Biomasse et biocarburants liquides

Description brève

• Type d'information: principes

Introduction

Contexte

Les résidus de biomasse peuvent également être convertis en diverses formes de combustibles non solides. Ces combustibles sont considérés comme des biogaz et biocarburants liquides. Le but de ce processus de conversion est d'améliorer la qualité, l'énergie spécifique du contenu, le transport, etc., de la source de la biomasse brute ou pour capter les gaz qui sont produits naturellement car la biomasse est micro biologiquement dégradable ou lorsque la biomasse est partiellement brûlée. Le biogaz est un carburant souvent utilisé pour la cuisson et l'éclairage dans un certain nombre de pays, tandis qu'un facteur important de motivation dans le développement des biocarburants liquides était la volonté de remplacer les combustibles pétroliers. Dans cette fiche nous allons examiner quelques-uns de ces combustibles, leurs applications et les technologies de conversion utilisées pour les calculer.

En Europe et aux États-Unis, ainsi que dans plusieurs pays en développement, il y a un mouvement vers des cultures énergétiques spécifiquement pour la production de la biomasse comme combustible. Le potentiel de production d'énergie à partir de biomasse à travers le monde est énorme et les combustibles fossiles deviennent plus rares et plus coûteux, comme les niveaux d'émissions de carbone sont de plus en plus préoccupants et que les gens réalisent les avantages d'élaborer des options d'approvisionnement énergétique intégrées, puis la biomasse pourrait commencer à réaliser son plein potentiel en tant que source d'énergie.

Technique

Biogaz

Le biogaz est produit au moyen d'un processus appelé digestion anaérobie. C'est un processus par lequel la matière organique est décomposée par l'activité microbiologique et, comme son nom l'indique, il s'agit d'un processus qui se déroule en l'absence d'air. C'est un phénomène qui se produit naturellement au fond des étangs et des marais et donne naissance au gaz des marais ou au méthane, qui est un gaz combustible.

Il existe deux technologies communes pour obtenir du biogaz, la première (qui est plus répandue) est la fermentation des déchets d'origine humaine et animale dans des digesteurs spécialement conçus. La seconde est une technologie développée plus récemment pour capturer le méthane des sites d'enfouissement de déchets municipaux. L'ampleur de simples installations de biogaz peut varier d'un système allant d'une petite maison aux grandes installations commerciales de plusieurs milliers de mètres cubes.

Avantages de la digestion des déchets animaux et humains:

• la production de méthane pour une utilisation en tant que combustible. Les déchets qui ont une haute teneur en éléments nutritifs deviennent un engrais idéal, dans certains cas, cet engrais est le principal produit de la digestion et le biogaz est simplement un sous-produit. Lors du processus de digestion, les bactéries sont éliminées, ce qui est un grand avantage pour la santé environnementale.

Deux conceptions simples populaires de digesteur ont été développées; le digesteur chinois à dôme fixe et le digesteur biogaz indien à couvercle flottant (illustré dans les figures 1 et 2). Le processus de digestion est le même dans les deux digesteurs, mais la méthode de collecte des gaz est différente. Dans le type au couvercle flottant, le couvercle étanche à l'eau du digesteur est capable de se soulever lorsque le gaz est produit et agit en tant que chambre de stockage, tandis que le type à dôme fixe a une capacité de stockage de gaz plus faible et nécessite une bonne étanchéité pour empêcher toute fuite de gaz. Tous deux ont été conçus pour une utilisation avec des déchets d'animaux ou de crottes.

Figure 1: digesteur à dôme fixe

Les déchets sont introduits dans le digesteur par le conduit d'admission et soumis à la digestion dans la chambre. La température du processus est assez critique - des bactéries productrices de méthane fonctionnent plus efficacement à des températures entre 30 - 40°C ou 50 - 60°C. Lors de climats plus froids, de la chaleur peut être ajoutée à la chambre afin d'encourager les bactéries à mener à bien leur fonction. Le produit est un mélange de méthane et de dioxyde de carbone, typiquement dans un rapport de 6:04. Le temps de digestion varie de quelques semaines à quelques mois selon la charge et la température de digestion. La pâte résiduelle est éliminée à la sortie et peut être utilisée comme engrais.

Le biogaz a une variété d'applications. Le tableau 1 ci-dessous montre quelques applications typiques et pour un mètre cube de biogaz.

