Le 02/03/2021


Webinaire sur les nouvelles avancées scientifiques et technologiques de la gazéification hydrothermale pour la production de biocarburants

Le mardi 9 février 2021, le CEA Grenoble organisait en collaboration avec le pôle de compétitivité chimie-environnement AXELERA un webinaire sur les technologies de gazéification hydrothermale pour participer à la diffusion des résultats de la recherche dans le domaine et mettre en valeur les premiers résultats du projet européen Pulp&Fuel, coordonné par le CEA, et portant sur la conversion thermochimique des déchets industriels produits dans une usine de pâtes à papier en biocarburants.

Description

Ce webinaire a réuni 78 participants. Plus d’une vingtaine d’entreprises différentes et 7 universités ou centres de recherche internationaux y étaient représentés (La SINTEF, les universités de Birmingham,  Florence, Régina, Queensland et l’Institut de technologie de Karlsruhe).

   

Les présentations

 

La première présentation, proposée par le professeur Vogel de l’Institut Suisse Paul Scherrer (PSI[1]), a été l’occasion de rappeler quelques concepts fondamentaux sur les différentes technologies hydrothermales, en particulier sur la gazéification en eau supercritique et sur le comportement des sels. La précipitation des sels, sujet important, est étudié au PSI à l’aide de dispositifs expérimentaux dédiés. Des expériences très détaillées ont montré le comportement (dépôt) des sels en temps réel. Le Professeur Vogel a ensuite présenté le pilote expérimental de PSI doté d’un séparateur de sel. Le gazéifieur opère en conditions proche supercritique, vers 400-500°C pour favoriser la production de méthane et est doté d’un catalyseur à base de ruthénium. Beaucoup d’études ont été faites sur les performances et la stabilité de ce catalyseur. L’institut a également mis au point un séparateur de sel performant (qui a été en présenté en détail). Ce système a été implanté sur une unité conteneurisée dans le projet RENERG2.

 

 

La seconde présentation a été assurée par le Docteur Nikolaos Boukis de l’Institut technologique de Karlsruhe (Allemagne). Ce dernier a présenté les activités et les avancées de l’Institut sur la gazéification hydrothermale. Après avoir expliqué les principes généraux, il a présenté l’usine pilote VERENA en expliquant que des températures élevées (autour de 700 °C) sont visées pour favoriser la production d’hydrogène. Le procédé permet de séparer le CO2 du gaz produit pour produire un gaz riche en CH4 et H2 avec des traces de CO et des hydrocarbures C2 et C3

.

Les bilans énergétiques de ce procédé montrent que la ressource est efficacement convertie en gaz et que l’énergie contenue dans le gaz est largement supérieure aux dépenses. Les ressources testées sont très variables, drêches de brasserie, algues, boues de station d’épuration, marc de raisin, glycérol et autres. Un broyeur en ligne est intégré dans le pilote. Les essais ont montré que le temps de réaction est assez court, l’ordre que 5 minutes. L’institut étudie également les phénomènes de corrosion rencontré lors de la liquéfaction hydrothermale.

 

La séance plénière s’est poursuivie par la présentation du projet H2020 Pulp&Fuel. Ce projet qui réunit 9 partenaires de 4 pays Européens différents autour du CEA Grenoble, émane d’un constat : l’industrie de pâte à papier génère deux flux de résidus importants, la liqueur noire et les écorces. La liqueur noire est un résidu de la cuisson du bois contenant les sels de cuisson, la lignine et les extractibles du bois. Ces deux ressources sont actuellement brulées pour fournir de l’énergie. L’objectif de Pulp&Fuel est donc de proposer une valorisation par gazéification de ces deux ressources et de produire un biocarburant par voie Fischer-Tropsch. Le projet regarde deux familles liqueurs noires : celle issue du procédé Kraft classique et celle issue d’un nouveau type de cuisson sans soufre. La liqueur noire est une ressource liquide très riche en eau. La gazéification en eau supercritique est bien adaptée à ce type de ressource.  Les résultats de la gazéification ont montré que le gaz produit est un mélange composé essentiellement d’hydrogène, de méthane et de dioxyde de carbone. Des traces mineures de monoxyde de carbone, petits hydrocarbures et sulfure d’hydrogène sont également observés. L’importance de la température est clairement mise en évidence par l’analyse des données.

