Contexte industriel

Les acteurs du projet

Le projet GAYA a été créé par un consortium dirigé par le groupe français GDF Suez. Une dizaine de partenaires, comprenant des entreprises et des laboratoires de recherche, ont pris part au projet. Parmi eux, le Commisariat à l'Energie Atomique (CEA) et le Laboratoire de Chimie Chimique de Toulouse (LGC).

          

Présentation du projet GAYA

 

Qu'est ce que le projet GAYA ?

La société GDF Suez, en partenariat avec de nombreux laboratoires dont le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (LGC), a mis au point le projet GAYA dans le but d'élaborer un nouveau procédé capable de produire des biocarburants de nouvelle génération à partir de biomasse. Une équipe du LGC (dirigée par le professeur HEMATI) est actuellement chargée d'élaborer un pilote de ce futur biogénéateur. Les objectifs du projet sont les suivants :

  • Valider la pertinence technique de ce procédé en prévision de sa future industrialisation
  • Développer une industrie innovante de production de bio-méthane à partir de biomasse

 

Pourquoi le biométhane ?

Le bio-méthane est un gaz combustible, produit à partir de la transformation de matières organiques telles que le bois ou les végétaux. Ses emplois sont nombreux : biocarburant, électricité, chauffage...

Ce gaz s'adresse à l'industrie automobile ainsi qu'aux consommateurs individuels et collectifs d'électricité ou de chauffage. Le bio-méthane est produit à partir de la gazéification de biomasse provenant de copeaux de bois ou de paille. Ce procédé constitue une véritable innovation technologique.

 

Quels en sont les enjeux ?

Les différents gouvernements européens ainsi que GDF Suez ont déjà investi plus de 40 millions d'Euros dans ce projet innovant qui devrait voir le jour fin 2013 et conduire à terme à la mise en place à l'échelle industrielle d'une filière de production de bio-méthane. Un tel investissement se justifie par l'importance de ses enjeux :

  • Economiques : Permettre le développement d'une nouvelle filière de production d'énergie
  • Géopolitiques : Réduire notre utilisation d'énergies fossiles
  • Environnementaux : Diminuer nos émissions de gaz à effet de serre afin de prévenir le réchauffement climatique

 

 

 

 

 

Le procédé

Schéma de l'installation :

Le procédé utilisé permet de créer des gaz de synthèse à partir de la gazéfication de la biomasse. Ces gaz serviront ensuite à créer des bio-carburants ou à alimenter des turbines pour produire de l'électricité. Le but de ce procédé est donc de créer de l'énergie.

Le schéma ci-dessous présente la structure de l'installation et les différentes étapes de la gazéification :

 

SOURCE : BEI E&P 2011-2012 Gazéification de la biomasse en lits fluidisés croisés

L'installation se compose de 2 parties  : le gazéifieur et le combusteur

Principe de fonctionnement :

Le procédé se déroule en 3 étapes distinctes :

Pyrolyse de la biomasse :

La biomasse est injectée dans le gazéifieur sous forme de bâtonnets. Elle y est tout d'abord pyrolysée. La pyrolyse consiste à décomposer la biomasse en char (ou coke) et en gaz à une température très élevée (autour de 850°C) et dans un environnement dépourvu d'oxygène afin d'éviter toute réaction de combustion ou d'oxydation. Cette étape est dite autothermique car elle ne produit ni ne consomme d'énergie. Les principaux produits de cette réaction sont : le char (carbone réducteur presque pur) et un mélange de gaz oxydants ($CO, CH_4$) qui constituent les gaz de pyrolyse.

Combustion du char :

Le char ainsi créé est un combustible solide qui se présente sous la forme de bâtonnets cylindrique de 11 à 25 mm de longueur et de 3 à 4 mm d'épaisseur. Il est injecté dans la partie basse du combusteur dans un lit fluidisé : les particules de char sont mises en suspension. On utilise dans cette phase des particules d'olivine qui entraînent les particules de char dans le lit fluidisé. En effet, les particules de char ont une taille trop importante pour être fluidisées seules.

La réaction de combustion peut alors avoir lieu et s'écrit sous la forme : $C + O_2 \rightarrow CO_2$. Elle permet d'obtenir des températures assez hautes pour fournir la chaleur nécessaire à la pyrolyse et à la phase ultérieure de gazéification.

Les fumées de combustion sont évacuées par le haut du combusteur.

Gazéification :

L'énergie produite par la combustion va permettre d'amorcer la réaction de gazéification dans le gazéifieur. Cette réaction se déroule entre le char et la vapeur d'eau (injectée dans la partie basse du combusteur) selon l'équation : $C + H{_2}O \rightarrow H_2 + CO$

Les différentes parties du combusteur :

On distingue 3 parties dans le combusteur :

  • A l'extrémité basse, un lit fluidisé dense : constitué de particules d'olivine, il est mis en mouvement par une arrivée d'air qui traverse une grille perforée.
  • La zone de transition est située au dessus du lit fluidisé dense et est créé par la différence entre le débit d'air injecté dans la canne d'injection et celui injecté à travers la grille perforée.
  • Enfin, en haut du combusteur, on observe un lit fluidisé circulant - ou cyclone - qui sépare le gaz des particules solides.  Les particules solides sont transportées en tête de réacteur puis renvoyées dans le gazéifieur afin d'y apporter la chaleur nécessaire à la réaction.

Le principe des lits fluidisés sera plus amplement détaillé dans la partie suivante ($\href{http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiep/content/g12/les-lits-fluidises}{\textbf{Les lits fluidisés}}$)

 

Les lits fluidisés

Les lits fluidisés

La fluidisation est un processus qui permet l'envolement de particules sous l'action d'un flux gazeux. Un lit fluidisé est constitué de deux phases :

  • une phase solide, constituée des particules en suspension
  • une phase gazeuse - air par exemple - en mouvement ascendant à travers le lit de particules solides

La mise en suspension des particules dans un lit repose sur un principe simple. Lorsque la force de trainée qu'exerce le fluide sur les particules devient plus importante que le poids apparent de ces dernières, elles sont entraînées par le fluide : le lit devient fluidisé.

L'avantage principal de l'utilisation d'un lit fluidisé repose sur le transfert constant de chaleur et de matière qu'il permet entre la phase gazeuse et la phase solide. En effet, ceci provient d'une surface de contact entre particules de gaz et de solides nettement plus importantes qu'avec d'autres procédés. Il est de plus possible de contrôler le temps de séjour des particules dans le combusteur.

 

SOURCE : BEI E&P 2011-2012 Gazéification de la biomasse en lits fluidisés croisés