Tests technico-économiques sur la plateforme gazeifieur: de l'étude de la ressource à l'utilisation du gaz dans un moteur pour la production d'électricité

Introduction

Le manque de source énergétique et l'absence d'électrification surtout dans le secteur énergétique aggravent la pauvreté des pays en développement. Les technologies de développement durable et renouvelable peuvent être considérées comme des outils efficaces pour pallier à ce manque. Plus de 80% des personnes qui n'ont pas accès à l'électricité sont localisées en Asie du sud et en Afrique sub-saharienne (World Energy Outlook,2004) L'électrification peut augmenter de façon significative le niveau de vie de l'homme en améliorant l'accès à la santé, à l'éducation, le bien-être et le développement technologique et de facto contribuer au dynamisme économique. Les études notamment ceux de F.s Jvadi et Al.,2012[7]ont montrer que les énergies renouvelables sont le meilleur choix particulièrement dans les sites isolés mais cela nécessiterais qu'on étudie tous les aspects techniques et économiques relatif à l'environnement comme l'on souligner Matthew Owen et Al,2012[8],et Ralph E. H. Sims,2003 et Al[9].

La gazéification, outil des énergies renouvelables, dans les pays en développement est en train de connaitre une forte vulgarisation qui est suscité par l'intérêt de plus en plus prononcé pour les énergies alternatives, principalement la biomasse énergie.

En Afrique, la plupart des gazéifieurs sont situés en Afrique du Sud, pionnière dans la technologie (Classement SFA pacific[2]), où les carburants synthétiques et les produits chimiques sont produis à partir du charbon depuis 1955. Mais d'autres pays africain comme l'Uganda, le Ghana ont déjà amorcé les possibilités d'utilisé ces unités de gazéification principalement pour la production d'électricité en site isolé.

En Asie, les installations de gazéification se situent principalement en Inde, en Chine, au Japon ,au Cambodge, ou en Malaisie. Les pays d'Asie comme la Chine constituent le marché le plus important en termes de capacité installée et de marché potentiel. L'ensemble des pays tropicaux en somme représentent une zone de développement importante qui devrait émerger très rapidement dans les années à venir dans ce procédé. Les études menées par Roland Siemeons,2000[10],ou par Anil K. Rajvanshi,1986[11] ou encore de Dasappa,2011[12] sur le potentiel et la faisabilité des projets de gazeïfication dépendamment de la ressource et de l'environnement local ;comme le précise Buchholz et Da silva,2010[13]ou Y.S. Mohammedet Al,2012[14]dans leurs expérimentations.

Nous allons nous pencher donc dans ce document sur les applications électriques en faisant un résumé sur les projets de gazéification en procédant à une synthèse par domaine : la ressource, la pyrolyse, la filtration, le moteur et un retour d'expérience globale villageoise en Asie et Afrique.

2.1. La ressource

Les projets de gazéification pour qu'ils soient économiquement viable en Afrique ou en Asie ont fait ressortir comme par ailleurs la nécessité de se pencher sur la matière première du procédé afin de produire un gaz de synthèse à haut rendement. Selon Dasappa,2011[12]le potentiel estimé de puissance pour la gazéification en Afrique sub-saharienne, en utilisant 30% de résidus agro-industriel de et 10% de résidus bois de l'agroforesterie s'élève respectivement à 5000 MW et 10000 MW.

Les principales ressources envisagées proviennent donc des produits ou sous-produits de l'agroforesterie ou des résidus agricoles ou des process de transformation.

La biomasse pouvant entrer dans le processus de gazéification doit respecter les conditions physiques comme la granulométrie, la masse volumique ; l'humidité (% H 15% sur brute) ,un bon PCI, et de bonnes propriétés thermiques.

