A travers l'ensemble des technologies existantes, les procédés de gazéification permettent de convertir une multitude de combustibles de nature variée en un gaz combustible (syngas) valorisable pour différentes applications énergétiques.

Cette page est consacrée à la description :

  • des matières entrantes en gazéification
  • du syngas produit
  • des différentes applications envisageables

Les matières entrantes

La gazéification appartient à la famille des procédés thermochimiques tout comme la combustion ou la pyrolyse. Elle est donc en mesure de valoriser toute matière de nature combustible. Il s'agit ainsi généralement de matière organique, c'est-à-dire constituée de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, relativement sèche.

Exemples


Selon la technologie employée, les procédés peuvent valoriser des combustibles d'origine :

  • Fossile
    • Charbon minéral, déchets plastiques (PE, PP, etc), coke de pétrole, etc.
  • Renouvelable --> La biomasse
    • Bois d'origine forestière ou des industries de transformation (connexes de scieries)
    • Bois en fin de vie (palettes, bois d'ameublement, bois de construction, etc.)
    • Résidus de cultures (pailles, issues de céréales, sarments/ceps de vignes, etc.)
    • Sous-produits agroalimentaires (marc de raisins, grignons d'olives, noyaux/coques de fruits, farines animales, etc.)
    • Déjections animales (fientes et fumiers de volailles, etc.)
  • Déchets d'origines variées
    • CSR (Combustibles Solides de Récupération)
    • Pneus usagés
    • Boues de Step séchées
  • Spécifications requises


    La gazéification permet de valoriser une multitude de matière. Cependant, pour un fonctionnement optimal, elle impose des contraintes plus ou moins fortes sur les propriétés combustibles qui dépendent de la technologie employée. On parle essentiellement ici du taux d’humidité qui impact le PCI et de la granulométrie. Ces éléments vont avoir une influence significative sur le rendement. Le taux de cendres et leur température de fusion font aussi partie des critères clefs. En effet, avec la température les cendres peuvent créer des mâchefers et des points de « blocage ».

    Concernant la teneur en polluants (soufre, chlore, métaux lourds), ce n’est pas tant la technologie qui sera impactée mais plutôt sa mise en œuvre (choix des matériaux) propre à chaque constructeur. En revanche leur présence aura une grande influence sur la valorisation aval du gaz et sur les aspects réglementaires.

    Le gaz de synthèse ou "syngas"

    Le gaz de synthèse est un vecteur énergétique dont la composition et le PCI varient selon le combustible, l'agent oxydant et la technologie de gazogène utilisée. Le gaz de synthèse est qualifié de gaz pauvre au regard du PCI du gaz naturel (PCI = 32 MJ.Nm -³). Les gaz recherchés en sortie de réacteur sont l'dihydrogène H2, le monoxyde de carbone CO et éventuellement le méthane CH4 même si ce dernier est souvent le signe d'un syngas chargé en goudrons pour les procédés conventionnels.

    Les applications

    Les applications du gaz de synthèse issu de la gazéification sont multiples et essentiellement tournées vers la production d'énergie. On en dénombre principalement de trois types.

    Production de chaleur en substitution de combustibles fossiles


    La combustion directe du syngas est certainement la plus simple à mettre en œuvre. Comme l'illustre la figure ci-dessous il s'agit d'alimenter un brûleur spécifique avec le syngas produit. Ce brûleur peut remplacer celui d'une chambre de combustion existante et ainsi permettre une substitution du combustible fossile initial (gaz naturel, fioul). Il est généralement configuré en mode "dual fuel" c'est à dire qu'il peut fonctionner en

    • 100 % syngas,
    • 100 % gaz naturel ou fioul,
    • mélange

    Cela permet une modularité et d'adapter le besoin en fonction de la maintenance ou de la conjoncture.

    Cette application trouve sa place principalement dans l'industrie pour des besoins existants de séchage, de production de vapeur, de cuisson, etc, où la consommation d'énergie fossile devient problématique sur les plans économique et environnemental. Comparée à la combustion directe de la biomasse, cette solution offre plus de modularité tout en limitant les modifications des installations existantes.

