La Biomasse - GEE2 - PDF

La Biomasse… GEE2 Pr. AIT HSSAIN  Plan du cours  Introduction et approche globale  Composition de la biomasse végétale  Déchets incinérés  Traitements thermochimiques  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant  Traitements biologiques anaérobies:...

La Biomasse… GEE2 Pr. AIT HSSAIN  Plan du cours  Introduction et approche globale  Composition de la biomasse végétale  Déchets incinérés  Traitements thermochimiques  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant  Traitements biologiques anaérobies:  Biogaz  Production de biokérosène  Production de biogazole par la voie thermochimique  Purification de biogaz  Élimination des COV et des siloxanes  Gazéification de biomasse en eau supercritique  Introduction et approche globale Aujourd’hui, plus de 85% d’énergie utilisée dans le monde provient de gisement de combustible fossile (charbon, pétrole, gaz) ou d’uranium. La limitation de la quantité de ces réserves, la crise successive du pétrole en 1973, le changement climatique et l’accroissement de la demande d’énergie dans tous les pays du monde ont conduit les décideurs à chercher et a développer de nouvelles sources d’approvisionnement.  Introduction et approche globale Qu’entendons-nous aujourd’hui par «biomasses»? Les écologues qui étudient le fonctionnement des divers écosystèmes (forêts, prairies, champs cultivés…)rangeaient dans cette catégorie que les organismes vivants. Le bois mort, la litière, les matières organiques incorporées dans les sols et les déchets n’en faisaient pas partie. Les énergéticiens utilisèrent ce même terme pour désigner les matières récoltées ou récoltables dans ces écosystèmes et utilisables pour produire de l’énergie. Ils y incluaient les déchets des industries agroalimentaires, des scieries, les bois de rebut, les bois d’élagages, les ordures ménagères.  Introduction et approche globale L’utilisation de la biomasse remonte au temps où l’homme découvrait le feu et se servait encore du bois pour se chauffer et cuire ses aliments. Il s’agit de l’énergie contenue dans les plantes et les matières organiques. La biomasse des plantes provient du soleil, quand la plante, grâce à la photosynthèse, absorbe l’énergie solaire. Ensuite, les animaux absorbent à leur tour ces plantes. La biomasse provient de divers secteurs et matières comme le bois, les récoltes (cultivées spécialement pour la production d’énergie), les résidus agricoles et forestiers, les déchets alimentaires et les matières organiques issues des déchets municipaux et industriels.  Introduction et approche globale Il existe toute une variété de technologies pour convertir l’énergie de la biomasse en une forme réutilisable. Ces technologies changent l’énergie en formes utilisables directement (chaleur ou électricité) ou en d’autres formes telles que le biocarburant ou le biogaz.  Introduction et approche globale  L’avantage de la conversion énergétique de la biomasse par rapport aux autres sources énergétiques renouvelables réside dans le fait qu’en plus de la production d’énergie, elle participe activement au traitement des déchets organiques.  La valorisation et la mobilisation du carbone végétal contribueraient ainsi à la réduction de l’impact de nos activités sur l’environnement.  À la différence des combustibles fossiles, la bioénergie peut réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, le carbone résultant de la combustion de carburant peut être capté par les plantes en phase de croissance. Cependant, les réductions réelles d’émission dépendent du type de production bioénergétique et du processus de transformation, et surtout du lieu où la matière première pour la production bioénergétique est produite. La conversion de terres riches en carbone (telles que les forêts naturelles).  Introduction et approche globale Cette source d'énergie ne risque pas de s'épuiser, comme c'est le cas des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz). En effet, quand la moindre goutte de pétrole met des millions d'années à se former dans le sous-sol, les arbres, eux, fabriquent 81 millions de mètres cubes de bois chaque année (France).Mais surtout, elle dégage très peu de gaz à effet de serre, tout comme le charbon ou le pétrole, lorsque des éléments brûlent, cela dégage du dioxyde de carbone (CO2), le principal gaz responsable du réchauffement planétaire. La différence, c'est qu'elle n'émet pas que du CO2, elle en stocke aussi… en poussant  Introduction et approche globale  Les principales utilisations de la biomasse sont : Le BIOGAZ pour la cuisson, Les transports (Biocarburants), Le chauffage domestique (au bois), La production d’électricité et de chaleur par la combustion de bois et de déchets dans des centrales thermique à flamme.  D’où provient la biomasse ? On distingue trois sources principales de biomasse : La biomasse ligneuse, comme le bois, les feuilles mortes, la paille ou le fourrage qui peuvent être utilisés pour le rendement énergétique de la biomasse. En règle générale, la biomasse ligneuse est convertie par voie sèche. La biomasse à glucide comme les céréales, la betterave sucrière et la canne à sucre dont la valorisation se fait par conversion biologique, c’est-à-dire par fermentation ou distillation. La biomasse oléagineuse qui regroupe les plantes riches en lipide comme le colza et le palmier à huile. La biomasse oléagineuse est principalement destinée à servir de Biocarburants.  