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Syngas ou Gaz de synthèse
Production combinée de chaleur et d’électricité
Le biométhane de 2ème génération

Publicité Syngas

Les "Syngas" également appelés gaz de synthèse, gaz synthétiques ou gaz de gazogène, peuvent être produits à partir de différentes matières contenant du carbone.
Elles incluent notamment la biomasse (gaz de bois), les matières plastiques, le charbon, les déchets ménagers ou matières similaires.
Un syngas est un mélange gazeux combustible produit par pyrolyse. C'est un gaz pauvre et sale, toxique, acide, et corrosif s'il n'a pas été soigneusement épuré.
Historiquement, les gaz de ville étaient utilisés pour alimenter de nombreuses résidences en Europe, et dans d’autres pays au cours du 20ème siècle.

Composition moyenne du syngas:

Substance
Composition (%)
Hydrogène (H2)
20-40
Monoxyde de carbone (CO)
35-40
Dioxyde de carbone (CO2)
25-35
Méthane (CH4)
0-15
Azote (N2)
2-5

La gazéification génère de nombreux composés dont on doit se débarrasser: Goudrons, NOx, dioxines et furanes, HCL, H2S, poussières, mercure...

  • Techniques d’abattage au sein même du gazéifieur:
    Des absorbeurs ou des catalyseurs sont mélangés à la charge pour traiter le H2S (ajout d’oxyde de calcium) et les goudrons (par réaction catalytique avec la vapeur d’eau et le CO2).

  • Techniques d’abattage dans des équipements connexes:
    Filtration des poussières (cyclones ou électrofiltres), lavage à l’eau ou craquage catalytique à haute température pour l’abattage des goudrons, l’abattage du H2S par absorption (lavage chimique ou solvant), capture du HCL par lavage à l’eau ou sur absorbant, captation des métaux par charbon actifs (mercure en particulier).

Un verrou technologique commun aux syngas:
L'élimination des goudrons produits lors de la pyrolyse de la biomasse (encrassements, corrosion, désactivation des catalyseurs de méthanation…)
Il existe un grand nombre de technologies pour l’élimination des goudrons. On rencontre couramment des solutions de condensation et d’absorption des goudrons au moyen d’un solvant organique par exemple ou des systèmes de traitement à haute température tels que des craqueurs thermiques ou des vaporeformeurs.

Avantages des gaz de synthèse:

    • Production d'énergie renouvelable
    • Conversion des déchets problématiques en combustibles utiles
    • Production économique d'énergie sur le site et réduction des pertes de transmission
    • Réduction des émissions de carbone

Comment produit-on le syngas ?

Plusieurs réactions successives sont nécessaires. L’ensemble de ce processus est appelé gazéification.
Il nécessite, à partir d’une matière organique, d’obtenir au préalable dans le réacteur de la vapeur d’eau (H2O) et du carbone (C) et de produire une chaleur suffisante pour la réaction finale de gazéification.
Quatre étapes successives, fortement couplées, sont nécessaires, la troisième produisant la chaleur requise par les trois autres.

1ère étape : séchage de la matière pour produire de la vapeur d’eau
Cette étape se déroule à des températures comprises entre 100°C et 160°C. Sous l’effet de la chaleur, l’eau contenue dans la matière organique s’évapore. Le combustible carboné résultant est sec et de différentes natures (charbon, biomasse, etc.). Dans le cas de produits non homogènes, une phase préalable (tri, broyage) est nécessaire avant d’introduire cet intrant dans le gazéifieur.

2ème étape : pyrolyse des intrants pour obtenir du coke (résidus de carbone) et des gaz de pyrolyse
Cette étape sans oxygène (anaérobie) se déroule à des températures situées entre 120 °C et 600 °C. Elle est dite "autothermique" car elle ne produit ni ne consomme d’énergie.
En augmentant progressivement la température en l’absence d’oxygène, la matière séchée se décompose et les atomes de carbone s’associent entre eux.
Il se forme alors du carbone réducteur presque pur (coke ou résidus de carbone) et un mélange de gaz oxydants non-condensables composés majoritairement d’oxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures (CH4) appelés "gaz de pyrolyse" ; des goudrons et des matières volatiles condensables issues de vapeurs de composés organiques (acides acétiques, aldéhydes, etc...).