Figure 2: digesteur à couvercle flottant

Les digesteurs biogaz à petites échelles fournissent habituellement des combustibles pour l'éclairage domestique et la cuisine.

Utilisation	1m3équivalent biogaz
Éclairage	équivalant à une ampoule de 60-100 watt pour 6 heures
Cuisiner	Peut cuisiner 3 repas pour une famille de 5 - 6
Remplacement de carburant	0.7 kg of petrol
Puissance à l'arbre	peut faire fonctionner un moteur électrique à un cheval pendant 2 heures
Production d'électricité	Peut générer 1,25 heure de kilowattheures d'électricité

Table 1: certains équivalents de biogaz

Source: adapté de Kristoferson, 1991.

Certains pays ont lancé des programmes de production de biogaz à grande échelle, la Tanzanie est un exemple. Le modèle tanzanien est basé sur la récupération des ressources intégrées des déchets municipaux et industriels pour l'électricité et la production d'engrais.

Gazéification de la biomasse

Le procédé de gazéification de la biomasse est nettement différent que de la production de biogaz. La gazéification est le processus par lequel les matériaux de la biomasse solide sont décomposés par la chaleur pour produire un gaz combustible, communément appelé gaz de producteur. Les matières premières communes pour la combustion comprennent le bois, charbon de bois, balle de riz et de noix de coco.

L'installation de gazéification de la biomasse est constituée d'un réacteur, semblable à une cuisinière simple, dans lequel le combustible solide de biomasse est introduit. L'alimentation en air du carburant est toutefois soigneusement contrôlée pour permettre uniquement une combustion partielle. Au cours de ce processus, les gaz émis sont récupérés et peuvent être utilisés comme gaz combustible. Plusieurs gaz combustibles sont émis - un atome d'hydrogène, de monoxyde carbone et de méthane, - ainsi que le dioxyde de carbone et de l'azote.

Deux types de réacteurs existent, le réacteur à lit fluidisé, qui est utilisé avec un système de gazéification à grande échelle, et le réacteur à lit fixe, qui est utilisé pour les systèmes de gaz pour petits producteurs. Il existe trois variétés de réacteurs à lit fixe, courant ascendant, courant descendant et courant croisé. Chaque type de réacteur produit un rapport différent de gaz à des températures différentes et avec un niveau de propreté différente.

Le gaz a plusieurs utilisations. Il peut être utilisé directement dans un brûleur pour fournir de la chaleur ou bien il peut être utilisé dans les moteurs à combustion interne, mais cette utilisation nécessite un nettoyage et un refroidissement. Le rendement pour la puissance de sortie à petite échelle peut varier de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts et pour la production de chaleur, la puissance peut être de plusieurs mégawatts. L'efficacité du système varie considérablement sur le carburant, le type de réacteur et l'utilisation. Le gaz de gazogène est couramment utilisé pour des applications commerciales de cuisson.

La technologie de gazéification à petite échelle est relativement simple et pas cher et peut être fabriqué localement, mais des précautions doivent être prises pour s'assurer que les normes de sécurité sont maintenues comme le monoxyde de carbone, qui est produit lors de la combustion, est un gaz toxique. En Chine, un modèle de réacteur à courant descendant est en production depuis les années 1960 qui utilise des balles de riz comme matière première et des centaines de ces systèmes sont en cours d'utilisation. Ils ont également été installés au Mali, au Surinam et en Inde (Stassen, 1995). Pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque les approvisionnements de carburant étaient en nombre insuffisant, des millions de véhicules en Europe ont été adaptés pour fonctionner au gaz de producteur, et aujourd'hui dans des pays tels que le Brésil et les Philippines des gazogènes sont disponibles dans le commerce pour une variété d'applications.

Biocarburants liquides

Les biocarburants liquides, comme leur nom l'indique, sont des carburants issus de la biomasse et traitées pour produire un carburant liquide combustible. Il existe deux catégories principales:

carburants à l'alcool - il s'agit notamment de l'éthanol et des huiles végétales de méthanol - provenant de graines et de plantes, telles que le tournesol, de sésame, de lin et de colza.

