Soutenance mémoire
Dans un contexte de développement durable, la maîtrise de la consommation énergétique fait partie des défis majeurs de ce siècle. Au regard de l’épuisement des ressources fossiles et des problèmes environnementaux engendrés par leur consommation, le recours à des sources d’énergie alternatives est incontournable pour continuer à satisfaire les besoins énergétiques tout en préservant l’environnement. La biomasse, plus particulièrement la biomasse lignocellulosique, a émergé dans l’arène de l’énergie renouvelable comme l’une des options les plus prometteuses pour les années à venir, en raison de l’importance de son gisement et de ses diverses ressources.
Ainsi, le bois comme ses dérivés, utilisé depuis des siècles comme énergie de chauffage et de cuisson, revient en force avec les possibilités offertes par les technologies de production d’énergie plus efficaces et plus propres. Parmi ces technologies figure la gazéification. Dans ce sens, ce mémoire traitera de « CONCEPTION ET REALISATION D’UN GAZOGENE DOWNDRAFT A USAGE DOMESTIQUE : APPLICATION A LA GAZEIFICATION DES ECLATS D’EUCALYPTUS ».
Pour la majorité des ménages malgaches, le bois reste le premier choix en matière de combustible. Celui-ci est pourtant utilisé d’une manière encore très primitive, ce qui ne permet pas de profiter les potentiels innombrables qu’elle peut offrir. La problématique se pose sur la manière dont il faut exploiter la biomasse afin de rentabiliser son utilisation le plus possible. La gazéification est un processus qui se fait en quatre étapes : le séchage de la biomasse, la pyrolyse des intrants, l’oxydation des gaz de pyrolyse et la réduction du carbone. Une meilleure compréhension de ces phénomènes est essentielle pour la conception et l’amélioration du gazogène.
GENERALITES SUR LA BIOMASSE
DEFINITION DE LA BIOMASSE
Il est difficile de trouver une définition plus générale acceptée par tous de la biomasse. Cependant, celle utilisée par l’United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC, 2005) est : « Matières organiques biodégradables et non fossilisées provenant des plantes, des animaux et des microorganismes. Elle inclut aussi les produits, les sous-produits, les résidus et les déchets de l’agriculture, de la sylviculture et des industries connexes ainsi que les fractions organiques non fossilisées et biodégradables des déchets industriels et municipaux. » .
La biomasse comprend uniquement les espèces biologiques vivantes ou récemment mortes qui peuvent être utilisées comme combustible ou dans la production de certains produits chimiques. Elle ne comprend pas les matières organiques qui ont été transformées par des processus géologiques pendant plusieurs millions d’années en substances telles que le charbon ou le pétrole.
FORMATION DE LA BIOMASSE
La biomasse botanique provient de la conversion des molécules simples telles que le dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O en glucose par l’énergie solaire en présence de la chlorophylle. Les plantes absorbent l’énergie solaire par le processus appelé photosynthèse. En présence des rayonnements du soleil de longueurs d’onde particulières, les planteschlorophylliennes décomposent l’eau pour obtenir des électrons et protons et les utilisent pour transformer le CO2 en glucose, libérant du dioxygène O2 comme sous-produit. Avec le glucose, les plantes vont :
✦ Nourrir les cellules
✦ Stocker de l’énergie
✦ Synthétiser d’autres molécules organiques .
LES DIFFERENTS TYPES DE BIOMASSE
La biomasse peut être divisée en 3 grands groupes :
Biomasse lignocellulosique
La grande majorité de la biomasse est composée de lignocellulose qui elle est constituée de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine.
La cellulose
La cellulose, qui est la plus abondante des substances organiques naturelles, est la composante structurale primaire de la paroi cellulaire dans la biomasse. Sa quantité varie de 90 % (en masse) dans le coton à 33 % pour la plupart des autres plantes. Avec une formule générale (C6H10O5)n , la cellulose est un polymère à longue chaine avec un degré de polymérisation élevé (~10 000) et de masse moléculaire très grande (~500 000). Elle a une structure cristalline, et par conséquent une grande résistance permettant de fournir la structure squelettique de la biomasse terrestre. La cellulose est hautement insoluble dans les solvants organiques et l’eau. Elle n’est pas non plus digestible par l’être humain.