3ème étape : oxydation des gaz de pyrolyse pour générer une chaleur suffisante à la gazéification
Cette étape se déroule en présence d’oxygène à des températures comprises entre 1 200°C et 1 500°C.
Les matières volatiles issues de la pyrolyse s’oxydent. Cette combustion dégage la chaleur nécessaire aux deux étapes précédentes et à l’étape suivante de la gazéification. Elle nécessite un fort apport en oxygène.

4ème étape : la réduction ou « gazéification » du carbone pour produire le syngas
Cette étape se déroule à des températures comprises entre 800 °C et 1200° C. En l’absence d’oxygène, le coke obtenu lors de la phase de pyrolyse réduit la vapeur d’eau et le gaz carbonique obtenus dans l’étape précédente respectivement en hydrogène et en oxyde de carbone pour former du syngas, combustible d'un mélange en proportions variables CO et H2.

Les différents procédés de gazéification

Le procédé à lit fixe, Il peut être soit à co-courant soit à contre-courant.

Procédé à co-courant
Les différentes étapes de la réaction de gazéification sont successivement réalisées de haut en bas dans le réacteur.
La matière organique est d’abord introduite à son sommet.
De l’air est injecté à mi-hauteur pour amorcer la combustion et fournir de la chaleur à l’ensemble du réacteur.
L’augmentation progressive de la température permet d’obtenir les différentes réactions entraînant les gaz produits vers la zone la plus chaude du réacteur.
Le syngas est récupéré au niveau du socle du gazeifieur

Procédé à contre-courant
L’air est injecté à la base du réacteur et le syngas est récupéré sous son sommet, au dessus de la zone de pyrolyse.
Les goudrons sont moins nombreux à s’échapper du réacteur et l’encrassement des conduits est donc plus limité.
  • Le procédé à lit fluidisé statique.
    Par ce procédé, les particules sont mises en suspension dans le réacteur par injection à sa base d’un gaz qui va "soulever" les grains.
    Cela favorise les échanges thermiques et massiques entre le gaz et le solide.
    Dans ce type de réacteur, les différents mécanismes de séchage, pyrolyse, combustion ou oxydation ont lieu dans une seule et même zone.
  • Le procédé à lit fluidisé entraîné.
    Le solide combustible carboné est finement pulvérisé dans un jet d'oxygène.
    La réaction chimique s’effectue à très haute température et à pression élevée.
    Cela empêche les goudrons et le méthane de se former, les gaz produits en sont ainsi exempts. Le rendement en gaz est donc élevé.
    Cependant, le procédé à lit fluidisé entraîné nécessite une forte consommation en oxygène.
    Par ailleurs, le coût de la pulvérisation préalable du solide combustible carboné est élevé car il faut obtenir une biomasse ou du charbon finement divisé.

Le syngas à partir de la biomasse

La biomasse peut être utilisée sous forme solide, liquide ou gazeuse. La biomasse liquide correspond aux effluents d'élevage valorisés par méthanisation mais aussi aux biocarburants.
La biomasse gazeuse correspond au gaz de synthèse (syngas) issu du bois.

Le syngas de bois
On distingue deux grands types de ressources en bois énergie : la ressource sylvicole et la ressource industrielle. A noter que lorsque l'on parle de bois énergie, il s'agit exclusivement de bois "non traité".

