Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Énergie de la biomasse

Introduction

La photosynthèse est la propriété que possèdent les plantes, grâce à l'action de la chlorophylle, de convertir le rayonnement électromagnétique en énergie chimique. Celle-ci, stockée essentiellement dans les végétaux sous forme de glucides, c'est-à-dire de sucre, sert à leur croissance et à leur reproduction.

Sous l'action du rayonnement solaire, le gaz carbonique de l'air et l'eau puisée dans le sol sont transformés en glucides dont dérivent ensuite tous les composants de la matière organique.

Photosynthèse

Le rendement maximum de la bioconversion n'excède pas 6 %, mais, compte tenu de la surface couverte par les végétaux, cela représente des quantités d'énergie considérables.

On appelle biomasse l'ensemble des matériaux organiques, d'origine principalement végétale, naturelle ou cultivée, terrestre ou marine, provenant de la conversion chlorophyllienne de l'énergie solaire, à l'exclusion des combustibles fossiles.

La biomasse produit trois types de ressources : forestière, agricole et aquatique. Elle est principalement composée de lignine (C40H44O6) (25 %), et de carbohydrates Cn(H2O)m (cellulose C6H10O5 et hemicellulose) (75 %).

Déchets de canne à sucre

Différents modes de conversion

L'utilisation énergétique de la biomasse peut se faire selon trois grandes catégories de procédés :

  • la conversion biochimique : digestion, hydrolyse et fermentation ;

  • la conversion chimique (estérification) ;

  • la conversion thermochimique : combustion, co-combustion, pyrolyse et gazéification.

La conversion biochimique comprend deux principaux modes : la digestion anaérobie et la digestion aérobie.

Les filières biochimiques utilisent les produits humides. Elles mettent en jeu des processus micro-biologiques qui ont pour effet de dégrader la matière végétale :

  • la fermentation méthanique produit du biogaz, mélange de gaz carbonique (30-35 %) et de méthane (50-65 %), combustible de bonne qualité. Les réactions prennent place à des températures comprises entre 20 et 70 °C ;

  • la fermentation alcoolique permet de transformer les glucides des végétaux en éthanol ;

  • la fermentation acétono-butylique permet, sous l'action de certaines bactéries, de produire un mélange de butanol, d'acétone et d'éthanol.

La conversion thermochimique se subdivise en combustion et co-combustion (en excès d'air), gazéification (en défaut d'air) et pyrolyse (en l'absence d'air). Les filières thermochimiques sont adaptées aux matériaux secs comme le bois et la paille.

La combustion (T ~ 1 900°C) est le mode de conversion le plus ancien et sans doute le plus employé, tant pour les utilisations domestiques qu'industrielles. Son rendement est bon dans la mesure où le combustible est riche en glucides structurés (cellulose et lignine), et surtout suffisamment sec (humidité inférieure à 35 %).

Le rapport C/N se définit comme le rapport des quantités de carbone et d'azote contenus dans la biomasse. Il varie de 10 à 100 environ.

La pyrolyse permet de convertir une biomasse relativement sèche (humidité inférieure à 10 %) et de rapport C/N supérieur à 30, en divers combustibles à haut PCI, stockables, sous forme gazeuse, liquide et solide (le charbon de bois). Elle se déroule à des températures comprises entre 400 et 800 °C.

La gazéification de la biomasse (T ~ 800°C - 1 000°C) est obtenue en réalisant une combustion en défaut d'air comportant schématiquement deux grandes étapes : une pyrolyse produisant des phases gazeuse, liquide et solide, suivie de la gazéification proprement dite de ces deux dernières phases. Elle produit un gaz dit "pauvre", du fait de son faible pouvoir calorifique (1 kWh/m3 contre 10 kWh/m3 pour du méthane). En remplaçant l'air par de l'oxygène, on obtient un gaz de synthèse (CO + H2) utilisable pour la fabrication du méthanol.

Dans un gazéifieur, le combustible commence par être séché, puis il est pyrolysé, ces deux étapes étant endothermiques. Les produits gazeux sont ensuite brûlés à haute température, dégageant de la chaleur dont une partie est utilisée par les deux étapes précédentes. Les gaz brûlés sont alors remis en contact avec la phase solide issue de la pyrolyse et avec l'eau provenant du séchage, ce qui suscite une réaction de réduction qui conduit à la formation d'un gaz de synthèse riche en CO et H2, dont le PCI est voisin de 70 à 75 % de celui de la biomasse d'origine.

Plusieurs procédés de gazéification existent :

  • les systèmes à lit fixe, qui se décomposent en deux principales technologies, les gazéifieurs à co-courant (downdraft), et ceux à contre-courant (updraft) ;

  • les systèmes à lit fluidisé, qui comportent trois catégories fonction de la vitesse de fluidisation, les lits fluidisés denses circulants et entraînés.

Les premiers correspondent à des installations de taille petite ou moyenne, et les seconds aux grandes.

Compléments

Si vous souhaitez approfondir l'étude de la combustion de la biomasse, référez-vous à la fiche thématique existante.

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