Introduction et approche globale Le caractère renouvelable, propre et durable de son utilisation dépend du respect de certaines règles, notamment : d’éviter la surexploitation de la ressource (déforestation) d’éviter la dégradation des sols ou de la biodiversité d’éviter la compétition excessive avec d’autres usages (agriculture) de maîtriser la combustion pour limiter les émissions polluantes La biomasse est polyvalente. Epluchures de cuisine, engrais de ferme ou bois non utilisé: toutes ces matières renferment une précieuse énergie qui permet de produire de l’électricité, de la chaleur ou du carburant. Cette source d’énergie est en outre renouvelable et neutre en CO2.  Définition de la biomasse Le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale pouvant devenir des sources d'énergie. Ces matières organiques qui proviennent des plantes sont une forme de stockage de l'énergie solaire, captée et utilisée par les plantes grâce à la chlorophylle. La biomasse correspond à la fraction biodégradable :  des produits, déchets et résidus provenant de l'agriculture, y compris les substances végétales et animales,  des produits, déchets et résidus provenant de la sylviculture et des industries connexes,  des déchets et résidus végétaux de l'industrie (bois, issu de l'exploitation forestière, déchets organiques des industries agroalimentaires...) et aussi des déchets ménagers.  Types de la biomasse Il existe différents types de biomasse qui peuvent être utilisés comme source d'énergie. Bien qu’il existe de nombreuses classifications, nous avons ici choisi la classification qui nous semblait la plus adaptée. Celle-ci consiste à diviser la biomasse en quatre types: La biomasse d’origine agricole qui regroupe les cultures alimentaires et énergétiques mais également les résidus, par exemple les tiges non consommables, et les déchets de l’agriculture tels que les surplus et produits non-calibrés pour la consommation et, finalement, les effluents d’élevage comme les déjections et litières animales qui forment les fumiers et les lisiers. La biomasse d’origine forestière qui englobe les forêts soit le bois comme matière première de même que les résidus et déchets issus de l’activité forestière lors de la première transformation du bois.  Types de la biomasse La biomasse d’origine aquatique, soit les résidus des activités de pêche et d’aquaculture ainsi que les cultures d’algues et de micro-algues. La biomasse d’origine industrielle regroupe principalement tous les produits connexes de l’industrie agroalimentaire et de l’industrie du bois de deuxième transformation. La biomasse d’origine collective qui comprend l’ensemble des déchets produit par l’homme et notre société, soit les déchets biodégradables de la communauté comme les boues d’épurations, les bois élagués dans les parcs et le long des voiries, etc., les ordures ménagères et, pour finir, les produits biodégradables en fin de vie que sont principalement les produits en bois issu de la construction, des déchetteries et de la grande distribution, telles que les cagettes et les palettes.  Types de la biomasse Aujourd’hui la biomasse est principalement valorisée par l’homme dans quatre domaines : l’alimentation (pour l’homme et l’animal), l’industrie (chimie végétale, produits biobasés, …), l’énergie (bois de chauffage, biocarburants, …) et la construction (bois de construction, menuiserie, …)  Composition de la biomasse végétale Les principales sources de biomasse végétales valorisables:  Algues : épaississants & gélifiants (alimentaire & pharmaceutique)  Bois (lignocellulosiques): fibres cellulosiques +lignine et hémicelluloses  Tiges de céréales résidu lignocellulosique (grains, amidon, alimentaire ou industriel)  Coques de noix (abrasifs)  Plantes oléagineuses (huiles végétales + pulpes ou tourteaux)  Betteraves sucrières, canne à sucre: saccharose + pulpe ou bagasse La production annuelle de biomasse est estimée à 172 milliards de tonnes de matière sèche soit l’équivalent en énergie primaire de 15 fois l’énergie fossile consommé. Biomasse  source d’énergie (bois–énergie; (bio)gaz; (bio)éthanol; (bio)gazole; H2 pour piles à combustible par thermolyse et fermentation). Biomasse  source de molécules pour la chimie et de polymers.  Composition de la biomasse végétale Modes de valorisation énergétique de la biomasse végétale:  par combustion (incinération) : chaleur  par méthanisation (fermentation bactérienne en absence d’oxygène) :  CH4 + CO2  par fermentation alcoolique : éthanol  par voie thermochimique (thermolyse et gazéification) : gaz dont H2  Composition de la biomasse végétale Les différentes voies d'obtention de biocarburants à partir de la biomasse végétale  Composition de la biomasse végétale Composition chimique de quelques fibres naturelles Pourcentages, description, avantages et inconvénients des composants et éléments chimiques principaux du bois  Composition de la biomasse végétale Produits d’origine végétale à application solvante:  les esters d’huiles végétales: les esters méthyliques sont bons solvants des graisses.  