La pyrolyse solaire de biomasse agricoles, forestières et contaminées par des métaux

L’énergie est essentielle à la production industrielle et agricole, ainsi qu’à la vie courante de la population mondiale. Selon l’Agence Internationale de l’Energie (AIE), la demande mondiale d’énergie doit augmenter de 2,3% en 2018, soit environ le double du taux de croissance moyen depuis 2010 en raison de la croissance de l’économie mondiale et du besoin de chauffage et de refroidissement de certaines régions du monde causé par les conditions météorologiques (AIE 2019). De ce point de vue, les combustibles fossiles répondent pour l’essentiel à l’augmentation de la demande énergétique totale.

La consommation d’énergie fossile, comme le gaz naturel, le charbon, l’essence, etc., devrait augmenter sans cesse. Cependant, ces formes d’énergie ne sont pas renouvelables et leur consommation se traduit par l’émission de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, ce qui aggrave encore le réchauffement climatique. Un niveau élevé de consommation d’énergie augmente inévitablement les émissions de CO2. En 2019, l’estimation des émissions mondiales de CO2 associées à la consommation d’énergie était de 33 Gt (AIE 2020).

Les énergies renouvelables, y compris l’hydraulique, la biomasse, l’énergie géothermique, l’énergie éolienne et solaire, sont l’une des solutions prometteuses pour résoudre les problèmes causés par la consommation d’énergie conventionnelle, garantissant une consommation durable des ressources énergétiques. Les énergies renouvelables progressent de plus de 4% en moyenne, avec un rythme à deux chiffres au cours de l’année 2018. Il y a une augmentation de 6% pour la production mondiale de biocarburants en 2018. Cependant, pour assurer un air plus propre et un développement durable, l’utilisation de sources d’énergie modernes et renouvelables doit se développer plus rapidement.

La bioénergie est définie comme un produit biologique ou de la biomasse utilisée spécifiquement à des fins énergétiques. La biomasse est consommée pour produire de l’électricité et de la chaleur et convertie en produits secondaires tels que les biocarburants qui peuvent être utilisés dans le secteur des transports. Actuellement, la bioénergie est la source d’énergie renouvelables la plus importante dans le monde, représentant plus de deux tiers des formes d’énergie renouvelable. La bioénergie représente 13 à 14% de la consommation d’énergie totale (Global Energy Statistics 2019, World Bioenergy Association). La conversion de la biomasse en énergie est influencée par différentes conditions, telles que la disponibilité en masse des matières premières, leurs compositions et les procédés de conversion.

La pyrolyse est considérée comme l’un des processus les plus attractifs pour convertir la biomasse en biogaz, bio-huile et bio-char. L’opération de pyrolyse nécessite un apport d’énergie comme le chauffage électrique ou la combustion d’une fraction de la biomasse initiale ce qui réduit l’efficacité de conversion énergétique et cause des problèmes environnementaux. Ce défaut peut être corrigé en utilisant l’énergie solaire concentrée comme apport de chaleur pour convertir la biomasse en combustibles solaires. La mise en œuvre de l’énergie solaire concentrée comme source de chaleur pour les réactions de pyrolyse permet d’augmenter l’efficacité de conversion énergétique et massique du processus de pyrolyse et réduire les rejets polluants.

Enfin, on peut noter un manque de données fiables et actualisées sur la bioénergie aux niveaux mondial et local, en raison de la nature informelle et locale de la plupart des matières premières et des technologies utilisées pour la production de bioénergie.

Amélioration technique du système solaire expérimental existant
Bien que la précision des expériences solaires ait été largement améliorée depuis le début de cette étude, l’amélioration du processus expérimental ou de la technologie de mesure est encore nécessaire en ce qui concerne les problèmes expérimentaux qui n’ont pas été totalement résolus. La mesure de la température de surface de l’échantillon par pyrométrie en présence de vapeur doit être améliorée. La synchronisation du système de contrôle PID avec l’obturateur et la minuterie doit nécessairement être également améliorée. De plus, l’installation d’un système de collecte de l’huile pratique se ferait particulièrement intéressante. L’analyse de la qualité de l’huile et la mesure de sa contamination en métaux lourds pourra contribuer à orienter le choix des conditions optimales de pyrolyse.

