participants doivent confirmer leur
présence par couriel à l’adresse : greengtz@wanadoo.mg avant le 15 mars 2007.

Le bulletin d’invitation à la conférence est à télécharger ci-dessous :

Jérome Levet, René Massé

Recommandations pour les installations photovoltaïques de pompage et de potabilisation

Système solaire, 2003.

Ce document édité par « Système solaire » en 2003 présente les systèmes photovoltaïques de pompage et de potabilisation.

Les thèmes abordés sont les suivants :

  • le fonctionnement et spécifications des systèmes de pompage photovoltaïques :
    • fiabilité ;
    • sécurité ;
    • bilans énergétiques ;
    • facilité d’utilisation ;
    • installation ;
    • entretien / maintenance ;
  • l’exploitation des systèmes de pompage photovoltaïques ;
  • en fin d’ouvrage une bibliographie permet d’aller plus loin.

Jérome Levet, René Massé

Le petit éolien dans les pays en voie de développement

Bulletin de liaison du réseau des experts de l’énergie décentralisée, Scarabée. Juillet 2005.

Ce document présente l’état de l’art en matière de « petit éolien » pour les pays en voie de développement.

Ce document, à télécharger ci-dessous, présente l’état de l’art en 2005 en matière de « petit éolien » pour les pays en voie de développement.

Les thèmes abordés sont les suivants :

  1. La ressource : le vent
  2. La machine et la transformation du vent en électricité
  3. Les systèmes éoliens, pour un service rendu continu
  4. Coût d’un système éolien
  5. La disponibilité mondiale des petits aérogénérateurs en 2005
  6. Retour d’expériences de projets éoliens dans les PED
  7. L’avenir du petit éolien dans les PED

Voir aussi :

Jérome Levet, Noémie Zambeaux