les esters d’acides organiques fermentaires: les micro-organismes produisent des acides organiques (acétique, citrique, gluconique, lactique…) à partir de dérivés d’amidon et de sucres; ils sont estérifiés par un alcool, solvants des peintures, encres…(remplacent les éthers de glycol interdits dans les cosmétiques ou les médicaments…)  les terpènes (pins, agrumes…); les alcools terpèniques pour décapage, non volatils, biodégradables  l’éthanol obtenu par fermentation (utilisé en pharmacie, parfumerie…)  le CO2 supercritique (co-produit de la production de l’éthanol agricole) utilisé pour différentes extractions  Composition de la biomasse végétale Exemple d’applications de la biomasse végétale et développement en cours:  Encres d’imprimerie (encres offset quickset)  100% végétales (esters ) sur les presses huit couleurs, permet plus de brillance et d’intensité aux imprimés et une meilleur stabilité.  Phytosanitaires : adjuvants incorporés aux produits avant pulvérisation sur champs (augmente la pénétration du produit) et solvant de formulation (encore peu performants)  Nettoyage de surface : décapage de peinture, nettoyage de façades, nettoyage d’imprimerie Avantages :  souvent oxygénés, sécurité et biodégradabilité  esters oléochimiques sont faiblement volatils  Déchets incinérés La combustion de la biomasse désigne le fait de brûler des matières organiques (essentiellement végétales) pour produire de l'énergie. La combustion de la biomasse représente 39,8% de l’ensemble de la production primaire mondiale d’énergies renouvelables, soit plus d’un tiers. La combustion est le mode de conversion le plus ancien et sans doute le plus employé, tant pour les utilisations domestiques qu'industrielles. Son rendement est bon dans la mesure où le combustible est riche en glucides structurés (cellulose et lignine), et surtout suffisamment sec (humidité inférieure à 35 %).  Déchets incinérés La co-combustion consiste à brûler simultanément un combustible fossile, généralement du charbon, et une biomasse (jusqu'à 15 %), afin de réduire, dans une chaudière existante, la quantité de combustible initial. La formule chimique de la biomasse est donnée par CHxOyNz où x, y et z représentent les nombres d’atomes d’oxygène, hydrogène et azote dans la biomasse correspondant à une seule mole de carbone. Les 3 facteurs nécessaires à une réaction decombustion  Déchets incinérés Les combustibles biomasse Les ressources biomasse peuvent être classées en plusieurs catégories selon leurs origines. Nous retrouvons des gisements issus de la filière bois (bois bûche, plaquettes forestières, granulés de bois) et des gisements issus de la filière agricole et de l’industrie(Co produits de récoltes, cultures énergétiques,…).  Procédés de transformations de la biomasse forestière en énergie et produits chimiques Toutes les biomasses se décomposent en leurs molécules primaires en dégageant de l’énergie, et un procédé comme la combustion ne fait qu’imiter ce processus. On distingue quatre typologies principales de technologies pour l’utilisation de la biomasse : les procédés par combustion directe, les procédés thermochimiques, les procédés biochimiques et les procédés agrochimiques. Nous considèrerons séparément chacune des trois premières catégories, mais ne nous intéresserons pas à la dernière (voir figure). La distinction entre combustion directe, pyrolyse/liquéfaction et gazéification est d’ordre purement pratique, car nous considèrerons les produits autant que les procédés. Tous ces procédés adviennent ensemble quelque soit la transformation spécifique considérée.  Traitements thermochimiques de la biomasse La conversion thermochimique conduit à la production de chaleur pouvant servir directement au chauffage (feux ouverts), à l’obtention d’eau chaude ou de vapeur (boilers), destiné au chauffage et/ou la production d’électricité (dans ce cas, la vapeur doit être produite à haute pression). La pyrolyse / liquéfaction  La pyrolyse est un procédé de décomposition thermique à des températures moyennes (450-500°C) en absence d’oxygène, avec un taux de transfert thermique élevé et un temps de résidence réduit des gaz pyroligneux dans la zone de combustion. Ceux-ci sont rapidement refroidis et se condensent sous forme de biohuile.  La liquéfaction pourrait être définie comme la transformation thermochimique du bois à basses températures (250-350°C) et hautes pressions (10-20 MPa), en présence d’un catalyseur pour augmenter l’efficacité ou la sélectivité du procédé. Le rendement et la qualité de la biohuile obtenue par liquéfaction sont supérieurs à celui de la pyrolyse.  Traitements thermochimiques de la biomasse  La pyrolyse est utilisée comme un procédé indépendant ou comme prétraitement pour la gazéification. Différentes variables de la pyrolyse existent. À titre d’exemple, le procédé « Lignin to Liquid (LtL) », à travers l’ajout d’acide formique (source de H2) et d’autres alcools transforme la biohuile en carburant semblable aux produits fossiles en une seule étape.  