Master en sciences et gestion de l’environnement








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2.2- Les différentes technologies de conversion énergétique de la biomasse

2.2.1- La valorisation thermochimique de la biomasse


Beaucoup de technologies existent pour convertir l’énergie que contient la biomasse sèche en chaleur utile ou en électricité. Nous traitons dans ce travail de la combustion, la gazéification et la carbonisation.

2.2.1.1- Combustion

2.2.1.1.1- Définition

La combustion est le moyen le plus simple pour la récupération de l’énergie contenue dans la biomasse. Elle libère directement la chaleur contenue dans la biomasse, tandis que les autres voies de valorisation fonctionnent suivant le principe de convertir la biomasse en un vecteur énergétique plus facilement stockable ou transportable et dont la transformation finale en énergie utile est effectuée à un autre moment et à un autre endroit.

C’est une réaction redox, exothermique réalisée grâce à la combinaison de trois éléments, un combustible (soit du bois), un comburant (le dioxygène…) et une énergie d’activation (quantité d’énergie nécessaire pour initier la réaction).

La combustion du bois fut utilisée jusqu’au 18e siècle comme la principale source d’énergie dans le monde. La crise pétrolière de 1973 a favorisé de grandes améliorations dans ce domaine. Ces améliorations concernent surtout l’amélioration du rendement des appareils et aussi l’élargissement des ressources utilisées dans la combustion. Actuellement la combustion utilise outre que le bois, la bagasse, les pailles, les coques d’arachides etc. (CHRISTOPHE et al., 1981).

Le processus de combustion comprend plusieurs phases (Crehay et Marchal, 2004) :

-Le séchage : l’eau résiduelle contenue dans la biomasse est évaporée à cause de la chaleur du foyer,

-Pyrolyse : La chaleur dégagée par le foyer décompose les constituants de la biomasse en gaz et en fines gouttelettes de goudrons qui se vaporisent. La majorité de ces composées sont combustibles.

-La combustion des gaz : Les gaz qui s’échappent de la pièce de biomasse se combinent rapidement à l’oxygène et brûlent.

-Combustion du résidu carboné : après que les gaz se sont dégagés, le résidu carboné brûle. Plus la pièce de biomasse est de dimension importante, plus ces quatre phases se chevauchent.
2.2.1.1.2-Principaux paramètres influençant la combustion de la biomasse

a) L’air 

Contrairement aux autres voies thermochimiques, la combustion se réalise avec un excès d’air. L’air est nécessaire à deux niveaux :

-Pour brûler le résidu carboné et les gaz au niveau du lit : l’air primaire

-Pour brûler les gaz combustibles au dessus du lit : l’air secondaire

La régulation de la quantité d’air injectée dans le foyer est très importante, car elle influence grandement le rendement de la combustion. Il faut injecter une quantité d’air suffisante pour assurer la combustion complète des gaz.

Cependant, un trop grand excès d’air conduit à une baisse de rendement et à des émissions d’imbrûlés (Crehay et Marchal, 2004).

b) L’humidité de la biomasse

L’eau consomme beaucoup d’énergie pour son évaporation. Donc, plus la biomasse est humide, plus son PCI est faible. En effet, l’introduction d’une biomasse trop humide dans le foyer va provoquer une baisse de la température de la chambre de combustion et par conséquent, une mauvaise décomposition thermique de la biomasse. De plus, la vapeur d’eau augmente considérablement le volume des gaz combustibles et également leur vitesse de passage. À cause de cette augmentation de la vitesse de passage des gaz, ils ont moins de temps pour se combiner avec l’oxygène de l’air pour être brûlés (Crehay et Marchal, 2004).

c) Dimension et la nature de la biomasse

Plus la biomasse est coupée en fine morceau, plus la surface de contact est élevée et plus facilement se dégagent les gaz de décomposition. Il en va de même pour les essences végétales très poreuses. Ces deux caractéristiques ont une grande influence sur la vitesse de combustion. Par contre, lorsque le combustible est trop fin, comme dans le cas de la sciure, la combustion se réalise avec beaucoup de difficultés, car la circulation d’air ne peut pas se faire correctement (Crehay et Marchal, 2004).
2.2.1.1.3- Quelques technologies de la combustion de la biomasse au niveau domestique
2.2.1.1.3.1.- Les foyers domestiques traditionnels

Ce sont des foyers à bois qui sont essentiellement utilisés pour la cuisson de la nourriture. Ces foyers sont construits généralement avec trois pierres arrangées de façon supporter correctement la casserole contenant les aliments. La combustion directe du bois dans ces foyers traditionnels, se fait totalement à l’air libre. En Haïti, le rendement de combustion dans ces foyers traditionnels peut avoisiner les 10% (Saint Jean, 2001).

