Figures 1 & 2

© GEPEA (UMR 6144) et RC2C

Taux de conversion du bois en charbon à l’intérieur d’un gazogène (simulations). x est la distance au centre du gazogène et y est la hauteur dans le gazogène. Le taux apparaît en couleurs. Les calculs ont indiqué que la température doit atteindre 600°C pour optimiser la conversion

DOSSIER
Le plein d'énergies

Valorisation de la biomasse

Feu de tout bois

Faire des déchets organiques une source énergétique majeure requiert d’améliorer à la fois leur transformation et leur combustion.
par Mohand TAZEROUT, Professeur à l’École des mines de Nantes, chercheur à l’UMR GEPEA, « Génie des procédés, environnement, agroalimentaire » (Université de Nantes/EMN/Oniris-Nantes)

Le respect des objectifs européens actuels de réduction de la consommation d’énergie d’origine fossile, des pollutions et des émissions de gaz à effet de serre nécessite des efforts considérables de la part de tous. Il requiert également des recherches appliquées à l’exploitation de nouvelles ressources ou à une meilleure utilisation de ressources déjà exploitées.

Dans ce cadre, nous travaillons sur les moyens permettant de transformer autant que possible tous types de déchets organiques (rebuts d’exploitations agricoles ou sylvicoles, cartons, huiles, plastiques, etc.) en combustibles gazeux, liquides ou solides pouvant alimenter des machines de haut rendement et très peu polluantes. Il s’agit aussi de combiner procédés de transformation et machines au sein de dispositifs robustes, de faible taille et de manipulation simple : ces systèmes pourront alors être adoptés par de nombreux utilisateurs pour valoriser les déchets sur les lieux de leur production et éviter ainsi de dépenser de l’énergie pour les transporter. Le moteur à combustion interne est un type de machine qui répond bien à ces critères.

Nos études consistent à caractériser les déchets et leur combustion, à développer, pour chaque catégorie de déchets, un procédé de valorisation adapté à un moteur à combustion interne, puis, une fois le combustible obtenu, à mettre au point ce moteur.

Des gaz sans goudrons
La gazéification est l’un des procédés ad hoc : elle transforme une matière solide en un gaz qui, typiquement, alimentera un moteur utilisé en cogénération1 avec un rendement énergétique pouvant atteindre 90 %. Outre l’électricité produite, la chaleur générée servira à sécher le déchet (sa gazéification le nécessite très souvent).

Nous avons cherché à connaître finement le processus thermochimique de la gazéification pour mettre au point2 un gazogène qui transforme du bois en charbon par pyrolyse (sans combustion) et produit un biogaz dont la très faible teneur en goudrons évite de recourir à un système d’extraction de ces particules qui brûlent difficilement. Les résultats de simulations numériques (cf. figure 1), confortés par des tests effectués sur des réacteurs expérimentaux, ont permis d’optimiser des paramètres tels que le rapport hauteur/diamètre du gazogène et la température de pyrolyse (600°C).

Des moteurs préservés
Les problèmes rencontrés avec les moteurs à biogaz sont essentiellement des émissions polluantes à faible charge (pression et température faibles dans la chambre de combustion) et la survenue, à forte charge, d’un cliquetis (pics de pression tels de petites explosions) très néfaste au moteur. Parmi les produits de gazéification, le dihydrogène a un potentiel d’auto-inflammation particulièrement élevé, source de cliquetis intense qu’il s’agit de prévenir en réglant le moteur ; pour ce faire, il faut pouvoir détecter le cliquetis et connaître les conditions de son apparition.

Le cliquetis provoque une hausse de température dans la chambre de combustion, or jusqu’à récemment, les techniques de détection disponibles dans l’industrie étaient peu fiables ou difficiles à mettre en oeuvre. Nous avons recherché une technique alternative. Grâce à des moteurs expérimentaux dans lesquels il est possible de placer des capteurs de pression pour mesurer directement le cliquetis, nous avons montré que la différence DT entre la température moyenne des gaz d’échappement et celle de la paroi de la chambre décroît avec l’intensité du cliquetis. Puis, en effectuant différents réglages (par exemple, celui de l’instant auquel la bougie déclenche la combustion) et en faisant varier la quantité de gaz injectée dans la chambre, nous avons trouvé une relation proportionnelle (à laquelle correspond la droite de la figure 2) entre cette quantité et la valeur critique de DT en dessous de laquelle le cliquetis apparaît. Ce résultat nous a permis d’établir une méthode instrumentale, brevetée en 2006, de détection thermique du cliquetis3.

Cette méthodologie de recherche est maintenant appliquée à l’utilisation des gaz de méthanisation1 de la biomasse, qui comportent non pas des goudrons mais des siloxanes (particules contenant du silicium) largement responsables de cliquetis.

1. Cf. le glossaire.

2. grâce notamment au travail de thèse de Pierre Lamarche

3. grâce notamment au travail de thèse d’Éric Ollivier

Gazogène expérimental © GEPEA (UMR 6144)

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