Le procédé catalytique comporte deux étapes en série, une thermique qui divise la biohuile en deux phases, et une catalytique qui utilise des zéolites (aluminosilicate) et du méthanol pour catalyser la transformation de la phase aqueuse en carburants. Toutefois, si l’objectif final est un produit chimiquement compatible aux carburants et non la quantité, le procédé devrait prendre en compte l’équation stœchiométrique des hydrocarbures.  Traitements thermochimiques de la biomasse Les utilisations de la biohuile L’utilisation de la biohuile n’est pas facile dans des équipements construits pour l’usage des carburants fossiles, elle est cependant possible pour la production de chaleur et électricité à travers l’usage de chaudières, moteurs diesels et turbines, après des modifications aux équipements L’usage plus simple de la biohuile comme carburant semble son mélange avec le diesel, ce qui est possible grâce à l’usage d’agents tensioactifs. Les inconvénients de cette approche sont le coût élevé des agents tensioactifs et la grande consommation d’énergie nécessaire pour l’émulsion. Traitements thermochimiques de la biomasse  Traitements thermochimiques de la biomasse La gazéification La gazéification est une forme de pyrolyse conduite à de hautes températures (900-1050°C) en vue d’optimiser la production de gaz dont les étapes sont : séchage, pyrolyse, oxydation et réduction. Le gaz obtenu est un mélange de CO, H2, CH4, CO2 et N2. Cette technologie est la plus récente des méthodes de transformations thermochimiques et est utilisée pour optimiser le rendement électrique, tout en limitant les coûts. Il est en effet possible d’obtenir un rendement de 50%, en utilisant un cycle combiné de turbines à gaz, dans lequel les gaz usés de la première servent à la production de vapeur pour la deuxième. Les nouvelles technologies utilisent de la vapeur à haute température pour les réactions, ce qui conduit à un gaz « propre », le syngas (gaz synthétique).  Traitements thermochimiques de la biomasse Les utilisations de la gazéification  La gazéification a un meilleur rendement que la combustion et la pyrolyse et le gaz de producteur est en général utilisable dans les chaudières sans problème, et du fait de la quasi absence de goudrons, il pourrait être utilisé dans les moteurs pour cogénération.  Le syngas et l’hydrogène sont des sources d’énergies vertes, et le syngas pourrait être converti en produits tels : le méthanol, le diméthyle éther, et le diesel synthétique, mais beaucoup de travail reste à faire pour augmenter l’efficacité énergétique de la gazéification et limiter la formation de goudron et charbon. Traitements thermochimiques de la biomasse  Traitements thermochimiques de la biomasse Procédés biochimiques (Le bioraffinage) Le bioraffinage pourrait dans une certaine mesure être considéré comme un champ nouveau. Cela se reflète par la multitude de définitions qui lui sont données, et des controverses autour de celles-ci. Les bioraffineries transforment la biomasse pour produire de l’énergie et une grande variété de précurseurs chimiques et biomatériaux, un peu comme une raffinerie pétrolière, toutefois, les produits dérivables de la bioraffinerie incluent non seulement ceux dérivables des raffineries pétrolières, mais également une gamme de produits inaccessibles pour l’industrie pétrolière. Les prétraitements chimiques L’objectif des prétraitements est celui d’altérer suffisamment la structure de la biomasse de façon à rendre les holocelluloses disponibles pour l’hydrolyse enzymatique et la fermentation. En effet, l’hydrolyse enzymatique de la cellulose est possible seulement après que des prétraitements aient dissociés la structure ligneuse. Traitements thermochimiques de la biomasse  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant Les substances à partir desquelles sont produites les huiles sont soit des graines ou des amandes soit des fruits. En fait, toutes les graines, tous les fruits et toutes les amandes contiennent de l’huile, mais seuls sont appelés oléagineux ceux qui servent à produire industriellement de l’huile et qui sont cultivés dans ce but. Parmi les graines de plantes cultivées pour leur huile, les plus connues sont : l’arachide, le colza, le ricin, le soja et le tournesol. Il faut y joindre les graines de plantes cultivées pour fournir des fibres textiles et subsidiairement de l’huile tel que le coton et le lin principalement. Quant aux fruits oléagineux et aux amandes, ils proviennent principalement du cocotier (noix de coco contenant le coprah), du noyer, du palmier à huile (palme et palmiste) et de l’olivier (olives).  