Par ailleurs, il est à souligner que le rendement de combustion d’un appareil chauffant est considéré comme le rapport entre la quantité potentielle de chaleur contenue dans le combustible et la quantité produite par l’appareil pour l’utilisation voulue.

Les pertes de chaleur varient principalement avec les particules non entièrement consumées restant dans les cendres, les particules non entièrement consumées qui partent avec le gaz de combustion dans les cheminées et également d’une quantité de la chaleur résiduelle des gaz de combustion qui s’échappe.

Dans ces foyers traditionnels, les pertes de chaleur varient principalement avec la force du vent. De ce fait, une amélioration du rendement peut être obtenue en construisant un four en argile permettant de limiter la dispersion de la chaleur par le vent.
2.2.1.1.3.2- Les cuisinières à bois et charbon de bois

Il existe des cuisinières à charbon de bois et également des cuisinières à bois et charbon de bois.

  • Les cuisinières à charbon de bois les plus traditionnelles sont généralement conçues avec une grille métallique portée par un trépied métallique. Cette grille est une plaque convexe et percée de plusieurs trous au fond permettant d’évacuer les cendres de la combustion. La casserole de cuisson est déposée sur le charbon de bois mis en combustion exactement sur la grille. Ces cuisinières traditionnelles procurent un rendement de combustion d’environ 20% (SAINT-JEAN, 2001). Ce sont ces modèles de cuisinières qui sont utilisés par les ménages haïtiens pour assurer la cuisson du plat quotidien. Les pertes de chaleurs enregistrées sont dues essentiellement par le passage non contrôlé du vent en dessous de la grille et également du fait que les trous d’évacuation des cendres laissent passer un peu de charbon incandescent. Ainsi, pour améliorer le rendement de combustion de ces cuisinières traditionnelles, fallait-il ajouter à la grille, un tambour ayant la forme d’un cylindre avec un fond de forme convexe comportant également une prote retenue par des charnières, comme le montre la Figure 3. La porte est de forme rectangulaire, située dans la partie médiane du cylindre et permet de contrôler l’entrée de l’air. Ces cuisinières améliorées procurent un rendement de combustion allant de 30 à 50% (BME, 2003).



Figure 3: Les cuisinières à charbon de bois fabriquées et utilisées en Haïti

Source : Tassy, 2009

  • Les cuisinières à bois/charbon de bois modernes sont constituées de plaques chauffantes faites en fonte, fer ou acier reposant sur une boite métallique plus ou moins rectangulaire contenant une chambre de combustion et d’une porte fermant la chambre de combustion. Les cuisinières simples sont équipées d’un foyer recouvert souvent de briques réfractaires, d’une vanne d’isolement et permettent grâce une plaque chauffante et à un four, la cuisson des aliments et également le chauffage quand c’est nécessaire. Ces cuisinières peuvent assurer la combustion du bois ou du charbon de bois et peuvent atteindre un rendement de combustion d’environ 50 à 70% 2.

Dans une cuisinière à bois classiques, la chaleur diffusée pour la cuisson est véhiculée par les gaz de combustion qui réchauffent la plaque de cuisson et le four, comme le montre la Figure 4.

Il existe aussi des cuisinières à bouilleur ou cuisinières chaudières ayant plus ou moins les mêmes caractéristiques que les cuisinières simples, mais contenant un bouilleur leur permettant d’être raccordées à un réseau de chauffage central et ou chauffer un ballon d’eau chaude. Les modèles les plus évoluées contiennent des arrivées d’air multiples permettant un meilleur contrôle de la combustion. Leur rendement de combustion avoisine les 70%. Ces modèles de cuisinières peuvent facilement être adaptées pour les presses à vapeur des blanchisseries en leur ajoutant une installation à partir de la vanne d’isolement contenant un disconnecteur, une soupape thermique alimentation-décharge avec sonde, une vanne de remplissage permettant d’alimenter le ballon d’eau chaude3.



