Principe de la gazéification de la biomasse

On distingue 4 grandes étapes dans le processus gazéification:

  • Une phase de séchage intégrée ou non au réacteur de gazéification,
  • Une phase de pyrolyse qui produit, sous l’effet de la chaleur et en absence d’agent oxydant, des matières volatiles (CO, CO2, H2, CH4, H2Ovap et hydrocarbures gazeux appelés « goudrons ») et du charbon,
  • Une phase de combustion, parfois appelée oxydation partielle, qui par injection d’un agent oxydant (air, O2, H2Ovap) oxyde les matières volatiles produites lors de la phase de pyrolyse et parfois une partie du charbon. Cette phase fournit la chaleur nécessaire à l’ensemble du procédé et détruit la fraction de goudrons.
  • Une phase de gazéification proprement dite, appelée également réduction, étroitement liée à la phase de combustion qui par des réactions thermochimiques complexes convertit le charbon (carbone) en un gaz combustible riche en CO et H2 appelé « gaz de synthèse » ou « syngas » en anglais.

Ces quatre étapes sont toujours présentes mais leur déroulement et leur configuration spatiale et temporelle peuvent différer selon le mode d’introduction de la biomasse, l’agent gazéifiant et la technologie du réacteur. Elles peuvent avoir lieu dans un même réacteur ou dans des enceintes séparées dans le cas de la gazéification étagée.

Le gaz de synthèse est alors prêt à être valorisé dans plusieurs utilisations :

  • cogénération permettant la valorisation simultanée d’électricité et de chaleur (possibilité d’améliorer significativement le rendement électrique par rapport à un procédé conventionnel par combustion directe de la biomasse) ;
  • substitution directe au gaz naturel pour certaines applications industrielles comme la fusion du verre ;
  • production de bio-méthane (appelé aussi gaz naturel de synthèse) par le biais du procédé de méthanation.

Les goudrons produits par la pyrogazéification

Le gaz de synthèse obtenu entraine avec lui, sous l’effet des températures élevées et de façon non maîtrisée, des composés organiques lourds générés par la décomposition thermique et appelés goudrons. Ces goudrons se condensent facilement sur les points froids, ce qui provoque un encrassement des conduites et une perte d’efficacité des échanges thermiques. Par ailleurs, les goudrons peuvent former du coke par cokage ou des suies par polymérisation.

Bien que les goudrons ne soient pas l’unique source d’empoisonnement (particules, sels métalliques, composés inorganiques soufrés, chlorés et azotés), ils restent néanmoins le polluant le plus difficile à éliminer.
Il existe différentes définitions des goudrons. De manière générale, les goudrons ou « Tars » désignent un mélange complexe d’hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques d’un à plusieurs cycles pouvant contenir ou non un hétéroatome.
La composition en goudrons dans un gaz de synthèse dépend directement des conditions opératoires (température, pression, atmosphère oxydante ou non, temps de séjour), du type de réacteur utilisé et de la nature de la biomasse.

Cependant, l’analyse des goudrons et plus particulièrement leur échantillonnage en milieu extrême (températures et pressions élevées, forte humidité) se révèlent être une tâche délicate.  La difficulté est d’avoir un échantillon qui, dans des conditions de laboratoire, soit représentatif le plus possible des gaz de synthèse.

 

La méthode de référence pour l’échantillonnage des goudrons est appelée le « Tar Protocol »

 

principe tar protocol

 

 

Cette technique est basée sur l’ échantillonnage discontinu des gaz de synthèse contenant des particules et des goudrons dans des conditions isocinétiques.

Le système d’échantillonnage est composé de plusieurs dispositifs de piégeage : un filtre à particules chauffé, un condenseur et une série de barboteurs contenant des solvants. Un dispositif de chauffage des lignes d’échantillonnage permet d’éviter en partie la condensation des goudrons avant les dispositifs prévus à cet effet.

Le procédé d’échantillonnage est constitué de 4 modules et de sous-modules.

 

 

 

 

 

 

 

Le module 1 est constitué d’un système de vanne d’échantillonnage et d’une canne isocinétique chauffée qui permet le prélèvement des gaz, que ce soit dans un réacteur sous pression ou non. Les lignes de prélèvements sont en général maintenues à des températures supérieures à 350°C afin de minimiser la condensation des goudrons lourds.

Le module 2 est composé d’un filtre gravimétrique qui permet de récupérer des particules en sortie du réacteur. En effet, ces particules pourraient entraîner le colmatage des supports de prélèvement situés en aval (condenseur et barboteurs).

Dans le module 3, les barboteurs de collecte des goudrons sont placés dans différents bains dont la température varie de 20 à -20 °C. Les bains absorbent le dégagement de chaleur provoqué par le refroidissement des gaz et leur condensation. La condensation directe des effluents liquides sans milieu de dilution (uniquement par piège froid) peut entraîner des réactions entre les composés piégés, c’est pourquoi un solvant est placé dans chacun des barboteurs pour absorber ces composés et ainsi éviter toute réaction parasite.