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant Caractéristiques La composition chimique des huiles végétales correspond dans la plupart des cas à un mélange de 95 % de triglycérides et 5 % d’acides gras libres, de stérols, cires, et autres composants minoritaires. Les triglycérides sont des tri-esters formés par la réaction d’acides gras sur les trois fonctions alcools du glycérol (Figure 1). Classification : Les huiles végétales peuvent se diviser en 4 grands groupes, l’indice d’iode servant à les discriminer :  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant L’indice d’iode permet de se rendre compte de l’insaturation d’une huile : il varie entre 0 et 200g/100g. Il correspond au nombre de grammes d’iode fixés par 100g de corps gras (NF T60-203). Il est donc en rapport direct avec le degré d’insaturation d’un corps gras : plus une huile est insaturée, plus l’indice d’iode est élevé. Les huiles végétales ont des caractéristiques similaires à celles du fioul. En particulier, un indice de cétane qui indique une aptitude au fonctionnement en cycle Diesel. Plus il est élevé, plus le carburant est apte à l’auto inflammation. Mais, si les valeurs présentées dans les tableaux permettent une classification en terme de qualité des huiles végétales, elles ne sont pas directement comparables à celles du fioul. En effet, l’huile de tournesol qui présente un indice de cétane de 32 se comporte mieux dans un moteur diesel que des fiouls de mêmes indices. Tableau 1 : Caractéristiques physiques et “carburant” des huiles végétales comparées au Diesel et à l’ester méthylique d’huile de colza  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant Avantages des huiles végétales comme carburant : Les huiles végétales naturelles ont des propriétés énergétiques proches de celles du fioul. Produites par l’agriculture, elles ne sont pas un substitut direct de l’essence mais bien du gazole qui est le principal carburant agricole. Par ailleurs, elles se mélangent très bien aux fiouls. Enfin leur utilisation en tant que biocarburant peut se faire selon deux voies : Moteur à l’huile de palme La première voie nécessite une transformation chimique sophistiquée si l’on ne veut pas générer trop de pertes lors de l’estérification. Cette voie s’applique généralement aux moyennes ou grandes productions industrielles, elle s’éloigne souvent des exploitations agricoles. La seconde voie peut s’envisager sur les lieux de production de la matière première. Elle est rapidement applicable et peut ne pas nécessiter d’intrants souvent onéreux.  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant Avantages des huiles végétales comme carburant : La production d’huiles végétales biocarburant présente des avantages écologiques:  l’agriculture produit de cinq à dix fois l’énergie qu’elle consomme.  produits alimentaires énergétiques et de sous-produits utilisables pour produire de l’énergie  elles se mélangent très bien aux fiouls.  La qualité requise en tant que carburant n’est pas aussi exigeante que pour l’alimentation humaine.  Les stockages et transferts, s’ils exigent de la propreté, ne nécessitent pas de matériaux alimentaires  Une huile impropre ou toxique à la consommation humaine peut être utilisée comme carburant comme par exemple l’huile de ricin (mamona).  leur utilisation en tant que biocarburant peut se faire en tant que carburant industriel : par trans- estérification  leur utilisation en tant que biocarburant peut se faire en tant que carburant local en circuit court d’autoconsommation.  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant L’utilisation d’huiles végétales bio carburant permet de ne pas augmenter le volume de CO2 rejeté dans l’atmosphère (la quantité rejetée pendant la combustion équivaut à la quantité stockée par l’activité photo synthétique des plantes), et joue donc un rôle positif dans le contrôle de l’effet de serre. En circuit court, l’usage de 1000 litres d’huiles végétales permet d’atteindre 3,2 tonnes de CO2 évité. Ce qu’il faut retenir: Les huiles végétales présentent des caractéristiques proches de celles des fiouls et se révèlent de bons carburants pour les moteurs diesels. Alors, pourquoi aujourd’hui si peu d’applications carburant des huiles végétales ? L’histoire indique que M. Diesel, inventeur de ce type de moteur, les avait qualifié comme carburant dès 1900. C’est l’évolution économique et industrielle mondiale qui a spécialisé les moteurs vers le pétrole, ressource plus abondante et plus facile d’accès. Comme toutes les « énergies vertes », l’huile végétale est en période normale et à moyen terme plus chère que le pétrole. Par ailleurs, les huiles ne respectent pas, par nature, les spécifications standards établies pour les produits pétroliers, ce qui pose des problèmes techniques à leur usage dans les moteurs courants et leur interdit des homologations d’usage dans beaucoup de pays développés (eux-mêmes constructeurs des moteurs). Enfin, la compétition entre usages énergétique et alimentaire demeure un facteur de blocage fort.  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant La production d’huiles végétales à destination carburant utilise les mêmes équipements que la production alimentaire traditionnelle que ce soit à l’échelle artisanale ou industrielle. Les différentes étapes de la récolte a l’obtention de l huile « carburant » sont données dans la figure 2. Ce qu’il faut retenir : Produire de l’huile naturelle carburant peut s’envisager en utilisant les outils artisanaux ou industriels existants pour la filière alimentaire. Mais si les exigences de qualité sont moins grandes et moins coûteuses qu’en production alimentaire elles demeurent cependant obligatoires. Elles concernent essentiellement la filtration et le stockage. Néanmoins, le respect des teneurs en sédiments est parfois plus contraignant pour les huiles carburant que pour les huiles alimentaires en particulier dans les pays tropicaux. Diagramme pour la production des huiles carburants  Utilisation des huiles végétales comme biocarburant La biomasse et les biocarburants :  Ethanol (à partir de glucose et amidon ou cellulose)  Diesters ( à partir des huiles végétales; nouvelle filière : microalgues) Ces deux filières sont aujourd'hui confrontées à des contraintes de disponibilité de la matière première et de concurrence vis-à-vis de la production alimentaire ; à cela s'ajoutent les problèmes de déforestation, d'abus de biocides et d'engrais.  