Transformations thermochimiques de la biomasse lignocellulosique

La combustion

La combustion est la technologie de transformation de la biomasse en énergie sous forme de chaleur ou d’ électricité la plus connue par la population. En effet, depuis des centaines de milliers d’ années l’humain utilise le feu et donc le principe de la combustion [15]. Elle est fortement employée par les ménages pour se chauffer ou pour l’alimentation. Malgré sa très grande présence dans le quotidien, ce procédé reste très complexe. Premièrement, le type de biomasse utilisé ainsi que ses caractéristiques va avoir un impact sur la combustion. Un taux d’humidité supérieur à 60 % va la rendre impossible [16]. La combustion est divisée en 4 étapes: le séchage, la pyrolyse, la gazéification et la combustion finale. Lors de la première étape, l’humidité présente dans la biomasse va être évaporée. La température est relativement faible pour cette étape et va stagner à 100 oC. Le temps de séchage va dépendre de la granulométrie de la biomasse ainsi que de la température d’ignition de cette dernière. Ensuite, avec l’augmentation de la température, la pyrolyse se produit, la biomasse se décompose sans apport d’oxygène durant un court instant. Puis, la gazéification provoque la dégradation thermique grâce à l’apport d’une source oxydante extérieur (oxygène). Enfin, la combustion est l’étape d’ oxydation finale de la biomasse [14]. L’ensemble de ces étapes se passent dans un temps réduit, plus ou moins long suivant la taille des particules. Ce procédé de conversion thermochimique transforme donc l’ énergie chimique en chaleur grâce à l’ oxydation de la matière première. Cependant, lors de la combustion certains composants volatiles ne sont pas totalement consommés et par conséquent peuvent être relâchés dans l’atmosphère sous forme de gaz polluants comme les Nox, du monoxyde de carbone (CO) ou même des cendres [17]. Cette pollution pose un problème et engendre un débat quant à l’ utilisation de cette technologie Le principe de combustion est utilisé surtout dans de petites installations domestiques (foyer, poêles). La multiplication de ce nombre d’ installation accentue le niveau de pollution de l’air qui peut affecter la santé [18] et donc remet en cause l’ utilisation de cette technologie.

La liquéfaction hydrothermale

La liquéfaction hydrothermale consiste à produire un biocombustible liquide à partir de la biomasse. Pour cela, la biomasse est mélangée avec de l’eau chaude (environ 300 oC) puis est montée à très haute pression (4-22 MPa) [19]. À ce niveau de température, la liquéfaction se rapproche des conditions supercritiques de l’eau (Figure 2.5). Cela permet de briser la structure de la biomasse afin d’obtenir un biocombustible. Le mécanisme est séparé en 3 étapes : la dépolymérisation, la décomposition et la recombinaison. La première étape consiste à transformer les longs polymères composant la biomasse en de plus petites unités. La deuxième étape est celle de décomposition. En réalité, 3 sous étapes vont avoir lieu: une déshydratation, une décarboxylation et une désamination. Afin, de séparer les molécules d’H20 et de C02 de la biomasse. Ainsi les liaisons hydrogènes de la structure de la biomasse sont rompues pour donner des monomères. La dernière étape correspond à la recombinaison ou repolymérisation. Les molécules fraichement séparées se reforment en molécules de plus grande masse moléculaire [20]. Ces nombreuses réactions donnent une biohuile de liquéfaction comme produit final ainsi que quelques coproduits en proportion plus faible. Le biocombustible produit est très visqueux (plus que la biohuile de pyrolyse), il va donc être très difficilement utilisable comme biocarburant [19]. De plus, les conditions de température et de pression élevée rendent le procédé très spécifique et va affecter son coût de fonctionnement. Ce qui rend cette technologie moins intéressante pour une production à grande échelle. Ce type de transformation peut être comparé à une hydrotorréfaction. Cependant, les conditions de températures et de pressions sont différentes. Cela implique qu’elle est principalement utilisée pour prétraiter la biomasse.

La pyrolyse

La pyrolyse fait partie des procédés de conversIon thermochimique les plus intéressants pour l’avenir. Celle-ci peut s’adapter à de nombreuses matières premières différentes [24]. Dans bon nombre de procédés, une étape intermédiaire de pyrolyse intervient (combustion, gazéification). C’ est donc la conversion thermochimique de base pour des applications énergétiques. Son principe repose sur une transformation à haute température en absence d’oxygène afin d’empêcher la combustion de la biomasse. Cette chauffe va dégrader les différents composants du bois pour donner trois produits: le charbon, les vapeurs non condensables et les vapeurs condensables. Ces dernières vont former un liquide visqueux lors de leur refroidissement. Il s’agit de la biohuile pyrolytique. Généralement, la température de fonctionnement se trouve entre 400 et 600 oC, mais sans dépasser les 750 oC pour ne pas atteindre la gazéification. [25]. Les différentes technologies, le type de biomasse, son temps de séjour ou même la combinaison avec un catalyseur ou non vont influencer le rendement des produits de la pyrolyse.

De plus, des étapes de traitements peuvent être ajoutées en amont et en aval de cette dernière afin d’améliorer la qualité et élargir la gamme d’ utilisation de la biohuile et du biochar. Ces nombreuses possibilités de variations permettent d’obtenir des produits de meilleure qualité pouvant varier suivant les demandes. De plus, il s’agit de la technologie permettant d’ obtenir un biocarburant à partir de biomasse le moins couteux et moins visqueux, donc plus facilement utilisable à l’ échelle industrielle. Tandis que les coproduits (charbons) trouvent aussi leurs utilités dans différents domaines. L’ensemble de ces points font de la pyrolyse, un des procédés d’ avenir en matière de conversion thermochimique. 2.3 La pyrolyse en détail La pyrolyse est un procédé de transformation thermochimique très ancien. Les premières traces ont été trouvées il y a environ 5000 ans en Europe. Elle était par exemple utilisée pour la production de charbon de bois, mais aussi lors des embaumements en Égypte. Cela montre les multiples applications de la biohuile pyrolytique [26]. Comme présenté dans la précédente partie, elle possède énormément d’ avantages. Le principe peut sembler assez simple à expliquer et à comprendre, mais les produits issus de la pyrolyse peuvent avoir une réelle valeur.