Figure 4: Cuisinière à bois et charbon de bois moderne

Source : http://www.natureetfeu.fr/Cuisiniere-a-bois-Sogno-Decorata.html
2.2.1.1.4- Brève présentation des technologies de la combustion de la biomasse au niveau industriel
2.2.1.1.4.1- Les chaudières à bois

Ce sont des installations dans lesquelles la combustion est destinée à produire de la vapeur d’eau qui sera employée comme vecteur pour la production de chaleur ou pour faire tourner une turbine qui entraine une alternateur produisant ainsi de l’électricité. Ces chaudières de capacité variable de quelques kilowatts à des mégawatts peuvent être utilisées pour le chauffage, la production d’électricité et également pour faire fonctionner les presses à vapeur des blanchisseries. Les modèles les plus évoluées sont les chaudières turbo, équipées d’une turbine qui introduit l’air de combustion ou d’un extracteur qui aspire les fumées. Elles sont très performantes, procurent des rendements de combustion allant jusqu’à 90% (ADEME, 2008). En effet, le rendement des chaudières à bois dépend de leur mode de combustion et la manière dont l’air est entré dans le foyer : c’est le tirage. Ce tirage peut être naturel ou forcé à l’aide d’un ventilateur de type turbine, comme c’est le cas des chaudières turbo.

Différentes technologies ce sont développées pour la production d’électricité par combustion du bois dans les chaudières, comme le montre le Tableau 3.

Tableau 3 : Technologies actuelles de production d’électricité par combustion du bois (Crehay et Marchal, 2004 citant ADEME (2001))




Puissance

Rendement électrique

Avantages

Inconvénients

Turbine-vapeur à contre pression

À partir de 100 KWél

  • -10 à 15 % en dessous de 5 MWél

-15 à 20 % au dessus de 5 MWél

-Moins chère

-Simplicité de conduite et d’entretien

-Large gamme de puissance

-Faible rendement électrique

Turbine-vapeur à condensation

À partir de 500 KWél

-15 à 20 % en dessous de 2 MWél

-20 à 30 % au dessus de 2 MWél

-Rendement électrique élevé

-Large gamme de puissance


-Rendement très tributaire de la charge en vapeur

- coûts trop élevés, le rendant impossible à moins de 500 KWél

Moteur à vapeur

De 120 à 1.500 KWél

15 à 20 %

-Plus performant que les turbines de faibles pression vapeur environ 30 bar

-Rendement partiellement indépendant du régime

-Coût d’investissement et d’exploitation relativement élevé

- Beaucoup de bruit et trace d’huile dans la vapeur

ORC

300 à 1000 KWél

12 à 15 %

-Rendement électrique peu sensible à une variation du régime

-Coût d’investissement et de maintenance faible

-Coût élevé et très peu utilisé

2.2.1.2.- La gazéification


La gazéification consiste à transformer, à l’aide d’un oxydant, le bois ou le charbon de bois en un mélange gazeux. Ce mélange gazeux principalement de l’hydrogène, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone, un peu d’eau et une quantité variable de goudrons. Le pourcentage de goudrons contenu dans le mélange dépend de la technologie utilisée. En fait, le goudron augmente le PCI du mélange gazeux (Crehay et Marchal, 2004).

L’utilisation des gazogènes présente pas mal d’avantages (CHRISTOPHE et al., 1981):

  • Les gazogènes ne sont pas onéreux et sont très facile à utiliser

  • Ils sont capables de valoriser des sous produits variés de l’agriculture (les pailles, les coques d’arachides, les tiges de « pois Congo » …

  • Les cendres qui en résultent peuvent être utilisés comme engrais potassique.

  • Ils permettent d’obtenir des bénéfices dans des produits qui brulent mal dans les chaudières (par exemple les pailles)

  • Le gaz des gazogènes peut être utilisé à des fins diverses : ce gaz a été utilisé pendant la deuxième guerre pour faire avancer des voitures, il est actuellement utilisé pour la production de chaleur et d’électricité. La Figure 5 montre le schéma de fonctionnement d’un système de gazéification.


