Analyse du potentiel bioénergétique des résidus agricoles

Analyse du potentiel bioénergétique des résidus agricoles 

Etat actuel 

L’agriculture est l’un des principaux vecteurs de croissance économique d’un pays [23]. En 2015, la production mondiale de riz est estimée à 700.7 M t générant comme résidus plus de 100 M t de balle de riz [24]. Les résidus agricoles sont les principaux produits de l’agriculture et dépendent en grande partie des rendements de récolte [25]. Plusieurs paramètres sont ainsi à prendre en compte pour pouvoir estimer la quantité de résidus agricoles générés : types de culture et surfaces dédiées à la production, rendement pour chaque type de culture, ratio culture-résidus générés, contraintes associées à d’autres utilisations (conservation des sols, alimentation animale, etc.) [26].

Dans le cas de Madagascar, plus de 80 % de la population vivent de l’agriculture. La riziculture y tient une place prépondérante, et génère des résidus tels que la balle et la paille de riz [27]. La consommation annuelle en biomasse en milieu rural est estimée à environ 1 tonne par habitant, tandis que dans les zones péri-urbaines, cela représente à la moitié, soit 0.5 tonne par habitant [28]. Cependant, l’utilisation de ces résidus agricoles reste encore très rudimentaire, et se limite généralement à la fertilisation des sols, la fabrication de briques en terre cuite et l’alimentation animale [29]. De plus, les pratiques actuelles ont notamment des conséquences environnementales imperceptibles, mais importantes. En effet, le processus de récolte du riz et l’utilisation traditionnelle des résidus générés, pour la fertilisation des sols, font que leur processus de biodégradation naturelle entraine un dégagement important de méthane (CH4) dans l’atmosphère, qui est un gaz à effet de serre (GES) 21 fois plus nocif que le dioxyde de carbone (CO2) [25, 30].

Estimation de la production rizicole et du potentiel bioénergétique

Etant donné que la quantité de résidus agricoles est directement liée au rendement des récoltes, l’estimation est basée sur le ratio culture-résidus (kCR) [30–32]. Le ratio kCR est défini comme étant la part de résidus générés par rapport à la production agricole [31], et varie généralement entre 0.05 et 1.5 pour les résidus du riz et peut atteindre 3.75 pour la bagasse issue de la canne à sucre, La production annuelle en résidus i (Pi) peut ainsi être déterminée par l’équation 1.1

Pi = Pc,i × kCR,i (1.1)

D’après les données du MinAgri et de l’Institut National de la Statistique (INSTAT) [34]sur l’utilisation des sols, Madagascar a exploité, en 2007, 22 126 km2 pour la riziculture, soit 75 % des terres arables de la grande île, estimées à 29 500 km2 . En 2005, la production de riz était de 3 392 460 tonnes [33], soit une moyenne de production annuelle de 1.53 t de paddy par hectare. En 2012, cette moyenne de production est passée à 2.06 tonnes par hectare, générant 3.5 tonnes de résidus par hectare, soit 7.7 M t de résidus de riz (paille et balle de riz) à l’échelle du territoire. Ainsi, d’après les résultats de l’estimation du potentiel bioénergétique , Madagascar dispose depuis d’une ressource énergétique importante de résidus de la riziculture, supérieure à 30 P J par an. Mais son exploitation à des fins énergétiques reste encore très peu considérée.

D’autres travaux ont montré la présence de tels potentiels dans d’autres pays et leurs faibles parts dans la production d’énergie. Scarlat et al. [26] ont montré que, pour les pays européens, malgré des techniques d’agriculture très avancées et des potentiels bioénergétiques importants, les résidus agricoles sont encore très peu valorisés par rapport à leur potentiel réel, comme c’est le cas de l’Espagne qui n’exploite que 2.3 P J sur les 124 P J disponibles ou le Royaume Uni, 2.9 P J sur 88 P J. Par ailleurs, Bhattacharyya et Barman [25] ont mis en évidence la présence de surplus de résidus équivalent à 85 M t, en Inde, qui sont simplement brûlés dans les champs, et génèrent des émissions de GES (CO2 et CH4), dues à une mauvaise gestion associée à ce genre de pratique, notamment pour les résidus de la riziculture. Gao et al [35] ont, eux, estimé la quantité et le potentiel énergétique des résidus agricoles et forestiers en Chine, pour répondre aux enjeux du réchauffement climatique et aux contraintes environnementales. Ils se sont ainsi basés sur un modèle d’analyse de changement global (GCAM), pour estimer la disponibilité des ressources en résidus de biomasse et les changements globaux à long terme. Ils ont ainsi pu déduire les principales mesures d’atténuation à prendre en compte et à adopter pour faire face à ces changements.

Les travaux de recherche tendent ainsi à développer des solutions à long terme pour valoriser le potentiel énergétique de la biomasse. La section suivante présente les différentes voies possibles de valorisation des biomasses.