La biohuile peut être utilisée comme matière première pour synthétiser des molécules provenant habituellement de ressources pétrolières, ou bien servir de source d’ énergie concentrée. Dans le contexte actuel, où la question du réchauffement climatique et, où la responsabilité des humains est remise en cause, ce produit peut devenir une aubaine pour l’avenir. En effet, cette source d’énergie est renouvelable si on la compare au pétrole fossile qui a mis des millions d’ années à se former. Intégrer de la biohuile pyrolytique (transformée, et améliorée) dans des carburants présenterait une première action concrète pour réduire nos émissions de GES. Grâce à leurs faibles émissions de soufre et une émission de NOx inférieur de 50 % face au diesel, la biohuile peut être une partie de la solution pour la transition énergétique [27]. De plus, les recherches sur les effets absorbant des charbons encouragent encore plus la volonté de bonifier ce procédé de transformation.

Les appareillages

Il existe deux grands types d’ appareils permettant d’ appliquer des ultrasons sur un échantillon ou une réaction. Le premier est le bain à ultrasons, il est le plus largement représenté dans les laboratoires de recherche. Il est souvent composé d’un bain en acier inoxydable «( Stainless Steel ») et de transducteurs piézoélectriques placés au fond de ce dernier. Il a l’ avantage de diffuser les ultrasons de façon équitable dans l’ensemble du bain et il ne faut pas forcément d’adaptation lorsque l’on souhaite irradier une réaction dans un type de verrerie spécial. Cependant, la puissance des ultrasons est réduite face à d’ autres appareils et le contrôle de la température peut se montrer plus aléatoire. Un échangeur de chaleur dans les parois est donc parfois installé, dans le cas contraire un système externe peut être ajouté. Le deuxième type d’ appareil est la sonde à ultrasons (Figure 2.13). Celle-ci permet de les diffuser directement dans le milieu réactionnel et ainsi ne pas subir de perte due à l’ absorption à travers la verrerie utilisée. Cependant, cette technologie possède des points négatifs, notamment par sa mise à l’échelle quasi impossible. Il est difficile de contrôler la température. De plus, des radicaux libres sont souvent générés de façon hétérogène et au niveau de la tête de la sonde, ce qui va avoir pour conséquence d’endommager cette dernière. La cavitation va la dégrader et donc contaminer le milieu avec des particules métalliques [46]. Dans le cas où les quantités à traiter seraient importantes, un sono réacteur peut être utilisé. L’échantillon passe à travers un tube dont des transducteurs sont installés sur les parois. Le flux continu va permettre de traiter une grande quantité d’échantillon [8]. En conclusion, dans le cadre de ce projet le bain à ultrason est privilégié. Sa diffusion homogène permet de traiter l’ensemble de l’échantillon dans le bain. Également, il est plus facile d’adapter la fréquence ultrasonique avec ce type de dispositif.

Objectifs spécifiques

À la suite de l’étude des différents types de traitements et transformations de la biomasse, l’objectiffinal de cette recherche a été affiné. En effet, la volonté est d’apporter une modification directe à la biohuile pyrolytique grâce à un post-traitement ultrasonique. Cette transformation thermochimique a été sélectionnée, car elle semble être une bonne alternative afin de réduire l’ utilisation des énergies fossiles et cela, malgré la nécessité de la transformer pour l’ améliorer. Certaines caractéristiques de la biohuile ainsi que son manque de stabilité la rendent difficilement utilisable directement. Le choix du traitement s’est porté sur les ultrasons, qui grâce à leurs capacités, sont considérés comme un traitement prometteur. Ce type de traitement par ultrasons sur des hydrocarbures est peu exploré dans la littérature et même jamais vu pour des biohuiles pyrolytiques, ce qui rend cette recherche novatrice. La situation du Québec et sa production d’énergie hydroélectrique est un atout pour ce type de traitement énergivore. Durant ces travaux, un bain à ultrasons est utilisé. Une étude préliminaire de la méthodologie a donc été nécessaire, où la méthode de Weissler et de la feuille d’aluminium ont été sélectionnées pour déterminer la diffusion des ultrasons dans le milieu. En effet, la biohuile n’est pas directement traitée dans le bain à ultrasons pour des soucis de gestion des quantités et de protection du bain contre la corrosion. Elle est donc introduite dans un sac plastique scellé puis plongé dans le bain à ultrasons. Le premier objectif est donc de déterminer l’ influence de ce sac sur le traitement ultrasonique de la biohuile pyrolytique. Puis, y appliquer les ultrasons en faisant varier les paramètres classiques aux ultrasons: fréquence, durée, température et puissance. Enfin, les biohuiles ont été analysées afin de déterminer la calorimétrie et la composition de ces dernières. L’objectif final est d’ étudier les effets directs des ultrasons sur la biohuile, ainsi que d’analyser leurs effets sur la stabilisation de celle-ci en faisant vieillir la biohuile 15 puis 30 jours. Deux huiles d’âge différent (une de 6 mois et une fraiche) ont été traitées, la comparaison de leurs deux évolutions conclura ce projet.