Bois

Oxy-gazéification Gazéification

Lit fixe Gazogène lit fixe Gazogène

Gaz riche  contre courant co-conrant gaz pauvre lit fluidisé

PCI : 12-13 MJ/m3N PCI : 5 MJ/m3N


Turbine à gaz

Moteur à gaz

Raffinage



Chaudière à gaz


Biocarburant Chaleur force motrice

Chaleur force motrice


Alternateur

Alternateur


Chaleur

Électricité Électricité

: Technologies éprouvées mais économiquement peu rentables

: Technologies nécessitant encore des travaux d’optimalisation

: Technologies matures et prouvées

Figure 5 : Différentes technologies de valorisation du bois par gazéification

Source : Adaptée de Crehay et Marchal, 2004

L’oxy-gazéification se réalise lorsque le bois est gazéifié avec de la vapeur. Le gaz produit est un gaz riche et peut être utilisé dans l’industrie chimique ou être raffiné pour l’utilisation comme biocarburant. Ces procédés ne sont pas encore arrivés à maturité industrielle (Crehay et Marchal, 2004).

La gazéification à l’air quant à elle, est un procédé beaucoup moins lourd et moins couteux pour la mise en place. Elle produit du gaz pauvre utilisé pour la production de chaleur et d’électricité. Nous en distinguons des gazogènes à lit fixe co-courant et contre courant, lit fluidisé dense et lit fluidisé circulant (Crehay et Marchal, 2004). Le Tableau 4 présente les principales technologies de gazéification.

Tableau 4 : Principales technologies de gazéification du bois (Adapté de Crehay et Marchal, 2004)

Gazogènes

Avantages

Inconvénients

Lit fixe

co-courant

-Simple de construction

-Simple de construction

-Taux conversion élevé et gaz relativement propre

-Nécessité d’un combustible homogène et de taille significative.

-Installation limitée à 350 Kwél

-Combustible à faible humidité

-Coût de maintenance élevé

Lit fixe contre courant

-Construction simple et robuste

Rendement thermique élevé

-Plus grande souplesse vis-à-vis de l’humidité du combustible

-Faible température du gaz à la sortie et risque de condensation

-Gaz chargé en goudron inadapté à la production d’électricité

Lit fluidisé dense

Construction relativement simple et opérationnelle

-Taille minimale pour être économique : 20Mwél

-Taux de particules élevé et taux de goudrons moyenne à élevé dans le gaz

Lit fluidisé circulant

-Grande tolérance par rapport au combustible (taille, type, humidité…)

-Taux de goudrons modéré dans le gaz

-Taille minimale pour être économique : 20Mwél

-Taux de particules élevé dans le gaz

Les gazogènes à lit fixe co-courant procurent un rendement technique d’environ 75%. Dans la pratique, avec un moteur à gaz utilisant le gaz des gazogènes, 1Kg de bois anhydre produit 1,25 KWh d’électricité (Crehay et Marchal, 2004).

Au final, les gazogènes présentent des avantages non négligeables, sont robustes et très peu sophistiqués. Ils peuvent être facilement utilisés en Haïti pour l’électrification rurale en valorisant des résidus agricoles comme la bagasse de canne-à-sucre, les résidus de pois Congo, sorgho etc.

2.2.1.3- La Pyrolyse /carbonisation


La pyrolyse consiste en une transformation chimique du bois, qui chauffé à l’abri de l’air à une température de 500 à 700° C donne des produits volatiles qui sont des gaz, du goudron pyroligneux, de l’eau et laissant des résidus solides qui sont le charbon de bois (CHRISTOPHE et al., 1981).

