La conversion thermochimique
La conversion thermochimique est une des méthodes de conversion primaire de la biomasse.
La conversion thermochimique conduit à la production de chaleur pouvant servir directement au chauffage (feux ouverts, etc), à l’obtention d’eau chaude ou de vapeur (boilers), destiné au chauffage et/ou la production d’électricité (dans ce cas, la vapeur doit être produite à haute pression).
La combustion
La combustion conventionnelle est avantageuse lorsque les stocks de matières premières biologiques sont fluctuants. Outre les applications classiques telles que les feux ouverts, des boilers installés dans des fermes et fonctionnant à la paille sont très courants en Angleterre et au Danemark. La combustion sur lit fluidisé de la biomasse (système FBC. Fluidised Bed Combustion) est l’objet de nombreuses recherches; dans ce type de four, le bois, préalablement coupé en petits copeaux, est envoyé dans la chambre de combustion durant un temps très court; de l’air y est insufflé très grande vitesse.
Les particules imbrûlées sont séparées des gaz d’échappement dans un cyclone et réintroduites dans la chambre de combustion. Ce type de four présente un haut coefficient de rendement et des avantages en terme d’émissions de polluants atmosphériques. Diverses expériences sont tentées aux U.S.A. (à partir de déchets de bois agricoles et à partir de déchets ménagers solides triés), en Scandinavie (à partir des boues de p&te à papier,…), au Japon (à partir d’ordures ménagères non ou partiellement triées). D’autres alternatives sont encore au stade de la recherche.
La gazéification
Ce processus thermique fait intervenir un agent oxydant (air ou oxygène), qui réagit à très haute température avec la biomasse. Cette réaction libère de la chaleur et transforme la quasi totalité du contenu carboné de cette biomasse en un fuel gazeux. Il s’agit en fait d’une combustion incomplète de la biomasse produisant un mélange composé principalement de monoxyde de carbone, CO, dioxyde de carbone, CO2, hydrogène, H2, méthane, CH4, et azote, N2.
Ce mélange gazeux peut être utilisé pour la production de chaleur ou de vapeur il peut aussi alimenter les centrales électriques fonctionnant au gaz.
La gazéification présente des avantages en terme de coûts et de contrôles. Elle engendre moins de gaz à effet de serre et de particules que le procédé de combustion directe.
On peut distinguer deux types de procédés de gazéification.
La gazéification traditionnelle
L’agent oxydant est fourni (généralement l’oxygène) en quantité limitée. Le produit obtenu est un fuel gazeux, de basse à moyenne valeur de chauffe (4-6 MJ/m³ pour la vapeur, à pression et température normales) contaminé par des goudrons, charbons et cendres qui doivent être éliminés. Il peut être utilisé dans des moteurs conçus pour cette utilisation spécifique. Actuellement l’objet de nombreuses recherches, la gazéification est cependant encore très marginale pour des raisons économiques et techniques: investissements lourds et coûts d’exploitation élevés (épuration des gaz). Un système prometteur est l’utilisation de lits fluidisés (figure ci-contre) atmosphériques ou pressurisés (Scandinavie et Guyane française).
La gazéification avancée
Cette technique utilise un air enrichi en oxygène ou de l’oxygène pur. De la vapeur peut être ajoutée comme réactif et/ou agent thermique. Cette technologie fournit un gaz de haute qualité (10-14 MJ/m³ pour les procédés à l’oxygène et 14-20 MJ/ m³ dans le cas de gazéification à la vapeur) qui peut être utilisée directement comme fuel gazeux ou synthétisé en méthanol ou en ammoniaque.
Des problèmes se présentent cependant tant au niveau des coûts que de la sécurité des installations.
La pyrolyse
La pyrolyse est la décomposition moléculaire sous l’action de la chaleur et en absence d’air, d’un composé organique, sol,de, liquide ou gazeux. Elle permet d’obtenir des produits gazeux, liquide (huile pyrolytique) et solide (charbon (:le bois). Les gaz de pyrolyse peuvent être utilises comme combustible, pour
la production d ‘électricité ou de chaleur, ou comme produit de base pour la synthèse de méthanol ou d’ammoniaque.
L’huile pyrolitique (biohuile dont la valeur de chauffe est de 20 à 25 MJ/kg) peut se substituer aux carburants d’origine fossile (diesel) après traitement ou être utilisés dans des turbines à gaz pour la production d’électricité. Le charbon de bois peut être brûlé dans des installations de combustion solides modifiées.
Dans les systèmes les plus simples, la biomasse est transformée en charbon de bois qui présente l’avantage, par rapport au bois, d’augmenter le contenu énergétique du combustible. Ainsi, la pyrolyse dite «lente», à basse température et long temps de réaction, maximise la production de charbon de bois (30%) (traitement de déchets ménagers aux U.S.A. pour fournir du charbon synthétique utilisable dans des chaudières à charbon existantes).
Dans des systèmes plus sophistiqués, le contrôle des différents paramètres techniques permet d’influencer et de déterminer les proportions et caractéristiques des principaux produits solides, liquides ou gazeux. La pyrolyse dite «flash», à 500-650°C et temps de chauffe très court, maximise la production liquide (80%). Lorsque la pyrolyse flash se déroule à des températures supérieures à 700°C, la transformation en fuels gazeux est la voie préférentielle (80%).
Il est donc possible, pour un matériau donné d’optimiser le mélange de produits obtenus. Cette technologie est encore au stade pilote (société EGEMIN pour la Belgique- voir figure ci-dessous)
La liquéfaction
Ce procédé fait réagir la biomasse avec un gaz «réducteur», généralement de l’hydrogène à des températures de 250 à 400°C et haute pression (jusqu’à 150 bars) et aboutit à la production de fuels liquides oxygénés à haute valeur de chauffe (35-40 MJ/kg). Ce procédé est toujours au stade de la recherche.
Il est possible de combiner les deux types de conversion, thermochimique et biochimique: la conversion microbiologique de gaz de synthèse issu de la pyrolyse ou la combustion de résidus solides de digestion de déchets municipaux solides pour la production d’énergie (chaleur, électricité et éventuellement de nouveaux fuels liquides) en sont deux exemples. Ce type de combinaison présente de nets avantages en terme d’émissions polluantes et de coûts.