Recyclage et valorisation du CO2 dans un procédé de vapogazéification de biomasse en lit fluidisé – RECO2

L’approche du projet est de conduire cette étude en trois phases complémentaires avec (i) tout d’abord des travaux expérimentaux et scientifiques de compréhension, (ii) puis une synthèse de ce travail pour la conduite d’une évaluation du procédé à une échelle industrielle et (iii) finalement une évaluation technico-économique d’un recyclage du CO2 dans une procédé de conversion de la biomasse par vapo-gazéification en lit fluidisé. Les enjeux sont d’éviter un approvisionnement spécifique en gaz neutre pour l’alimentation de la biomasse vers le gazéifieur mais aussi éventuellement d’améliorer le bilan énergétique global du procédé pour permettre des gains économiques et environnementaux.
L’approche du projet était de conduire cette étude en trois phases complémentaires avec (i) tout d’abord des travaux expérimentaux et scientifiques de compréhension, (ii) puis une synthèse de ce travail pour la conduite d’une évaluation du procédé à une échelle industrielle et (iii) finalement une évaluation technico-économique d’un recyclage du CO2 dans une procédé de conversion de la biomasse par vapo-gazéification en lit fluidisé. A noter que ces trois parties principales ont été précédées d’une étape préliminaire consistant à décrire précisément le cadre de l’étude, ainsi que les données expérimentales à acquérir pour nourrir les évaluations de procédés.

Les résultats majeurs concernant l’influence du CO2 sont les suivants :
En pyrolyse :
- Modifications des caractéristiques du char produit : Augmentation de la surface active du char produit en présence de CO2 ; dans le cas des particules centimétriques, influence de l’atmosphère sur le relâchement des espèces inorganiques.
- Rendements en gaz : rendements apparents largement influencés par la réaction de gaz à l’eau ; rendement en CH4 plus important.
En gazéification :
- Loi d’additivité (gazéification sous H2O + gazéification sous CO2) quelles que soit les conditions de pyrolyse et la taille des particules de bois
A l’échelle d’un gazéifieur :
- La conversion « apparente » du carbone de la biomasse en CO augmente
significativement avec l’injection de CO2.
- La production de char reste stable quel que soit le taux de CO2 injecté dans le gazéifieur.
- Le rendement en goudrons n’est pas modifié de façon significative
- La réduction du ratio H2/CO induit par l’injection de CO2 dans le gazéifieur est un désavantage pour les filières SNG et BtL mais elle est un avantage dans le cas d’une filière DME où un ratio de 1 est nécessaire dans le cas d’une synthèse directe de cette molécule.
A l’échelle de la chaine SNG et BtL :
- L’injection de CO2 augmente le rendement matière en carbone dans le cas où l’on ajoute de l’hydrogène pour atteindre le ratio H2/CO nécessaire à la synthèse du biofuel.
Par contre la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau pénalise le coût de synthèse du SNG et du biodiésel.
- Le couplage d’une filière « biomasse 2G » à l’approche Power to Gas réduit les coûts du stockage d’énergie renouvelable intermittente par rapport à une filière Power to Gas seule.

Les résultats du projet montrent clairement l’influence de l’atmosphère de pyrolyse sur la structure, la teneur en inorganique, et la réactivité du char. Le rendement en char est aussi affecté dans certains cas. Les mécanismes ne sont pas encore clairement identifiés et des études complémentaires
sont encore nécessaires à leur compréhension.
La loi d’additivité des réactivités en gazéification mérite encore d’être approfondie pour comprendre la relation avec la structure du char.
Le recyclage du CO2 pourrait avoir un intérêt pour les filières avec couplage à des EnR intermittentes. L’étude de ces filières, en particulier de la valorisation du CO2 du syngaz en carburant, permettrait d’éclairer la pertinence du recyclage du CO2 pour les filières SNG et BtL.

Pendant la durée du projet, deux publications ont été acceptées dans la revue scientifique « Fuel » sur les aspects de pyrolyse et de gazéification sous une atmosphère comprenant du CO2. Les trois communications orales dans des conférences et workshops internationaux ont mis en avant le lien entre des résultats scientifiques et leurs impacts (i) à l’échelle du procédé de gazéification mais aussi (ii) technico-économique pour les filières SNG et BtL. Enfin un brevet a été déposé par le CEA sur l’amélioration des rendements du procédé de gazéification avec un recyclage de CO2. Son extension internationale est en cours.

Le projet concerne le recyclage et la valorisation du CO2 (effluent) dans un procédé de gazéification de la biomasse lignocellulosique sous vapeur d’eau en lit fluidisé en vue de produire du carburant gazeux (bioSNG : Synthetic Natural Gas) ou liquide (via la synthèse Fischer-Tropsch).
Dans ce type de procédé, le gaz issu directement de la conversion thermochimique de la biomasse contient du CO2. D’autre part, dans le cas de la production de carburant, il est généralement nécessaire de réaliser une étape de water-gas shift pour ajuster le rapport H2/CO qui entraîne une production supplémentaire de CO2.
Le projet vise à étudier le recyclage d’une partie de ce CO2 en le réinjectant dans le gazéifieur (soit avec l’alimentation de biomasse à la place du gaz neutre, soit pour remplacer en partie la vapeur d’eau dans le gazéifieur, le CO2 pouvant également jouer le rôle d’agent gazéifiant).

Des études expérimentales montrent que la pyrolyse et la gazéification de biomasse se déroulent différemment dans un mélange H2O +CO2 en comparaison avec un mélange H2O +N2. La revue de la littérature montre que les données manquent encore et que les mécanismes sont mal compris.
Le présent projet se propose donc d'une part d'étudier et de comprendre les mécanismes qui gouvernent la pyrolyse et la gazéification de biomasse dans un mélange H2O+CO2 et d'autre part d'examiner les possibilités et les intérêts du recyclage du CO2 produit dans un procédé de lit fluidisé double, d’un point de vue à la fois technico-économique et environnemental.

Dans un premier temps, des études analytiques seront menées à l'échelle de la particule pour isoler les mécanismes de pyrolyse et de gazéification et ainsi mieux appréhender les phénomènes. Les paramètres seront la température et la composition de l'atmosphère gazeuse autour de la particule. Différentes installations expérimentales complémentaires du CEA et de RAPSODEE seront mises en œuvre.
Au cours d’une seconde étape, on étudiera les mêmes mécanismes réactionnels au sein d’un gazéifieur à lit fluidisé expérimental alimenté en continu en biomasse. Dans cette installation, les phénomènes ne sont pas isolés et peuvent donc interférer. L’ensemble des résultats à l’échelle de la particule et à celle du pilote expérimental fera l’objet d’une synthèse qui dégagera les avancées en termes de compréhension des mécanismes réactionnels ainsi que les paramètres clefs.

Après cet important volet expérimental, ces résultats seront analysés et transposés afin d’être utilisés dans des outils de simulation technico-économique de procédés industriels. Les procédés de gazéification en lit fluidisé double pour la production de SNG (gaz naturel de Synthèse) et de diesel Fischer-Tropsch seront simulés. Pour chacune des deux filières, le cas de référence sans recyclage du CO2 sera comparé à différentes options de recyclage du CO2.
La dernière partie du projet consiste à effectuer une évaluation environnementale du procédé et de ses variantes selon les deux filières étudiées. Cette approche sera toujours centrée sur les avantages et inconvénients environnementaux des modes de recyclage du CO2. Elle se conclura par une analyse de cycle de vie des procédés étudiés.