L'éthanol est le biocarburant liquide le plus largement utilisé. Il s'agit d'un alcool fermenté à partir de sucres, d'amidons ou de biomasse cellulosique. La production la plus commerciale de l'éthanol est tirée de la canne à sucre ou de la betterave à sucre, des amidons et de la biomasse cellulosique et nécessitent généralement un prétraitement coûteux. Il est utilisé comme une source de carburant d'énergie renouvelable tout en étant utilisé pour la fabrication de cosmétiques, de produits pharmaceutiques, ainsi que pour la production de boissons alcoolisées.

La substitution de l'éthanol pour l'essence dans les voitures particulières et de véhicules légers au Brésil est l'un des plus importants programmes de la biomasse en énergie qui existe aujourd'hui. Les moteurs qui fonctionnent strictement sur l'essence ne sont plus disponibles dans le pays, ayant été remplacés par les moteurs de neatethanol et par les moteurs carburol qui brûlent un mélange de 78 pour cent d'essence et 22 pour cent d'éthanol par volume. Les progrès technologiques, y compris la production et le traitement plus efficace de canne à sucre, sont responsables de la disponibilité et du faible prix de l'éthanol. La transition vers l'éthanol-carburant a réduit la dépendance du Brésil envers le pétrole étranger (réduisant ainsi son ratio d'import-export), créé d'importantes possibilités d'emploi et amélioré grandement la qualité de l'air urbain. En outre, parce que l'éthanol de canne à sucre dérivé est une ressource renouvelable (la canne est replantée au même rythme, qu'elle est récoltée), la combustion de l'éthanol n'ajoute pratiquement pas de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et contribue ainsi à réduire la menace du réchauffement climatique.

Source: Goldemberg et al, énergies renouvelables, sources de combustibles et d'électricité, 1993

Le méthanol est produit par un procédé de conversion chimique. Il peut être réalisé avec quel type de biomasse avec une teneur en humidité inférieure à 60%; les matières premières potentielles comprennent des résidus forestiers et agricoles, le bois et diverses cultures énergétiques. Comme avec de l'éthanol, il peut soit être mélangé à l'essence pour améliorer l'indice d'octane du carburant ou être utilisé sous sa forme pure. L'éthanol et le méthanol sont souvent préférés comme carburants pour les voitures de course.

Huiles végétales

Un autre procédé d'extraction d'énergie à partir de la biomasse est la production d'huiles végétales comme carburant, connu sous le biodiesel. Le procédé d'extraction de l'huile est réalisé de la même manière que pour l'extraction de l'huile comestible à partir de plantes. Il y a beaucoup de cultures dans les zones rurales des pays en développement qui sont appropriées pour la production d'huile - tournesol, noix de coco, graines de coton, de palme, de colza, soja, arachide, chanvre et bien plus. L'huile de tournesol, par exemple, a une teneur en énergie d'environ 85% de celle du carburant diesel.

Il existe deux technologies bien établies pour l'extraction d'huile:

La presse à vis simple, qui est un dispositif pour extraire l'huile de la plante - cette technologie est bien adaptée à la production à petite échelle de l'huile comme combustible ou comme aliment dans les zones rurales. La presse peut être motorisée ou manuelle. L'extraction par solvant est un processus chimique qui nécessite des équipements sophistiqués. Cette méthode est plus efficace - car elle extrait un pourcentage plus élevé d'huile de la plante - mais est moins adaptée pour les applications rurales.

L'huile, en plus d'être utilisée pour l'éclairage et le chauffage, peut être utilisée comme combustible dans des moteurs à combustion interne.

La production de biodiesel n'est pas complexe et peut être faite sur une petite échelle. L'huile végétale est convertie en un combustible utilisable par addition d'éthanol ou de l'alcool de méthanol avec un catalyseur pour améliorer la réaction. De petites quantités d'hydroxyde de potassium ou l'hydroxyde de sodium (appelé communément soude caustique qui est utilisée dans la fabrication du savon) sont utilisés en tant que matériau catalyseur. La glycérine se sépare lorsque la réaction a lieu et coule au fond du récipient. Cela supprime le composant qui encrasse le moteur de sorte qu'un moteur diesel standard peut être utilisé. La glycérine peut être utilisée comme un savon dégraissant ou raffinée pour fabriquer d'autres produits.

Autres questions

Situation actuelle

La production de biogaz à petite échelle dans les zones rurales est désormais une technologie bien établie, en particulier dans des pays comme la Chine et l'Inde. À la fin de 1993, environ cinq ménages et un quart de millions d'agriculteurs avaient des digesteurs de biogaz, avec une production annuelle d'environ 1,2 milliards de mètres cubes de méthane, ainsi que des centrales électriques de 3500 kW alimentés par biogaz.

