2 – Priorités de recherche visant l’efficience du système énergétique

Le coût des matières premières d’une part et d’autre part, celui de l’énergie thermique constituent, presque toujours, des postes déterminants dans l'évaluation du prix des produits que fabriquent les industriels de l’énergie. Voilà pourquoi il est essentiel de déterminer, avec le maximum de précision possible, toutes les consommations correspondantes. On donne, traditionnellement, à cette comptabilité le nom de bilans matière et thermique. Ces évaluations doivent être effectuées d’une part pendant la phase de conception de toute unité

41 qu’on envisage de construire, on parlera alors d’études préliminaires, et d’autre part durant le fonctionnement en régime permanent des équipements. La procédure qui permet de passer de l’idée de lancer la fabrication d’un produit nouveau à la réalisation est longue et complexe ; discuter les stratégies correspondantes dépasserait largement le cadre de ce travail. Nous nous sommes limités à un choix d’un principe de procédé, en analysant les phases principales et en déterminant les consommations matière et énergie.

Le bilan énergétique de la torréfaction dépend des caractéristiques et des performances des équipements et de la matière première. Généralement ces bilans sont réalisés à partir de données de laboratoire et non d’unités commerciales qui restent rares. La première analyse considère souvent que les performances qui ont été obtenues à l'échelle du laboratoire vont être conservées à l'échelle de la production industrielle, ce qui peut être une grave erreur. Si les conditions opératoires ont déjà été arrêtées, effectuer les bilans constitue un exercice relativement simple. Par contre, la question devient beaucoup plus complexe dès que les conditions opératoires comme la température, la durée du traitement, la vitesse de chauffe ne sont pas fixées. On retrouve dans la littérature plusieurs approximations qui peuvent porter à confusion. La mesure communément la plus utilisée est l’efficacité nette du procédé thermique, qui est le rapport entre la quantité d’énergie contenue dans la biomasse torréfiée et l’énergie totale fournie au système provenant du procédé et de ses périphériques sommée à l’énergie contenue dans la biomasse initiale. Elle se calcule selon l’équation :

Ƞnet (%) = [ Q (BT) / (Q Process ext+ Q prétraitement + Q périphériques + Q biomasse)] × 100

Avec :

Q BT : Energie contenue dans la biomasse torréfiée (kJ/kg biomasse sèche)

Q process ext. : Energie nécessaire pour conduire la torréfaction. Elle provient de source externe (électricité, gaz, fuel, etc.) ou interne avec la combustion des gaz de torréfaction (kJ/kg biomasse sèche)

Q prétraitement : Energie nécessaire à la préparation de la matière première comme le séchage, le tranchage, le broyage (kJ/kg biomasse sèche)

Q périphérique : Energie nécessaire au fonctionnement des périphériques comme les pompes, les convoyeurs, etc. (kJ/kg biomasse sèche)

42 La résolution des équations correspondantes peut être effectuée assez simplement. A noter que toutes les valeurs de quantité d’énergie sont exprimées en kJ/kg de biomasse sèche. Il est important de garder cette base cohérente pour le calcul. Il semblerait que les chiffres que l’on retrouve dans la littérature soient très élevés, entre 80 et 90% d’efficacité énergétique nette. Ils sont justifiés par le fait que l’énergie nécessaire au procédé est totalement compensée par la combustion des gaz de torréfaction et par une maximisation des paramètres (Bergman, Boersma et al. 2005).

Nous travaillons actuellement sur l’optimisation énergétique du procédé de torréfaction pour revisiter ces valeurs en tenant compte plus précisément des caractéristiques de chaque procédé, c'est-à-dire le système de chauffe mis en œuvre pour fournir l’énergie au process et à la préparation de la biomasse.

III – C

L’objectif principal de la torréfaction est d'améliorer les qualités de la biomasse pour la rendre plus appropriée aux conversions thermochimiques. De nombreuses études ont montré qu’après torréfaction, la biomasse acquiert de nouvelles propriétés par rapport au produit initial (Van der Stelt, Gerhauser et al. 2011) :

- Structure fibreuse et résilience fortement réduites facilitant son broyage (Repellin, Govin et al. 2010; Phanphanich and Mani 2011),

- hydrophobie augmentée (Hakkou, Pétrissans et al. 2005; Acharjee, Coronella et al. 2011) - densité énergétique augmentées limitant les impacts du transport et du stockage,

- distribution granulométrique améliorée facilitant l’alimentation dans les procédés,

- ratio O/C réduit (Inari, Pétrissans et al. 2009) facilitant sa combustion (Pentananunt, Rahman et al. 1990; Prins, Ptasinski et al. 2006)

- réactivité modifiée (Inari, Pétrissans et al. 2007) et taux de carbone fixe augmenté offrant une meilleur utilisation comme réducteur (Arias, Pevida et al. 2008).

Observer ces changements significatifs des propriétés physiques et chimiques de la biomasse est un exercice relativement facile, mais essayer de les comprendre fait appel à de nombreuses disciplines scientifiques souvent complexes. La suite de ce document montre comment durant

43 mes recherches, j’ai essayé de faire la jonction entre les connaissances fondamentales et les fruits de l’expérimentation.

L'étude des mécanismes apporte une aide inestimable à la compréhension et à la prévision des processus réactionnels. L'approche mécanistique permet d'expliquer et de prévoir à l'avance les résultats d'une réaction. Elle est indissociable des approches modèles. Durant la pyrolyse de la biomasse, les mécanismes réactionnels sont d’une extrême complexité et conduisent à une très large variété de produits (Dumarçay, Pétrissans et al. 2013). Malgré la multitude de travaux qui ont été réalisés dans ce domaine, il existe encore d’importantes zones d’ombre dans la compréhension de ces mécanismes. L’adéquation « ressource / procédé » étant un des enjeux principaux des recherches actuelles, les questions suivantes qui sont toujours d’actualité justifient pleinement la poursuite de mes travaux dans ce domaine :

 Quel est l’influence des paramètres de la torréfaction sur les réactions chimiques ?

 Comment évoluent les transferts couplés masse - énergie au niveau de la particule et dans l’ensemble de la charge ?

 Comment les mouvements de la biomasse dans les réacteurs à lit vibrant ou fluidiés affectent la qualité du produit torréfié ?

 Quel est le rôle des caractéristiques initiales (chimiques, physiques et structurelles) de la biomasse sur le produit final de la torréfaction ?