Lorsque la pyrolyse est réalisée à une température inferieure à 500 °C, on parle de carbonisation. Elle consiste à soumettre le bois à des températures inferieures à 500°C, avec un temps de séjours plus ou moins long (quelques à des jours) et en présence d’une quantité très faible d’oxygène (Crehay et Marchal, 2004). Le charbon de bois ainsi formé est meilleur combustible que le bois, soit un pourvoir calorifique de 27 à 32 MJ/Kg pour une humidité de 10 à 1 %, presque deux fois supérieur à celui du bois dont il est issu. Pour réaliser la transformation du bois en charbon de bois, on apporte de la chaleur au bois. Dans les fours artisanaux de carbonisation, la chaleur est apportée par la combustion partielle du bois à traiter. Dans les systèmes modernes, « le bois est placé dans une enceinte close, chauffée de manière externe ou par circulation de gaz chaud ». Les procédées industrielles continues de carbonisation de bois font recirculer les gaz chauds de la réaction de pyrolyse sur la charge du bois (Crehay et Marchal, 2004).

Le rendement massique4 de carbonisation est nettement supérieur dans le processus industriel que dans la production artisanale. Il peut varier de 40 % à une température de 400°C pour le processus industriel à 11% pour le processus artisanal. D’autres processus de carbonisation plus ou moins évolués dans certains pays en développement, comme les fours métalliques utilisés au Sénégal, procurent un rendement massique allant jusqu’à 35 % (Schenkel,Bertaux,Vanwijnsberge, Carré, 1997).

De façon la plus traditionnelle, le « fourneau de charbon » est constitué ainsi : les bois sont arrangés de façon à former un tas et recouverts de pailles puis de terre pour empêcher l’entrée de l’air. Des piquettes sont arrangées tout autour du lot de bois recouvert de pailles avec des branchages plus ou moins entrelacées pour supporter la terre qui recouvre le lot de bois, comme le montre la Figure 6 . Un trou est aménagé à coté pour permettre de mettre le feu. Il sera fermé avec des brindilles puis de la terre au moment que le charbonnier aperçoit que le bois a pris feu. Dans ce processus, le rendement massique est d’environ 11%  pour le jeune charbonnier qui n’a pas d’expérience, car les pertes sont énormes et dépendent de plusieurs facteurs ; entre autres : la patience du charbonnier qui doit mettre beaucoup de temps à surveiller la pénétration de l’air, l’essence végétale carbonisée, les soins après l’extinction du fourneau pour s’assurer que le charbon ne contient aucune étincelle de feu.



Figure 6: four traditionnel de fabrication de charbon de bois en Haïti

Source : BME, 1999

2.2.2- La valorisation biochimiques de la biomasse


La biomasse humide n’étant pas bien adaptée à la conversion thermochimique peut être valorisée énergétiquement grâce à certains processus biochimiques. Par processus biochimiques, on peut distinguer la fermentation méthanique et la fermentation alcoolique. Dans ce travail nous traitons uniquement de la bio-méthanisation.

2.2.2.1.-La bio méthanisation ou fermentation méthanique


La fermentation méthanique est appelée également digestion anaérobique parce qu’elle est similaire à la dégradation de la matière organique dans la panse des vaches. Ce processus de dégradation de la biomasse humide libère du compost et un mélange gazeux composé5 de 55 à 80 % de méthane et 20 à 45 % de CO2.

Elle est considérée comme un des procédés les plus écologiques pour la valorisation énergétique de la biomasse et ceci pour plusieurs raisons :

  • Elle est réalisée à une température plus ou moins basse ne dépassant pas 70°C. Donc, dans les pays chauds, avec une bonne isolation, on n’a pas besoin de chauffage externe pour le réacteur.

  • C’est un procédé de dépollution, parce qu’elle permet de mieux gérer les déchets comme les eaux usées et d’autres déchets ménagers.

  • Elle assure le recyclage de la matière organique en générant du compost en surplus du biogaz qui est récolté. Ce compost est utilisé en agriculture et permet d’apporter au sol les éléments qui lui étaient prélevés.

  • Elle peut être utilisée à petite échelle, même à l’échelle d’une exploitation agricole et permettant à l’agriculteur de satisfaire ses besoin énergétique tout en générant des fertilisants pour son champs (CHRISTOPHE et al., 1981).
2.2.2.1.1- Principe de fonctionnement de la bio méthanisation

Cette fermentation est réalisée par des microorganismes anaérobies qui dégradent la cellulose de la biomasse en méthane et dioxyde de carbone suivant cette réaction:

(C6H10O5)n + n H2O 3 n CO2 + 3 n CH4 +0.0188 KJ

Il est à souligner que la biomasse humide est composée d’eau et de matière sèche. La matière sèche quant elle est composée de matière minérale et de matière organique, dont seule la matière organique peut être transformée en méthane.