Le gisement des déchets de bois est estimé à 14 millions de tonnes en France.
Selon l'ADEME, 90% de ces déchets sont valorisés et 49% font l'objet d'une valorisation matière.
On distingue traditionnellement trois sortes de bois:

    • Les bois de classe A (bois non traités), issus des sous-produits de la transformation du bois brut, bois secs non-traités et non peints, palettes...
    • Les bois de classe B (bois faiblement traités),qui rassemblent les panneaux, les bois d'ameublement, les bois de démolition exempts de gravats, les résidus d'exploitation forestière (souches, grumes etc.)
    • Les bois de classe C traités à la créosote (traverses de chemin de fer, poteaux téléphoniques...) ou autoclavés et imprégnés de sels métalliques (piquets de vigne et d'arboriculture, écrans acoustiques, glissières de sécurité...) nécessitent des équipements adaptés pour leur élimination en raison notamment des risques d'émission dans l'atmosphère de divers composés organiques volatils polluants (HAP...) et de métaux lourds : ils sont détruits en usine d'incinération de déchets spéciaux ou utilisés dans les fours de cimenteries.
  • La ressource industrielle
La ressource industrielle est la moins importante mais la plus sollicitée, elle peut se répartir en deux origines :
    • Le bois de rebut
      Le bois de rebut est constitué de produits en fin de vie (bois d'emballage, de déconstruction...)

      Le gisement est disponible mais sa valorisation est difficile car celui-ci est diffus ce qui rend la collecte difficile et aussi parce qu’il peut contenir des corps métalliques, plastiques ou des souillures.
    • Les sous-produits des industries du bois
      L’industrie de première transformation produit l’essentiel des sous-produits industriels sous forme d’écorces ou de sciures. Le rendement matière des industries de la seconde transformation du bois étant bien supérieur à celui des scieries, le gisement potentiel en chutes est bien plus faible, d’autant que l’association du bois à d’autres matériaux rend impossible leur valorisation en centrale thermique.
      Avec un taux d’humidité de 40 à 60 %, la principale valorisation des écorces est la combustion en chaudière de forte capacité (> 1 MW).
      Quant aux sciures de bois, elles ont une humidité équivalente à celle du bois scié (50 à 70 %).
  • La ressource sylvicole

Le bois étant une des ressources principale de la biomasse solide, il occupe une place importante dans la filière.

Les différents combustibles bois

    • La bûche

      La bûche est la forme la plus commune du bois et celle qui subit le moins de transformations. Elle est utilisée en majeure partie par les particuliers dans des inserts ou des foyers fermés, des poêles et des chaudières manuelles.
      Afin de garantir une efficacité maximale, le taux d’humidité de la bûche doit être inférieur à 22 %.


    • Le granulé

      Le granulé de bois résulte de la compression de sciures propres issue généralement des scieries. Le granulé est un combustible normé.


    • Le bois déchiqueté

      Le bois déchiqueté (sous forme de plaquettes de quelques centimètres de longueur) a plusieurs origines:
  • Sous-produit de l’exploitation forestière et arboricole (branches, houppiers, rémanents…);
  • Sous-produit non souillés des industries du bois (scieries, emballages, palettes, cagettes, etc.).

Le syngas de déchets solides

La gazeification des déchets industriels ou ménagers dans une enceinte

de traitement en défaut d’air et enrichie en vapeur d’eau et dioxyde de carbone (agents réactionnels), les matières volatiles émises ne subiront pas de processus de combustion.
Le carbone fixe se mettra à réagir avec la vapeur d’eau et le CO2, à des températures de 850-900°C, dans des réactions endothermiques de transformation thermochimiques, dites de gazéification, de type schématique:

C + H2O —> CO + H2 (pyrolyse) C + CO —> 2CO (gazéification) C + H2 —> CH4 (méthanation)

Les deux premières réactions sont favorisées à haute température (850-900°C) et basse pression (~ 1 bar), tandis que la dernière est favorisée à basse température (700°C) et haute pression (10-20 bars).

Les déchets solides sont de provenances diverses

    • Déchets ménagers,
    • DIB (Déchet industriel banal),
    • RBA (Résidus de broyage automobile),
    • Déchets de papier,
    • Boues de stations d'épuration etc...