Validation des résultats de simulation et amélioration du modèle
La confrontation des résultats obtenus à partir de la simulation et des expériences est nécessaire pour produire des résultats plus cohérents. La caractérisation des propriétés de la biomasse, telles que la densité, la conductivité thermique et la chaleur spécifique, est nécessaire avant le début de la pyrolyse. La calorimétrie doit être effectuée pour obtenir la densité du flux solaire en fonction de l’ouverture des volets de l’obturateur. La vérification des données du modèle dynamique est très importante pour confirmer les résultats de la simulation. Le modèle présente plusieurs simplifications, telles que l’hypothèse que la porosité de l’échantillon constante pendant la réaction. En fait, la porosité de l’échantillon évolue avec la température et la conversion chimique, ce qui doit être amélioré pour produire des résultats plus précis.

Installation du système de spectroscopie induite par laser (LIBS)
Afin d’effectuer une mesure in situ de l’évolution de la concentration des métaux (tels que Na, K, Ca, Cu et Ni) dans le résidu solide pendant la pyrolyse solaire de la biomasse, il est nécessaire d’intégrer une mesure LIBS avec les réacteurs solaires existants. Le couplage des mesures LIBS relatives à la vaporisation des métaux à haute température avec les données de gaz de synthèse et les propriétés char est nécessaire pour comprendre le comportement des métaux lors des réactions de pyrolyse.

Mise à l’échelle du réacteur solaire à partir des résultats de mesure à l’échelle du laboratoire L’objectif de la technologie de pyrolyse solaire est de développer une unité commerciale à l’échelle du mégawatt fonctionnant en mode continu. Cette unité peut utiliser soit le concept de front de réaction mobile (le réactif est poussé en continu au point focal et le charbon est séparé par gravité), soit un lit fluidisé ou un réacteur à sel fondu. Le réacteur à sel fondu permet à la chaleur d’être rapidement transférée aux matières premières et de fonctionner de manière stable même sous des transitoires d’énergie solaire. Par ailleurs, le sel retient les métaux lourds de la biomasse contaminée. Les caractéristiques uniques du réacteur solaire comprennent le contrôle direct de la température du réacteur, de la vitesse de chauffe et du temps de séjour des solides.

Table des matières

GENERAL INTRODUCTION
BIBLIOGRAPHY
CHAPTER 1 LITERATURE REVIEW
1.1 BIOMASS ENERGY
1.1.1 Biomass
1.1.2 Advantages of biomass energy
1.1.3 Importance of biomass energy
1.2 AGRICULTURAL AND FORESTRY WASTES
1.2.1 Types and distribution of agricultural and forestry wastes
1.2.2 Composition and property of agricultural and forestry wastes
1.2.3 Contamination of agricultural and forestry wastes
1.3 PYROLYSIS OF BIOMASS
1.3.1 Biomass pyrolysis
1.3.2 Solar thermochemical pyrolysis of biomass
1.3.3 Operation parameters determining pyrolysis process
1.3.3.1 Temperature
1.3.3.2 Heating rate
1.3.3.3 Biomass feedstock
1.3.3.4 Particle size
1.3.4 Characterization of pyrolysis products
1.4 BIBLIOGRAPHY
CHAPTER 2 MATERIALS AND METHODS
2.1 SAMPLE CHARACTERIZATION
2.1.1 Pine wood and agricultural wastes
2.1.2 Chicken litter and rice husk
2.1.3 Heavy metal polluted willow wood
2.2 EXPERIMENTAL SETUPS AND PROCEDURES
2.2.1 Experimental setups
2.2.2 Experimental procedures
2.3 PRODUCT ANALYSIS AND CALCULATION METHODS
2.3.1 Calculation of char yield
2.3.2 Calculation of gas yield
2.3.3 Calculation of specific gas composition
2.3.4 Calculation of tar yield
GENERAL CONCLUSION

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