La fermentation se déroule généralement en trois phases plus ou moins distinctes :

  • Une phase de liquéfaction : dans cette phase, la matière organique est fragmentée en molécules plus simples grâce à des enzymes et des bactéries puis ces molécules sont dissoutes dans l’eau pour être assimilables par les bactéries. En fait, la bio méthanisation est réalisée en milieu aqueux (90% d’eau environ).

  • Dans la deuxième phase, la matière organique est hydrolysée et sert de nourriture à des bactéries acidogènes qui la transforment en acides. Ces acides sont ensuite soumis à l’action de bactéries cétogènes qui les transforment en acides acétiques.

  • La dernière phase concerne l’action des microorganismes méthanogènes qui transforment les acides générés dans la phase précédente en méthane et gaz carbonique. C’est la phase la plus délicate puisque ces microorganismes ne tolèrent pas un milieu acide, donc dans le cas d’un substrat trop acidifiant la fermentation méthanique peut être compromise.

Au final, plusieurs conditions doivent être respectées pour avoir une bonne fermentation méthanique :

  • La matière organique doit contenir 85 à 90 % d’eau

  • La cuve doit être étanche pour empêcher la pénétration de l’air

  • La température du substrat doit être maintenue aux environs de 35°C

  • Le substrat ne doit pas être acide. Il doit être légèrement alcalin soit à l’optimum un pH de 7,5

  • Le contenu du réacteur doit être homogénéisé et maintenu à une température adéquate pour permettre un meilleur travail des microorganismes, car leur rôle est essentiel dans le processus.

  • La durée doit être suffisante pour permettre la décomposition totale de la matière organique dans le réacteur.

Ce sont principalement ces facteurs qui influencent d’une certaines manières la production de méthane d’une installation. Le Tableau 5 présente un ordre de grandeur de la quantité de méthane produite par certains substrats organiques.

Tableau 5: Ordre de grandeur de la production de méthane de certains substrats organiques dans la pratique (cours d’énergies renouvelables (ENVI2007), UCL 2008-2009).

Substrats

Matière sèche (%)

TS

Matière organique VS (% TS)

Méthane produit m3/ Kg VS

Déchets verts

20 – 50

90

0,1 - 0,3

Herbe

20 – 25

90

0,3 – 0,5

Déchets alimentaires

15 – 20

75

0,3 – 0,5

Déchets organiques ménagers

20 – 50

60

0,5 – 0,6

Boues d’épuration

4 – 10

60

0,1 – 0,4

Pailles

70

90

0,2 – 0,3
2.2.2.1.2- Description du procédé de bio méthanisation

Le procédé de bio méthanisation est composé d’une cuve qui est généralement enterrée pour limiter les pertes de la chaleur dans les parois et d’un ballon de stockage du biogaz produit.

Le biogaz produit peut être utilisé, entre autres, pour :

-Brûler dans un four assurant la cuisson des aliments, ou dans une chaudière pour le chauffage

-Pour produire de l’électricité, en utilisant un moteur à combustion interne à allumage commandé ou diesel adapté, procurant un rendement électrique de l’ordre de 30%.

-Pour l’alimentation du réseau gazier des villes moyennant une bonne épuration du biogaz et des investissements relativement importants.

La production d’électricité peut être rendue possible en se servant d’un moteur à combustion interne à allumage commandé ou diesel adapté procurant un rendement électrique de 30 %. La Figure 7 explique le procédé de bio méthanisation.


Déchets organiques
Bio méthane Torchère


Digesteur
Stockage

R
Groupe électrogène
éception



B
Production de vapeur

Électricité chaleur
royage



Tamisage


Pompage

Presse
Solides




Dosage

Maturation aérobie
Liquide


Traitement eaux usées




Compost

Eau

Figure 7 : schéma de base d’une installation de bio méthanisation

Source : Adapté des notes de cours d’énergies renouvelables (ENVI2007), UCL 2008-2009.

Chapitre III
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