 

Le souffre est transformé partiellement en sulfure d’hydrogène mais reste pour une partie importante dans la phase aqueuse. Ce point est clairement identifié dans les simulations et montré expérimentalement. Le pH de la solution finale est déterminant pour le sort du souffre.

 

Les expériences en continue soulignent les efforts faits au PSI et KIT sur l’importance de la gestion des sels. Les sels et en particulier le carbonate de sodium précipitent en eau en proche critique et supercritique. Le travail de Grenoble INP montre que pendant la phase de chauffe, la lignine est dépolymérisée pour produire des monomères. Ce travail est important pour la compréhension de la chimie de la gazéification. Ces monomères (phénol, gaïacol, syrengol) sont des molécules d’intérêt avec une valeur économique.

 

 

Enfin, le webinaire s’est clôturé sur une 2ième intervention du professeur Vogel qui a présenté cette fois les résultats de travaux de recherche obtenus dans le cadre du projet Européen HyFlexFuel porté par l’entreprise Allemande aéronautique et aérospatiale BAUHAUS LUFTFAHRT EV. Dans ce projet, une large gamme de ressources issues de la biomasse est traitée par liquéfaction hydrothermale (HTL) pour produire du biobrut, valorisé ensuite en produits combustibles par hydrotraitement catalytique et distillation. La phase aqueuse est riche en molécules organiques issue de la conversion HTL. Le traitement par gazéification hydrothermale catalytique (cHTG) transforme la partie organique en méthane. La valorisation énergétique de ces composés organiques restant par digestion anaérobie est également étudiée dans le cadre du projet.  Les sels inorganiques sont eux récupérés à partir des solides issues de la conversion HTL et valorisés sous forme d'engrais commercialisables.

Les résultats présentés par monsieur Vogel concernent l’étape de gazéification hydrothermale catalytique cHTG. Ils montrent que 97% des cendres issues de la conversion HTG sont concentrées dans une phase aqueuse riche en potassium et carboxylates, et que l’HTG conduit à la production stable et sélective de méthane (61% de l’énergie dans la ressource est convertit en CH4). Des points critiques restent cependant à étudier comme les phénomènes de déposition et d’accumulation de calcium et magnésium au niveau du séparateur de sel, et le relargage de ruthénium issu de la gazéification du catalyseur.

 

SYNTHESE

 

Projet / Procédé Matières premières Etapes Capacité de traitement des équipements Produits intermédiaires Produits finaux
HyFlexFuel
  • Miscanthus
  • Microalgues
  • Boues d’épuration
  • HTL (T = 350°C et P = 200 bars) des MP
  • Hydrotraitement catalytique du bio brut pour éliminer l’oxygène et l’azote
  • Distillation du bio brut hydrotraité
  • cHTG
  • Digestion anaérobie pour obtenir du biogaz (CH4 + CO2)
  • HLs: Pilote Arhus 100 kg/h
  • HTG: pilote Konti-C de la plateforme ESI : 1 kg/h
  • Biobrut
  • CH4, CO2, H2
  • Biocarburants
  • Fertilisants

Pulp&Fuel

Ecorces

  • Gazéification en lit fixe
  • Gazéificateur à flux entraîné
  • Gazéification en eau supercritique pour la liqueur noire et des boues de papeterie. 

Quelques dizaines kg / h

  • CO, H2
  • Biocarburants

Liqueur noire

10 L/h

  • CH4, H2
  • Biocarburants

Usine pilote VERENA

Biomasse

Ensilage de mais

Etc…

HTG (Tmax = 700°C et Pmax = 35 MPa)

100 kg/h

 
  • H2, CH4, CO2, C2H6, CO, H2S
  • Eau chargée en K et NH4+, sels P, Ca, Mg

 

[1] Le PSI a une vingtaine d’année d’expérience sur les technologies hydrothermales, en particulier la gazéification

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