Types et voies de valorisation des biomasses 

Grâce aux propriétés physico-chimiques intrinsèques de la biomasse, deux principaux types de valorisation peuvent être distingués : valorisation énergie et valorisation matière [36]. Une des valorisations énergétiques de la biomasse la plus évidente et la plus utilisée étant la combustion. Toutefois, il existe d’autres procédés de conversion permettant, d’une part, de produire des combustibles liquides et/ou gazeux, et de faire une valorisation matière avec la présence de matériaux solides tels que le carbone actif et les minéraux, d’autre part.

Patra et Sheth [38] ont donné les raisons de la préférence pour la technologie de gazéification de la biomasse en Inde. Ils ont ainsi mis en évidence la disponibilité et une distribution uniforme des ressources en biomasse sur tout le territoire, un coût d’investissement relativement faible et une facilité de maintenance des installations.

Conversion par pyro-gazéification

Principe

La pyro-gazéification est un procédé de conversion thermochimique permettant de convertir les matières carbonées solides, comme la biomasse, en combustibles liquides et/ou gazeux, en présence d’agent réactif (air, oxygène, vapeur d’eau ou un mélange de ces gaz) [39]. Historiquement, cette technologie a été utilisée depuis plus de deux siècles et commercialisée depuis 1812 [22, 40]. Le gazéifieur ou réacteur de gazéification est le dispositif à l’intérieur duquel se produisent le processus de conversion thermochimique [21]. Le premier réacteur de gazéification fonctionnant avec du bois combustible a été construit en 1839 par le chimiste allemand, Gustav Bischof. Le XXe siècle a vu l’utilisation des énergies fossiles (pétrole, gaz naturel) et un net désintérêt pour la gazéification.

Toutefois, depuis les années 1970, avec les problèmes environnementaux (réchauffement climatique, pollution) et les crises énergétiques (diminution des ressources en énergies fossiles), la tendance s’est inversée et la technologie de gazéification tient une place prépondérante pour la valorisation des biomasses.

Table des matières

Introduction
1 État de l’art
1.1 Introduction
1.2 Biomasse
1.2.1 Définition
1.2.2 Caractéristiques
1.2.3 Analyse du potentiel bioénergétique des résidus agricoles
1.2.4 Types et voies de valorisation des biomasses
1.3 Conversion par pyro-gazéification
1.3.1 Principe
1.3.2 Etapes de la pyro-gazéification
1.3.3 Types de réacteur
1.3.4 Propriétés et applications des produits de pyro-gazéification
1.4 Modélisation de la pyro-gazéification
1.4.1 Modèle d’équilibre thermodynamique
1.4.2 Modèle cinétique
1.4.3 Modèle dynamiques des fluides
1.4.4 Modèle réseaux de neurones
1.5 Indicateurs de performances de pyro-gazéification
1.5.1 Récupération d’énergie (Waste-to-Energy)
1.5.2 Synergie de conversion
1.6 Conclusion
2 Caractérisations physico-chimiques et thermiques des résidus agricoles
2.1 Introduction
2.2 Matériels et méthodes
2.2.1 Matériaux
2.2.2 Broyage
2.2.3 Tamisage
2.2.4 Densité
2.2.5 Humidité
2.2.6 Cendres
2.2.7 Matières volatiles
2.2.8 Matières inorganiques
2.2.9 Matières organiques
2.2.10 Pouvoir calorifique
2.2.11 Traitement thermique
2.3 Résultats et discussion
2.3.1 Analyses élémentaires et immédiates
2.3.2 Analyse thermogravimétrique
2.3.3 Analyse des flux thermiques
2.3.4 Analyse des matières inorganiques
2.4 Conclusion
3 Pyro-gazéification des résidus agricoles à échelle laboratoire
3.1 Introduction
3.2 Matériels et méthodes
3.2.1 Objectifs et matériaux
3.2.2 Dispositif expérimental
3.2.3 Méthodes d’analyse
3.3 Résultats et discussion
3.3.1 Rendement en gaz, char et goudron
3.3.2 Composition du gaz
3.3.3 Composition du goudron
3.3.4 Composition du char
3.4 Conclusion
4 Analyses prospectives de valorisation des biochars
4.1 Introduction
4.2 Matériels et méthodes
4.2.1 Objectifs et matériaux
4.2.2 Méthodes d’analyse
4.3 Résultats et discussion
4.3.1 Structure des biochars
4.3.2 Surface spécifique et porosité
4.3.3 Prospectives de valorisation
4.4 Conclusion
5 Modélisation et optimisation exergétique de la pyro-gazéification
5.1 Introduction
5.2 Matériels et méthodes
5.2.1 Hypothèses de base
5.2.2 Formulation mathématique
5.2.3 Résolution numérique
5.2.4 Méthode d’analyse de sensibilité
5.3 Résultats et discussion
5.3.1 Composition du syngaz
5.3.2 Analyse exergétique
5.3.3 GSA sur les deux zones de réaction
5.3.4 Optimisation exergétique
5.4 Conclusion
Conclusion

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