Les projets comme par exemple celui du village Melani en Afrique du Sud[15] étudié par Ntshengedzeni S. Mamphweli et Edson L. Meyer en 2009 ont définis que la plupart des bois énergie sec tel que les essences Acacia auriculiformis, Eucalyptus, Pinus patula,Pinusellioti ,Pinus canariensis ou le bois de cyprès en morceau bien découpé, en copeaux ou les sciures avec une densité (au-delà de 200 kg/m³) sont adaptés comme combustible. Les coques de noix de coco mélangées avec des coques noix de palmes ont montré aussi leur grande potentialité dans ce genre d'installation tant qu'ils sont découpés à la taille adéquate et mélangés dans de bonne proportion pour avoir la densité adéquate pour limiter la production de goudrons et de particules. Par contre en Uganda les ressources utilisées étudié par Wilson B. Musinguzi et Al.,2012[16]sont l'Eucalyptus grandis en particulier et au Vanuatu selon Barry Fischer et Attilio Pigneri,2010[17]c'est le Leucaena Leucocephala.

La différence entre les essences montre que la ressource dépend fortement de l'environnement et de l'intérêt économique de la biomasse.

Ainsi au Cambodge qui est un grand producteur de riz par exemple (7 Millions de tonnes en 2009, selon UNIDO), ils ont vulgarisé la gazéification à base de résidus rizicoles comme la balle de riz qui a un grand potentiel énergétique et dispose d'autres biomasses comme le bois, les coques de noix de palme, les rafles de maïs, la bagasse, les coques d'anacarde selon les études de Rogier van Mansvelt,2011[18],et Orkide Akgün et Jyrki Luukkanen,2011 [19].

Le tableau 3 ci-dessous récence les propriétés de quelques type de biomasse et les traitements opérés avant  gazéification(Anil K. Rajvanshi,1986)[11] et les observations faites à l'issu de la conversion.

Fuel	Treatment, bulk density, moisture (m.c.)		Tar produced g/m^3			Ash content %		Gasifier	Experience
Alfalfa straw	Cubed, 298 kg/m^3 m.c. = 7.9%		2.33			6		downdraft	No slagging, some bridging
Bean straw	Cubed, 440 kg/m^3 m.c. = 13%		1.97			10.2		downdraft	Severe slag formation
Barley straw (75% straw; 25% corn fodder and 6% orza binder	Cubed, 299 kg/m^3 m.c. = 4%		0			10.3		downdraft	Slag formation
Coconut shell	Crushed(1-4 cm),435kg/m^3 m.c. = 11.8%		3			0.8		downdraft	Excellent fuel. No slag formation
Coconut husks	Pieces 2-5 cm, 65kg/m^3		Insignificant tar coconut			3.4		downdraft	Slag on grate but no operational problem
Corn cobs	304 kg/m,^3m.c. = 11%		7.24			1.5		downdraft	Excellent fuel. No slagging
Corn fodder	Cubed, 390 kg/m^3 m.c. = 11.9%		1.43			6.1		downdraft	Severe slagging and bridging
Cotton stalks	Cubed, 259 kg/m^3 m.c. = 20.6%		5			17.2		downdraft	Severe slag formation
Peach pits	Sundried, 474 kg/m^3 m.c. = 10.9%		1.1			0.9		downdraft	Excellent fuel. No slagging
Peat		Briquettes,555 kg/m^3 m.c. = 13%		-	-		downdraft			Severe slagging
Prune pits		Air dried, 514 kg/m^3 m.c. = 8.2%		0	0.5		downdraft			Excellent fuel
Rice hulls		Pelleted, 679 kg/m3 m.c. = 8.6%		4.32	14.9		downdraft			Severe slagging
Safflower		Cubed, 203 kg/m3 m.c. = 8.9%		0.88	6.0		downdraft			Minor slag formation
Sugarcane		Cut 2-5 cms, 52 kg/m3		Insignificant	1.6		downdraft			Slag on hearthring. Bridging
Walnut shell		Cracked, 337 kg/m3 m.c. = 8%		6.24	1.1		downdraft			Excellent fuel. No slagging
Walnut shell		Pelleted.		14.5	1.0		downdraft			Good fuel
Wheat straw		Cubed, 395 kg/m3 m.c. = 9.6%		-	9.3		downdraft			Severe,slagging bridging. Irregular gas production
Wheat straw and corn stalks		Cubed (50% mix), 199 kg/m3 m.c. = 15%		0	7.4		downdraft			Slagging
Wood blocks		5 cm cube, 256 kg/m3 m.c. = 5.4%		3.24	0.2		downdraft			Excellent fuel
Wood chips		166 kg/m3 m.c. = 10.8%		6.24	6.26		downdraft			Severe bridging and slagging.