Traitements biologiques anaérobies Les eaux usées ont une teneur élevée en matières organiques, en nutriments (principalement azote et phosphore), en bactéries et en pathogènes. L’objectif du traitement biologique est leur élimination, qui se fait grâce à l’action métabolique de différentes souches de microorganismes. Dans un traitement biologique conventionnel, on retrouve au moins 2 étapes distinctes : en premier lieu, le réacteur biologique dans lequel la matière organique entre en contact avec les microorganismes qui l’éliminent, et ensuite une clarification au cours de laquelle la biomasse ou les boues sont retirées de l’effluent traité, normalement par décantation.  Traitements biologiques anaérobies: Selon la nature de la matière organique Traitement anaérobie présente dans l’effluent à traiter, il peut  Exigences : utilise un processus biologique qui ne nécessite pas d'oxygène. être nécessaire d’utiliser ou non l’oxygène  Efficacité énergétique : pour la métaboliser. ne nécessite pas l'ajout d'oxygène dans les réservoirs de rétention, ce Dans les secteurs où la charge qui se traduit par une efficacité énergétique supérieure à l’aérobies. contaminante biodégradable est très  Convient aux : élevée, des microorganismes anaérobies eaux usées de concentration moyenne à élevée (supérieure à 4 000 sont utilisés. Du biogaz (principalement du ppm), par exemple, eaux usées de l'industrie agroalimentaire. CH4 et du CO2) et une petite fraction de  Production : boues sont obtenus comme sous-produits. biogaz (méthane et dioxyde de carbone) ; quantités relativement Il arrive que l’effluent obtenu ne réponde faibles de boues activées. pas aux exigences minimales de qualité et  Equipements et technologies utilisés : puisse donc nécessiter un traitement de lagons anaérobies, fosses septiques, digesteurs anaérobies, réacteurs à raffinage supplémentaire. cuve agités en continu, couvertures de boues anaérobies à flux ascendant.  Traitements biologiques anaérobies Lors de la photosynthèse, les végétaux captent le CO2 dans l’atmosphère et l’utilisent, grâce à l’énergie du soleil, pour construire tous leurs composants (tiges, racines, feuilles, etc.). Lors de ce processus, de l’oxygène est libéré dans l’atmosphère. Lors de la combustion de la biomasse, de l’oxygène est puisé dans l’atmosphère, et le CO2 stocké dans la biomasse est libéré.  Traitements biologiques anaérobies Production de biokérosène La voie thermochimique est utilisée pour obtenir des biocarburants de deuxième génération à partir de la biomasse lignocellulosique. La voie thermochimique indirecte commence par une première étape de prétraitement de la biomasse, qui est ensuite transformée en gaz de synthèse par oxydation partielle dans une unité de gazéification. Ce gaz de synthèse, mélange de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), est ensuite conditionné et épuré pour répondre aux spécifications de la synthèse Fischer-Tropsch, qui produit des hydrocarbures liquides. La dernière étape de cette chaîne de processus est la valorisation des effluents d'hydrocarbures afin d'en ajuster les propriétés. Les principaux produits finaux sont le kérosène et le carburant diesel de haute qualité ; ces produits ne contiennent ni soufre ni aromatiques et peuvent facilement compléter ou remplacer les combustibles fossiles. Ils seront utilisables, seuls ou en mélange, dans tous types de moteur diesel et turboréacteurs d’avion. Production de biokérosène  Techniques de purification de biogaz Dans ce qui suit, nous analysons, pour chaque type de contaminant, à quel moment il doit être éliminé et quelle est la technique qui convient le mieux: Acide sulfhydrique (H2S) Il s’agit d’un composé très odorant, toxique et corrosif. De plus, sa combustion produit du SO2, ce qui est l’une des causes principales du phénomène des pluies acides. Techniques employées  Désulfuration biologique: c’est la technique la plus compétitive même lorsque la charge est élevée, grâce à son efficacité élevée et ses faibles coûts d’exploitation.  Contre-lavage à l’eau de pression: Absorption dans l’eau basée sur la différence de polarité.  Lavage chimique par scrubbers: Il est utilisé en tant qu’alternative biologique. C’est une technique efficace mais moins économique et elle nécessite l’utilisation de produits chimiques.  