En Inde, il y a eu un large développement et la diffusion de la technologie de gazéification pour répondre à une variété de besoins énergétiques en milieu rural - par exemple, l'irrigation par pompage et l'électrification du village.

Des programmes de production d'éthanol ont été lancés dans plusieurs pays en développement. Le succès du programme brésilien est mentionné plus haut dans cette fiche technique. Au Zimbabwe par exemple, une production annuelle d'environ 40 millions de litres a été possible depuis 1983, en utilisant les équipements fabriqués localement.

L'énergie de biomasse et l'environnement

Il y a deux sujets de préoccupation de l'environnement lors de l'examen en utilisant la biomasse comme forme d'énergie. Tout d'abord, il y a la question de la dégradation des terres et de la déforestation. Cette préoccupation peut être traitée par une bonne gestion des cultures énergétiques durables. Bien qu'une grande partie de l'exigence de la biomasse pour la production d'énergie peut être satisfaite par l'utilisation de résidus de l'industrie alimentaire, de l'agriculture ou de l'activité commerciale, la planification minutieuse de cultures énergétiques est nécessaire pour éviter un stress excessif sur l'environnement.

Avec l'appel mondial récent pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, il y a un dossier solide pour promouvoir l'utilisation des technologies de la biomasse en énergie durable à travers le monde. Grâce à la technologie moderne, d'énormes réductions peuvent être faites dans les émissions de dioxyde de carbone, en particulier si les biocarburants liquides sont utilisés pour remplacer leurs équivalents fossiles. En fait, si la production d'énergie de la biomasse se fait sur une base durable, il y a peu de dioxyde de carbone pour l'environnement.

Il y a d'autres préoccupations environnementales liées à chaque combustible qui doivent être gardés à l'esprit, comme les émissions et la production de goudrons et suies toxiques.

La fabrication locale et la participation

De nombreuses technologies de conversion de la biomasse pour des applications rurales sont facilement fabriquées par des artisans locaux ou par des ateliers d'ingénierie de petite et moyenne taille. Au Zimbabwe, les équipements fabriqués localement pour la production d'éthanol à grande échelle ont conduit à un plus faible coût en capital par litre que pour n'importe quelle usine d'éthanol dans le monde.

En Chine et en Inde des installations de biogaz sont produites en grand nombre par des artisans locaux. Au Kenya, où la technologie du biogaz est encore à ses premiers stades de la diffusion, les fabricants locaux n'ont pas tardé à se rendre compte du potentiel et de s'impliquer dans la production de biogaz.

Diffusion

Le Kenya repose sur le pétrole importé pour satisfaire 75% de ses besoins énergétiques commerciaux. En 1980, afin de réduire cette forte dépendance d'une source de carburant à commande externe, le gouvernement kenyan a mis en place le Programme Spécial Energie (SEP). Un aspect du programme a été l'introduction et la diffusion des technologies de l'usine de biogaz. Après un mauvais début de travail avec les établissements d'enseignement, le programme se tourna vers les artisans locaux et les débouchés commerciaux qui travaillent dans le secteur privé. Une formation pratique a été donnée aux maçons et aux plombiers et les commerçants privés ont été encouragés à fabriquer et des appareils tels que des cuisinières et des lampes. En 1995, le nombre d'usines installées au Kenya a été estimé à 880.

Références et ressources

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Kristoferson L. A., and Bokalders V., Renewable Energy Technologies - their application in developing countries. ITDG Publishing, 1991.

Johansen, T.B. et al, Renewable Energy Sources for Fuels and Electricity. Island Press, Washington D.C., 1993.

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Stassen, H.E., Small-scale biomass gasifiers for heat and power: a global review. World Bank technical paper no. 296, Energy Series 1995.

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Tickell, J., Teickell, K., From the Fryer to the Fuel Tank: The Complete Guide to Using Vegetable Oil as an Alternative Fuel, Greenteach Publishing, 1999.

Pahl, Greg, Biodiesel: Growing a New Energy Economy. Chelsea Green Publishing, 2004 http://www.chelseagreen.com/2004/items/biodiesel.

Cette entrée d'howtopedia est dérivée de Practical Action Technical Brief Biogas and Liquid Biofuels - Technical Brief.
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