Tableau 5 : Propriété de biomasse et procédé de gazéification adapté

La figure 5 ci-dessous indique les potentiels de quelques ressources de référence pour la production d'électricité par gazéification exposé parS.M. Shafie et al, 2012[20].

Tableau 6 : Diffèrent type de biomasse et leur application électrique par gazéification 

Ø Préparation de la ressource

La biomasse en entrée doit être sèche (humidité inférieure à 20%) et calibrée (maximum 5 à 15 cm de côté selon la puissance de l'installation) pour le bois par exemple. Pour un gazéïfieur fonctionnant au bois il faut éviter d'incorporer trop d'écorce du bois, du sable ou tout autre matériau contenant de la silice qui peuvent bloquer le fonctionnement de l'installation.

La biomasse est calibrée à la bonne dimension (presse ou broyeur selon le type d'installation), stockée et séchée grâce à l'énergie thermique produite par cogénération avant d'être introduite dans le gazéifieur. Le séchage est ainsi accéléré par rapport à un séchage à l'air libre: quelques jours à une semaine peuvent suffire dépendamment du type de biomasse.

Des études ont montré notamment au Cambodge l'intérêt économique de ces ressources afin de remplacer les combustibles conventionnels(Cirad forêt,2001)[2].

La ressource étant un grand point de notre travail, il va y être étudié l'Acacia auriculiformis et les coques de noix de coco et de noix de palme comme principales matières premières.

2.2. Filtration

Le gaz chargé d'élément gênant (poussière, goudrons, alcalins, cendres etc..), produit doit subir tout un processus de filtration et d'épuration du gaz avant d'être valoriser énergiquement.

Le tableau 5 ci-dessous donne les valeurs des teneurs admises par diverses techniques de valorisation du gaz de gazéification par rapport aux principaux polluants(Cirad forêt,2001) [2].

Tableau 7 : Qualité des gaz nécessaire pour la production d'électricité et la synthèse d'éthanol (n.l. : non limité) ,source Observer

Dans la littérature et nous appuyant sur les documents techniques de la plateforme gazéïfieur du centre songhaï de Porto Novo nous pouvons définir les process d'épuration suivants:

2.2.1. La séparation des particules ou poussières

Les particules proviennent pour la grande majorité de fine de charbon et pour une faible part des cendres. Leur concentration qui s'exprime en mg/Nm³ dépend pour beaucoup de la nature de la matière première et du procédé de gazéification. La concentration est comprise entre 100 mg/Nm³et 100 g/Nm³.

Le dépoussiérage des gaz se fait de différentes façons. Le plus simple consiste à utiliser des dispositifs classiques (cyclone, filtres à marche, laveurs,..) en sortie du réacteur afin de séparer la phase solide de la phase gazeuse. Cette opération ne peut se faire qu'à des températures relativement basses ce qui nécessite le refroidissement du gaz en amont avec la problématique de la condensation des goudrons et la perte d'énergie des gaz, notamment pour les applications en cycle combiné.

D'autres techniques comme la filtration à chaud viennent pallier à ce manquement mais cette technologie est toujours à l'étape de recherche et développement. Cette technique consiste à utiliser des filtres à chandelle conçu en céramique réfractaire pouvant supporter des températures élevée de l'ordre de 800 à 900°C.Le rendement de ces filtres sont extrêmement élevé supérieur à 99%.Mais leur utilisation imposerait des coûts supplémentaires et a ce stade s'ajoute le souci de fiabilité pour un fonctionnement de longue durée.

Une autre option est d'utiliser les filtres métalliques produits à partir de poudre d'acierinoxydablequi ont été testés et ont montré de bonnes performances.