Dosage de sels ferreux dans le digesteur: il permet d’atténuer la formation de ce polluant, par précipitation du sulfure (en réduisant la formation de sulfhydrique)  Techniques de purification de biogaz Dioxyde de carbone (CO2) Il ne s’agit pas d’un polluant propre au biogaz, car il est inoffensif pour la plupart des applications. Cependant, celui-ci doit être séparé si l’on souhaite disposer de méthane concentré, soit pour être utilisé en tant que combustible pour automobiles ou bien pour une injection dans le réseau de gaz naturel. Techniques employées Contre-lavage à l’eau de pression: Absorption dans l’eau basée sur la différence de polarité. Autant le CO2 que le H2S sont retenus tandis que le méthane non, à cause des différences de polarité entre les deux premières molécules et celle de méthane, qui est non polaire. La solubilité du CO2 dans l’eau dépend de la pression, de la température et du pH. Pour achever d’éliminer complètement le CO2, cette étape peut être complétée par une précipitation avec Ca(OH)2 du H2S et du CO2 pour obtenir du CaCO3 et du CaS.  Techniques de purification de biogaz Eau (H2O) À la sortie du digesteur, le biogaz est saturé de vapeur d’eau et pour la majorité des applications il sera nécessaire de le sécher. Pour ce faire, on peut réfrigérer la tuyauterie et l’eau est récupérée. Techniques employées Réfrigération: La tuyauterie est refroidie, ce qui permet de récupérer l’eau condensée. Si l’on souhaite une élimination totale de la vapeur d’eau, il est possible de l’absorber grâce à un agent séchant comme du gel silique ou Al2O3. Siloxane Il s’agit d’une famille de composés de silicium qui se trouvent sous forme de vapeur dans le biogaz. Ils se cristallisent en partie pour former du silicium qui provoque une forte abrasion sur les équipements mécaniques. Ils sont séparés du biogaz par absorption avec charbon actif. Techniques employées Absorption avec charbon actif: avec cette technique on obtient un rendement élevé qui permet de réduire ces composés.  Techniques de purification de biogaz BTEX, hydrocarbures et composés hallogènes Les filtres à charbon actif absorbent également ceux qui peuvent être contenus dans le biogaz. Si l’on souhaite du méthane avec un pouvoir calorifique (PCI) similaire à celui du gaz naturel, il existe une alternative de purification constante avec le filtrage par membrane. Le gaz à purifier passe au travers d’une membrane sélective et en fonction de la différente perméabilité de la membrane aux différents composés, ceux-ci se perméabilisent et le méthane s’enrichit. Le design de la membrane est le plus adapté à la séparation sélective de différents gaz, principalement du CO2 et du méthane. La purification est effective, même s’il existe une certaine perte de méthane avec le CO2 séparé, de plus ce sont des systèmes couteux.  Enrichissement de biogaz ou « biogas upgrading » Parmi les différentes technologies utilisées pour le traitement du biogaz, on peut signaler le contre-lavage avec eau sous pression. Cette technologie est celle qui bénéficie de la meilleure flexibilité possible pour le traitement du biogaz, indépendamment de sa qualité et de sa quantité. Elle est utilisée pour enrichir le biogaz à la qualité du gaz naturel, ce qui permet sa réutilisation sur les installations mêmes ou sa connexion au réseau d’approvisionnement de gaz naturel. Par son application on peut séparer efficacement le CO2 et le sulfure d’hydrogène en une seule étape et avec un processus complètement automatisé. Les principaux avantages obtenus sont: Les stations sont réalisées en modules standard avec différentes capacités et une mise en place facile. Le CO2 est éliminé du biogaz grâce à la technologie d’épuration par eau sous pression. Aucun produit chimique n’est consommé. Aucune désulfuration préalable n’est requise. Il n’y a pas de demande de chaleur. Efficacité de récupération du méthane de 99%. Grande flexibilité face aux variations de contenu de CH4. Énergie verte.  Élimination des COV et des siloxanes Les entreprises qui manipulent des combustibles fossiles et des solvants, ou qui produisent du biogaz, ont besoin d'une technologie fiable et flexible pour éliminer les composés organiques volatils (COV). Que sont les COV ? Les COV sont un groupe d'hydrocarbures qui s'évaporent à basse température. Il existe des milliers de COV, dont beaucoup sont générés naturellement. Les produits chimiques suivants font partie des émissions de COV les plus courantes :  Dérivés du pétrole, tels que le benzène et le toluène.  Solvants, y compris l'acétone, l'acétate de butyle, le xylol, le butanol et l'éthylbenzène.  Alcools, tels que le méthanol et l'éthanol.  Hydrocarbures polyaromatiques (HAP) et BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes).  Composés organiques halogénés contenant du chlore, du brome, du fluor ou de l'iode, par exemple le dichlorure de méthyle ou le dichlorométhane (DCM) et le monochlorobenzène (MCB).  Siloxanes et terpènes.  Élimination des COV et des siloxanes Pourquoi l'élimination des COV est-elle importante ? Les COV et les solvants peuvent avoir de graves répercussions sur la santé humaine. Certains d'entre eux peuvent causer le cancer, tandis que d'autres sont toxiques. Le benzène, le DCM et l'acétone ne sont que quelques exemples de COV qui peuvent être éliminé.  Les émissions de COV sont l'une des principales causes de pollution atmosphérique au niveau du sol.  Ils réagissent avec les oxydes d'azote et le monoxyde de carbone pour former de l'ozone troposphérique.  