    Selon l'application, il peut ne pas être nécessaire d'épurer le syngas ce qui offre l'avantage de limiter les coûts d'investissements et d'exploitation.

    La cogénération : production d'électricité + chaleur


    La cogénération  consiste à valoriser le syngas dans un moteur à combustion interne couplé à un alternateur, pour la production d'électricité et de chaleur. Il s’agit de loin de l’application la plus développée actuellement notamment en Allemagne, Italie ,Autriche où les tarifs de rachat de l’électricité sont favorables.

    Pour cette application le syngas doit être refroidi et épuré des particules et goudrons afin de protéger la durée de vie du moteur.

    Comme l'illustre la figure ci-dessous, la cogénération par gazéification (< 5 MWe) permet de produire 20 à 25% d’électricité à partir de l’énergie contenue initialement dans la biomasse. La quantité de chaleur récupérable généralement sous forme d'eau chaude est comprise entre 40 et 55%.

    En remplacement des moteurs à gaz, la recherche s'intéresse à la valorisation du gaz de synthèse en pile à combustible haute température de type SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell). Il s'agit ici non plus d'une combustion du gaz mais d'une réaction électrochimique à travers un système anode/électrolyte/cathode pour produire de l'électricité. Les piles SOFC ont des rendements électriques supérieurs (50 à 60%) comparé au moteur à gaz (35-40%) et ne rejettent que de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone. Ces procédés sont encore au stade de la recherche à travers notamment le projet BioCellus (2004-2008) mené par L'université Technique de Munich et 16 autres partenaires à travers l'Europe ou encore le projet ValorPac (2012-2015) coordonné par l'IMN (Institut des Matériaux de Nantes) en partenariat avec Fiaxell, SAS Syngas et S3D.


    Production de biocarburants : Biométhane 2G / Biogazole


    La production de biocarburants, notamment à grande échelle, est une voie envisageable qui suscite un fort intérêt chez les grands groupes tels que Axens, Total ou encore GRT gaz et GRDF. On peut notamment citer le projet BioTfuel qui vise à produire du bio-gazole et du bio-kérosène de seconde génération, ou encore le projet Gaya qui consiste à associer un procédé de méthanation pour convertir le gaz de synthèse en biométhane 2G injectable sur le réseau gazier.

    La conversion du syngas se réalise à l'aide de procédés réactionnels faisant intervenir principalement le CO et l'H2. Selon le produit final recherché, bio-gazole ou biométhane les procédés seront différents.

    Bio-gazole : Fischer-Tropsch

    Ce procédé a été inventé par deux chercheurs allemands, Franz Fischer et Hans Tropsch en 1923. Il a largement été exploité lors de la seconde guerre mondiale par l’Allemagne du fait de ressources limitées en pétrole mais importantes en charbon. En effet la première raison de son exploitation fut la transformation du charbon en carburant liquide. L’ensemble du procédé est ainsi baptisé Coal To Liquid (CTL).

    La synthèse Fischer-Tropsch permet à partir de CO et H2 de produire un mélange de chaines d’hydrocarbures de différentes tailles. Cette synthèse suit les réactions suivantes :

    Biométhane 2G : Méthanation

    La production de biométhane pour injection sur le réseau gazier ou pour la production de carburant (bioGNV) connait depuis quelques années un intérêt certain à travers le développement les procédés de méthanisation (fermentation anaérobique) qui permet de convertir une biomasse fermentescible en biogaz. Ce dernier est constitué de méthane et de dioxine de carbone qui une fois épuré peut être injecté sur le réseau de gaz profitant ainsi de sa capacité de stockage et de transport tout en diminuant les importations de gaz naturel d'origine fossile.

    L.e procédé de méthanation permet de reformer du CH4 à partir d’H2 et de CO ou CO2 selon les réactions suivantes :

    Le procédé de "méthanation" n'est pas à confondre avec le procédé de "méthanisation" qui utilise des bactéries en milieu anaérobie pour dégrader la matière organique.


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