L’isopropanol a été déterminé comme le solvant le plus approprié pour la collecte des goudrons de par sa faible toxicité et sa faculté à solubiliser les goudrons pour leur collecte.

Immédiatement après l’échantillonnage, le contenu des barboteurs est stocké dans une bouteille qui est maintenue hermétiquement fermée à une température inférieure à 5°C pour des analyses ultérieures.

Le module 4, quant à lui, permet de mesurer et régler les paramètres du gaz.

Le débit de gaz prélevé est maintenu constant à l’aide d’une pompe à vide. Il est important de veiller à ce que le débit de prélèvement ne soit pas trop important par rapport à la capacité de refroidissement et d’adsorption des barboteurs.

Les projets de gazéification de la biomasse

La filière pyrogazéification est en pleine construction en France avec l’émergence des premières unités commerciales. En effet, les entreprises sont de plus en plus confrontées à la problématique de la gestion de l’énergie et sont contraintes de substituer leur utilisation d’énergies fossiles par des énergies plus propres.

L’une des solutions étant la gazéification de diverses biomasses, de nombreux projets émergent. En voici quelques exemples majeurs pour chaque application de la gazéification.

… Pour la production de chaleur

La CAVALE (Coopérative Agricole des Viticulteurs et Agriculteurs de Limoux et des Environs) dispose d’une distillerie située sur la commune de Limoux (France). Cette distillerie valorise chaque année 10 000 tonnes de marc de raisins pour produire de l’alcool de bouche, des colorants, des polyphénols, des pépins de raisins, des tartres ainsi que des huiles essentielles. La coopérative a décidé en 2016 d’investiguer un projet de valorisation en gazéification du marc épuisé, sur son site industriel du Pont du Sou à Pieusse (11). Le principe est de produire un syngaz par gazéification du marc puis de brûler ce gaz via un brûleur pour alimenter en chaleur le séchoir à pépins utilisé dans le process de la distillerie.

La société Verallia (anciennement Saint Gobain Emballage) en Champagne (France) conçoit et fabrique des emballages en verre, notamment des bouteilles de champagne. En 2018, Verallia a produit près de 16 milliards de bouteilles et de pots. Le four verrier du site de production de verre creux à Oiry (Epernay), où sont fabriquées les bouteilles de champagne, anciennement alimenté au gaz naturel, est désormais en partie alimenté par un syngaz produit par gazéification de sous-produits de l’exploitation viticole (sarments, ceps, …).

…. Pour la cogénération

 

La centrale Synnov basée à Villers-sous-Montrond (France) valorise des déchets (déchets du bâtiment et refus de tri) par gazéification. Le syngaz produit par gazéification permet d’actionner cinq moteurs et une turbine pour produire de l’électricité qui alimente le réseau EDF. La chaleur produite est récupérée et alimente les groupes industriels voisins. La capacité de transformation de cette centrale est de 45 000 tonnes de déchets par an. Elle peut ainsi produire 51 600 MWh d’électricité et 90 000 MWh thermiques par an.

On dénombre de nombreux autres projets de cogénération par gazéification chez nos voisins européens où le contexte économique est plus favorable (tarif de rachat de l’électricité préférentiel) tel que l’Allemagne et l’Italie par exemple qui comptent par centaine leurs unités en fonctionnement de cogénération par gazéification.

…. Pour la production de biométhane 2G

D’autres projets ont fait le choix de convertir le syngas en biométhane pour une injection dans le réseau. Ces projets sont généralement de tailles plus importantes. En voici les principaux :

La centrale GOBIGAS, inaugurée en 2014 dans la ville de Göteborg (Suède) convertit 90 000 T/an de plaquettes de bois en biométhane. Ce dernier est directement injecté dans le réseau de transport de gaz de la ville. L’installation a une puissance de 20 MWbiométhane (34 MWbiomasse).

Le projet a été lancé en 2006 et s’inscrit dans le plan stratégique de Göteborg Energi d’atteindre à l’horizon 2030, 100% de gaz renouvelable dans le réseau de la ville. Le réseau est par ailleurs alimenté en bio-méthane par des unités de méthanisation de déchets.

Le principal marché visé en Suède est la commercialisation de bio-méthane carburant sous forme de Bio GNV. La ville de Göteborg possède déjà plus de 50 stations de rechargement et est soutenue par une forte demande de la part des entreprises et des particuliers.soclema_chariot echantillonnage goudrons_tar protocol

En France, le projet GAYA est une plateforme R&D semi-industrielle dirigée par ENGIE et subventionnée par l’ADEME. Elle a pour objectif de démontrer la faisabilité technique, économique et environnementale de la production de biométhane par gazéification de biomasse suivie de la méthanation du gaz de synthèse (conversion du gaz en méthane). Les résultats apportés par ce pilote en fonctionnement depuis 2016 ainsi que l’appui du gouvernement devraient permettre l’apparition des premières installations à taille industrielle en France à l’horizon 2021. SOCLEMA a participé à ce projet en fournissant un chariot d’échantillonnage TAR PROTOCOL.