Il s'agit d'un composant majeur du smog et d'un gaz à effet de serre (GES) qui contribue au changement climatique.  Les BTEX (Benzène – Toluène – Ethylbenzène – Xylènes) et les solvants chlorés tels que le DCM présentent des risques sérieux pour l'environnement. Certains solvants et COV tels que les terpènes, le styrène, les alcanes et le naphtalène, provoquent des nuisances olfactives pour les ouvriers du chantier et les riverains.  La présence de COV dans le flux de biogaz entrave sa valorisation en biométhane. L’élimination des COV du biogaz, permet sa conversion en biométhane.  Élimination des COV et des siloxanes Quelles sont les sources d'émissions de COV ? Les COV sont couramment émis par les solvants, souvent utilisés comme revêtements ou comme produits de nettoyage, et les dérivés de combustibles fossiles, notamment les huiles minérales, le bitume et les plastiques. Ils sont libérés par plusieurs activités :  Procédés de fabrication dans l'industrie chimique.  Procédés réactifs dans la fabrication des plastiques et des composites.  Pulvérisation et collage.  Préparation des aliments.  Nettoyage et entretien.  Stockage, chargement et transport de produits chimiques.  La gestion des déchets.  Assainissement des sols. Élimination des COV et des siloxanes Élimination des COV et des siloxanes  Gazéification de biomasse en eau supercritique Pour les biomasses humides, un procédé intéressant de valorisation est la gazéification en eau supercritique, qui permet la production d'un gaz énergétique très intéressant de par son origine non fossile. La gazéification en eau supercritique s'adresse plus particulièrement à des biomasses très humides. Intérêts et applications de l’eau supercritique  La miscibilité complète de l'eau supercritique et des gaz, permet de créer un milieu réactionnel homogène sans limites de transfert interphasique. De cette façon, la réaction devient très rapide et complète.  l’eau supercritique est aussi un milieu réactionnel excellent pour les catalyseurs hétérogènes, car la vitesse de diffusion élevée évite les limitations de transfert de matière.  La constante diélectrique, ajustée par la température et la pression, permet d’influencer la vitesse des réactions chimiques. Une constante diélectrique élevée réduit l'énergie d'activation de la réaction avec une polarité de l’état de transition plus élevée que celle de l'état initial.  La haute pression accélère la vitesse des réactions radicalaires des petites molécules mais réduit la vitesse dans le cas de grandes molécules à cause de l’effet de cage.  L'eau agit comme un catalyseur acide ou basique très efficace et la chimie ionique peut être améliorée.  Gazéification de biomasse en eau supercritique L’idée de la gazéification hydrothermale de la biomasse est basée sur les propriétés particulières de l’eau sous ou supercritique qui joue à la fois le rôle de solvant et de réactif. Sous des conditions opératoires autour et au-delà du point critique, le milieu réactionnel est homogène ; la biomasse est rapidement décomposée en petites molécules, puis est gazéifiée en gaz riche en H2, CO, CH4, CO2. En outre, la haute efficacité de la réaction chimique peut être obtenue dans le cas où le mélange de l’eau et des composés organiques est parfait, le processus n’étant pas limité par le transfert de matière  LES AVANTAGES ET LES LIMITES DE LA BIOMASSE ☺ La bioénergie, exploitée de manière durable et renouvelable, ne participe pas auréchauffement climatique grâce à son cycle neutre du carbone. ☺ La biomasse est biodégradable, les risques de pollution sont très réduits. ☺ La production de la biomasse est locale (contrairement aux combustibles fossilesprovenant principalement de Russie et du Moyen-Orient) et évite les transports sur delongues distances, le gaspillage d’énergie et l’augmentation des coûts. ☺ L’utilisation de la biomasse produite localement réduit notre dépendance vis-à-vis de paysextérieurs pour l’approvisionnement en énergie et améliore notre sécuritéd’approvisionnement. ☺ Les activités de production, de collecte, de conditionnement, de transport et de vente dela biomasse maintiennent et créent de nombreuses activités et emplois directs et indirectsdans notre pays, principalement en zones rurales.  LES AVANTAGES ET LES LIMITES DE LA BIOMASSE ☺ Tout comme le mazout ou le gaz, le bois de chauffe doit être transporté de sa zone deproduction à son lieu d’utilisation. Si cette distance est trop importante, les coûts de transport et de mobilisation seront trop élevés. ☺ Attention, il est important de n’utiliser que du bois sec et propre (c'est-à-dire pas de boistraité de récupération) dans les installations de chauffage au bois. L’utilisation de boishumide et/ou de bois traité, à l’encontre des recommandations du constructeur, peutmener à des émissions de substances nocives./ Toute installation de combustion peut émettre du CO et des particules fines (PM10)nocives pour la santé. Si plusieurs précautions sont prises (filtre à particule, qualité ducombustible, bons réglages) les équipements à la biomasse peuvent dégager unequantité égale ou moindre aux équipements de combustion classique (gaz, mazout). Fin du cours …