L’hémicellulose
L’hémicellulose est un autre constituant de la paroi cellulaire de la plante. Alors que la cellulose possède une structure cristalline, l’hémicellulose est amorphe et moins résistante. Il s’agit d’un groupe de polysaccharides à chaines ramifiées avec un degré de polymérisation faible (~100-200), et peut être représentée par la formule générale (C5H8O4)n . Elle assure le rôle de pontage entre les fibres de cellulose, mais aussi avec d’autres composés matriciels.
La lignine
La lignine est un polymère ramifié très complexe de phénylpropane et est une partie intégrante des parois cellulaires secondaires des plantes. Elle agit comme un agent de collage des faisceaux de fibres de cellulose.
Biomasse à glucide
La biomasse à glucide riche en substances glucidiques, contrairement à la biomasse lignocellulosique, est facilement hydrolysable. Il est relativement simple d’obtenir des combustibles liquides par fermentation de cette dernière. Pour cette raison, la plupart des usines d’éthanol utilise la biomasse à glucide comme matière première. Comme exemple de biomasse à glucide, on peut citer :
✦ Les céréales ;
✦ Les betteraves sucrières ;
✦ Les cannes à sucre.
Parce qu’ils servent à l’alimentation humaine, leur utilisation pour la production de produits chimiques ou d’énergie doit être soigneusement pesée car elles pourraient affecter les approvisionnements alimentaires.
Biomasse oléagineuse
Ce troisième type de biomasse est riche en lipides fournissant une bonne source d’huile végétale : palmier à huile, coco, tournesol, colza, jatropha, etc. La biomasse oléagineuse est principalement destinée à des fins alimentaires ou à servir de biocarburants après réaction de transestérification.
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LA BIOMASSE
1.1 DEFINITION DE LA BIOMASSE
1.2 FORMATION DE LA BIOMASSE
1.3 LES DIFFERENTS TYPES DE BIOMASSE
1.3.1 Biomasse lignocellulosique
a. La cellulose
b. L’hémicellulose
c. La lignine
1.3.2 Biomasse à glucide
1.3.3 Biomasse oléagineuse
CHAPITRE 2 : CARACTERISTIQUES DE LA BIOMASSE
2.1 STRUCTURE DE LA BIOMASSE
2.2 PROPRIETES
2.2.1 La composition
a. La composition élémentaire
b. La composition immédiate
2.2.2 Le pouvoir calorifique
a. Pouvoir calorifique supérieur (PCS)
b. Pouvoir calorifique inférieur (PCI)
2.2.3 La masse volumique
2.3 CLASSIFICATION GENERALE DES COMBUSTIBLES
2.3.1 Le rapport atomique
2.3.2 Le diagramme ternaire
CHAPITRE 3 : LES DIFFERENTES VOIES DE VALORISATION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE
3.1 CONVERSIONS BIOCHIMIQUES DE LA BIOMASSE
3.1.1 La digestion anaérobie
c. L’hydrolyse et l’acidogenèse
d. L’acétogenèse
e. La méthanogenèse
3.1.2 La digestion aérobie
3.1.3 La fermentation
3.2 CONVERSIONS THERMOCHIMIQUES
3.2.1 La combustion directe
3.2.2 La pyrolyse
f. Les mécanismes de la pyrolyse
g. Les principaux paramètres réactionnels
3.2.3 La gazéification
CHAPITRE 4 : LA GAZEIFICATION DE LA BIOMASSE
4.1 HISTOIRE ET SITUATION ACTUELLE
4.2 DEFINITION
4.3 ASPECTS THEORIQUES DE LA GAZEIFICATION
4.3.1 Les différentes étapes de la gazéification
a. Le séchage