Le démonstrateur GoGreenGas est un projet en développement à Swindon en Angleterre. Il est mené par la société Advanced Plasma Power en partenariat avec Cadent (réseau de distribution de gaz au Royaume-Uni) et deux autres partenaires. Il vise à démontrer la faisabilité technico-économique et environnementale de la production de biométhane pour une injection dans le réseau de gaz. Il convertira des déchets de biomasse et des déchets industriels en méthane de synthèse grâce à une technologie couplant un lit fluidisé dense avec une torche à plasma. Cette dernière est utilisée pour craquer les goudrons contenus dans le syngaz, et pour vitrifier les cendres en un matériau pouvant être réutilisé dans le secteur de la construction. Actuellement, le pilote en place consomme 1,8 tonnes de déchets par jour (à 10% d’humidité) et la construction d’une unité industrielle est en cours. La capacité d’une unité industrielle standard Gasplasma® est de 400 tonnes de déchets par jour.

Le démonstrateur Ambigo est un projet en développement à Alkmaar aux Pays-Bas. Il vise à développer la filière de production de biométhane issu de pyrogazéification pour une injection réseau. Ambigo sera alimenté en bois et en matières recyclées qu’il convertira en méthane grâce à une technologie de pyrogazéification couplée à une méthanation. L’unité aura une puissance de 2,6 MWbiométhane (4 MWbiomasse) et injectera dans le réseau de gaz local. La rentabilité du projet est en partie basée sur le tarif d’achat négocié avec le gouvernement Néerlandais, en accord avec Gasunie, la société d’infrastructure et de transport de gaz naturel aux Pays-Bas.

… Pour la production de biocarburants

Le syngas peut également être converti en biocarburants, notamment via la synthèse de Fischer-Tropsch. Voici deux projets en développement en France et en Allemagne :

Le projet BioTfueL, lancé à Dunkerque (France) en 2010 par un consortium de grandes entreprises, dont les groupes Total, Axens et Avril, vise à convertir de la biomasse lignocellulosique (sous-produits agricoles et forestiers ou biomasse spécifique) en biogazole et en biokérosène de seconde génération. La biomasse est gazéifiée pour produire un gaz de synthèse qui est ensuite converti en biocarburant par la synthèse de Fischer-Tropsch. L’objectif d’ici à 2020 est de produire annuellement 200 000 tonnes de biocarburant (2/3 de biodiesel et 1/3 de biokérosène) à partir d’un million de tonnes de biomasse.

Le pilote Bioliq II situé en Allemagne a pour objectif de démontrer la faisabilité d’un procédé de transformation de biomasse (sous-produits agricoles et forestiers) en biogazole. Le procédé est composé d’une pyrolyse rapide qui produit une huile à haute valeur énergétique appelée SynCrude. Cette huile est ensuite gazéifiée pour produire un syngas riche en CO et H2. Ce syngas est ensuite épuré et converti en biogazole. A terme, ce procédé doit permettre de produire 1 litre de gazole à partir de 7 kg de paille.

… Pour la production de bioH2

Enfin, le syngas peut permettre la production d’hydrogène. Voici les deux projets majeurs en France :

Le projet « Wood-Hy/Hy-boy », porté par la communauté de communes des Landes d’Armagnac, a vocation à produire de l’hydrogène vert à partir du bois de trituration des pins de la forêt Landaise via un procédé de gazéification. Le site devrait entrer en production en 2022 et l’’hydrogène produit sera valorisé pour la mobilité verte. La production devrait atteindre 1.000 tonnes d’hydrogène par an dans un premier temps, de quoi alimenter plus de 5.000 véhicules chaque année. C’est un projet qui créera de l’emploi tout en valorisant la ressource locale en circuit court, avec un rayon d’approvisionnement en bois limité à 30 km. Le projet a été développé avec la société toulousaine Enosis et est maintenant soutenu par le groupe Engie. Il est par ailleurs l’un des lauréats de l’appel à projets national « Territoires hydrogène ».

Le projet VitrHydrogène vise à développer et optimiser un procédé industriel, nommé Hynoca ® (HYdrogen NO CArbon) développé par la société française Haffner Energy. Il s’agit d’un procédé de conversion de la biomasse en hydrogène par pyrolyse suivi d’un Water Gas Shift. Un premier démonstrateur devrait démarrer en 2019 à Vitry-le-François (France) pour une durée de 4 ans. Début 2020, la première station commerciale sera mise en service sur le site. Elle produira 120 kg d’hydrogène par jour à partir de 500 tonnes annuelles de granulés de bois. Ces granulés seront petit à petit remplacés par des plaquettes forestières et à terme, le bois ne représentera plus que 20% de la matière entrante, pour privilégier l’emploi de déchets (Résidus de déchets agricoles, forestiers, lisiers de porcs, fientes de volailles, pailles de céréales, ordures ménagères organiques, …). Cette station permettra d’alimenter 200 véhicules (base 20 000 km/an) chaque année.