Syngas et Biométhane de 2ème génération

Le biométhane de 2ème génération sera produit à partir de biomasse ligno-cellulosique (bois et paille) par un procédé appelé conversion thermochimique comprenant une étape de gazéification puis une étape de méthanation.
La gazéification aboutit à l’obtention d’un gaz pauvre en méthane et constitué d’un mélange d’eau, de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2). La méthanation permettra d'enrichir ce syngas.

Le processus serait une réduction du CO et du CO2 par H2 déjà présent lors de la fabrication d'un syngas.
Chauffée entre 800 et 1.000 degrés, la biomasse produit le syngas dont les atomes de carbone, d'oxygène et d'hydrogène obtenus sont recombinés par le biais de catalyseurs pour former un biogaz à une très haute quantité de méthane (>97%).

la gazéification suivie de la méthanation de la biomasse n'étant pas encore maîtrisées technologiquement, ce processus est à l'état de recherche & développement.

La biomasse utilisée étant plus ligneuse et moins humide que celle pour la méthanisation, le biocarburant obtenu possédera un rendement énergétique plus élevé.
Ce nouveau biométhane permettra de traiter une fraction de coproduits issus de diverses industries et filières (bois de construction, coproduits des industries agroalimentaires, boues de station d’épuration,…).

Forte du patrimoine forestier et agricole français, la filière biométhane de gazéification posséderai un potentiel de plus de 100 TWh/an à horizon 2020 et de plus de 250 TWh/an à horizon 2050.

La méthanation au service des énergies renouvelables

Méthanisation et méthanation sont deux technologies bien distinctes.

  • La méthanisation est un procédé industriel qui tire parti de la dégradation de matière organique (plus précisément de la fermentation anaérobie) afin de produire du biogaz. Ce biogaz peut par la suite être utilisé dans la production de chaleur ou d’électricité. Cette technologie est déjà largement exploitée et devrait d’ailleurs se développer d’avantage puisqu’elle a un réel rôle à jouer dans la transition énergétique.
  • La méthanation, quant à elle, a une tout autre vocation. En effet, elle pourrait permettre le stockage de l’énergie.
    Comme on le voyait dans un précédent article, le stockage à grande échelle de l’énergie est nécessaire afin d’opérer la transition énergétique vers un mix d’avantage décarboné.
    Qu’il s’agisse de stocker l’énergie produite par les EnR afin de la restituer en consommation de pointe ou bien de stocker l’énergie nucléaire quand nous sommes en surproduction, cette solution nous promet des rendements importants et une méthode fiable.

Il s’agit d’abord de produire de l’hydrogène puis de faire réagir cet hydrogène avec du dioxyde de carbone dans un réacteur "catalytique". Les deux piliers de cette production d’énergie sont donc d’obtenir l’hydrogène, et la méthanation catalytique de l’hydrogène et du dioxyde de carbone qui aboutit à la production de méthane.
Nous devons d’ailleurs cette découverte à un chimiste français, Paul Sabatier, qui formalisa il y plus d’un siècle les conditions nécessaires à la production de méthane à partir de la réaction du l’hydrogène et du dioxyde de carbone.
Ce procédé est exploité depuis de nombreuses années dans le secteur de la chimie ou par la NASA pour produire de l’eau sur la station internationale.

Des projets français comme ElectroHgena, piloté par Areva, proposent, grâce à des améliorations technologiques, des rendements de l’ordre de 75%.
La méthanation a pour avantage de considérer le gaz carbonique comme une ressource plutôt que comme une contrainte, et permet ainsi de valoriser le C02 en se positionnant comme une énergie non génératrice directe de gaz à effet de serre.
Bien qu’elle ne permette pas de stocker le CO2 cette solution offre en revanche de récupérer une énergie qui aurait habituellement été perdu, celle des EnR quand la production n’est pas adaptée à la demande, et celle des centrales nucléaires.


 


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