b. La pyrolyse
c. L’oxydation
d. La réduction
4.3.2 Les réactions gouvernant la gazéification
4.3.3 Les différents agents de gazéification
a. L’oxygène
b. La vapeur d’eau
4.4 CLASSIFICATION DES GAZOGENES
4.4.1 Les gazogènes à lit fixe
a. Procédé à contre-courant ou « updraft »
b. Procédé co-courant ou « downdraft »
c. Procédé « crossdraft »
4.4.2 Les gazogènes à lit fluidisé
4.4.3 Les gazogènes à lit entrainé
4.5 CHAMPS D’APPLICATION DES DIFFERENTS TYPES DE GAZOGENE
4.6 EFFETS DES DIFFERENTS PARAMETRES SUR LE PROCESSUS DE GAZEIFICATION
4.6.1 La teneur en humidité
4.6.2 Le rapport stœchiométrique
4.6.3 La température
4.6.4 La taille des particules
DEUXIEME PARTIE : ETUDE EXPERIMENTALE
CHAPITRE 5 : MOTIVATION DU PROJET
5.1 CONTEXTE GENERAL
5.1.1 Renouvelable
5.1.2 Bénéfices environnementaux
5.1.3 Bénéfices sociopolitiques
5.2 LE CONTEXTE ENERGETIQUE MALGACHE
5.2.1 Le bilan énergétique actuel
5.2.2 Le secteur électricité à Madagascar
5.2.3 Solutions pour l’électrification rurale
5.3 OBJECTIFS DE L’ETUDE
CHAPITRE 6 : CONCEPTION ET REALISATION DU GAZOGENE
6.1 CHOIX DU TYPE DE GAZOGENE
6.2 CHOIX DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION
6.3 QUELQUES CONTRAINTES ETABLIES
6.4 LES COMPOSANTS DU GAZOGENE
6.4.1 Le corps du gazogène
a. La chambre de réaction avec la trémie
b. L’enveloppe
6.4.2 Les équipements auxiliaires
a. Le cyclone
b. Le ventilateur centrifuge
c. Le moteur
d. Le variateur de vitesse
e. Le refroidisseur
6.5 EVALUATION DU COUT DE FABRICATION
CHAPITRE 7 : MODELISATION PAR LE MODELE « GASIFIER » SOUS ENGINEERING EQUATION SOLVER (EES)
7.1 INTRODUCTION
7.2 PRESENTATION DE EES ET DU MODELE
7.3 FAMILIARISATION AVEC LE LOGICIEL
7.4 EXPLOITATION DU LOGICIEL
7.4.1 Variation du débit d’air en fonction de la température de gazéification
a. Procédures
b. Résultats
c. Observations
7.4.2 Variation de la composition du syngas en fonction de la température
a. Procédures
b. Résultats
c. Observations
7.4.3 Influence de l’humidité de la biomasse
a. Procédures
b. Résultats
c. Observations
CHAPITRE 8 : TESTS DU GAZOGENE
8.1 ETUDES TECHNIQUES PRELIMINAIRES
8.1.1 Caractérisation de la biomasse
a. La biomasse utilisée
b. Préparation de la biomasse
c. Détermination de l’humidité du bois
d. Composition de la biomasse
e. Formule chimique de l’eucalyptus
8.2 TESTS DU GAZOGENE
8.2.1 Matériels et méthodes
8.2.2 Résultats et discussions
a. Observations visuelles
b. Consommation de combustible
c. Composition du syngas
d. Pouvoir calorifique inférieur
e. Le « cold gas efficiency »
f. La puissance véhiculée par le syngas
CHAPITRE 9 : UTILISATIONS DU SYNGAS
9.1 PRODUCTION DE CHALEUR
9.1.1 Combustion théorique du syngas
a. Pouvoir comburivore Va
b. Pouvoir fumigène Vf
9.2 PRODUCTION D’ELECTRICITE
9.3 SYNTHESE DE PRODUITS CHIMIQUES
9.3.1 Production de méthanol
9.3.2 Synthèse Fischer-Tropsh
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
Annexe 1 Conversion d’unités
Annexe 2 Procédés de fabrication de l’éthanol
Annexe 3 Contenu énergétique sur base sèche de divers combustibles
Annexe 4 Avantages et inconvénients des différents procédés de gazéification
