Proposition de sujet de thèse LGPM – mars 2015 Valorisation de

Proposition de sujet de thèse
LGPM – mars 2015
Valorisation de Biomasse en Biocarburants de 2nde génération par voie sèche :
Traitement thermique et broyage de la biomasse lignocellulosique en vue de sa valorisation
thermochimique : influence des paramètres de traitement sur les propriétés de transport des
poudres
Champs disciplinaires: Procédés Particulaires, Caractérisation Physique, Imagerie, Modélisation, Calcul
numérique.
Mots clés: Biocarburants, Biomasse, Peuplier, Miscanthus, Torréfaction, Broyage, Granulométrie,
Microscopie Electronique, Coulabilité.
Schéma représentant la valorisation de Biomasse en Biocarburant, Energie et Produits Chimiques pour
répondre à la raréfaction des ressources fossiles. Le sujet se focalise sur l’amont du procédé pour
l’obtention de biomasse poudre présentant des qualités satisfaisantes de transport pour l’aval du
procédé.
Contexte
L’emploi de la biomasse comme source d’énergie devient une des solutions pertinentes pour répondre à
trois enjeux pour la France et plus généralement pour l’Europe : la raréfaction physique, économique et
géopolitique des ressources fossiles, le déficit commercial de la France liée à l’importation d’énergie et
le changement climatique. D’une part, la biomasse est une ressource de carbone renouvelable à
l’échelle de l’Homme. D’autre part, l’emploi de la biomasse pour produire de l’énergie est neutre vis-àvis du climat car le CO2 émis dans l’atmosphère a préalablement été stocké par la biomasse lors de son
développement par photosynthèse à partir de CO2 prélevé dans l’atmosphère (Van der Stelt 2011).
Enfin, la France, et plus généralement l’Europe, disposent d’importantes ressources agricoles,
forestières et aquatiques.
La biomasse lignocellulosique peut être convertie de différentes manières en énergie : combustion
directe, hydrolyse fermentation alcoolique, gazéification, pyrolyse, etc. La gazéification est une voie
prometteuse, permettant de convertir la biomasse en un gaz de synthèse (CO et H2) pouvant être
employé dans de nombreuses applications telles que la carburation (gazole ou kérosène), la
cogénération (turbine à gaz ou moteur), la méthanation, la pile à combustible ou la production de
molécule d’intérêt (Van der Stelt 2011).
Les biomasses lignocellulosiques sont préférées aux biomasses à potentiel alimentaire car elles offrent
l’opportunité de créer de la valeur ajoutée à partir de déchets ou résidus (connexes de scierie, pailles,
cannes, sons etc.) ou de nouvelles cultures (taillis à courte et très courte rotation, miscanthus, etc.).
L'association de biomasse forestière et de cultures énergétiques telles que le miscanthus ou les taillis à
très courte rotation est envisagée pour alimenter de façon sûre et pérenne de gros centres de
transformation. Ce schéma de production permet de préserver les surfaces nécessaires aux cultures
vivrières afin d'assurer l'équilibre impératif entre production alimentaire et production énergétique.
Le procédé de transformation de biomasse en biocarburants débute par des opérations de
prétraitement (torréfaction, fragmentation par broyage) permettant de transformer la biomasse en une
poudre de qualités physiques et énergétiques satisfaisantes pour la gazéification, sans toutefois trop
perdre de l'énergie contenue dans la biomasse initiale. Les caractéristiques physiques requises sont une
granulométrie suffisamment faible (centaines de microns) et une coulabilité de poudre permettant son
stockage, transport et pulvérisation. Il est aujourd'hui admis qu'une opération thermique de
torréfaction (pyrolyse douce) permet d'atteindre ce compromis. Ce prétraitement conduit certes à une
perte de masse mais il améliore la qualité énergétique par la diminution du ratio Oxygène/Carbone et
élimine pour partie le comportement fibreux de ces matériaux lignocellulosiques, frein majeur à la
fragmentation et à la manipulation des poudres.
L’optimisation des conditions de torréfaction et de broyage permettant d’obtenir des qualités physiques
satisfaisantes de la biomasse poudre, selon l’origine de la biomasse devient crucial. Les études
proposées dans la littérature se sont focalisées dans un premier temps sur la compréhension et la
maîtrise des opérations de torréfaction et de broyage. Relier les conditions des procédés de torréfaction
et de broyage avec la qualité physique de la poudre produite est désormais une étape essentielle pour
assurer l’industrialisation de ces étapes de prétraitement et ainsi préciser la viabilité économique de
l’ensemble du procédé de transformation de biomasse forestière en biocarburants.
L’optimisation des conditions de torréfaction et de broyage permettant d’obtenir des qualités physiques
satisfaisantes de la biomasse poudre, selon l’origine de la biomasse devient crucial. Les études
proposées dans la littérature (notamment au LGPM) se sont focalisées dans un premier temps sur la
compréhension et la maîtrise des opérations de torréfaction et de broyage. Relier les conditions des
procédés de torréfaction et de broyage avec la qualité physique de la poudre produite est désormais
une étape essentielle pour assurer l’industrialisation de ces étapes de prétraitement et ainsi préciser la
viabilité économique de l’ensemble du procédé de transformation de biomasse lignocellulosique en
biocarburants.
Sujet proposé
L’objectif général est de relier les caractéristiques physiques des poudres de biomasse produites selon
les conditions de torréfaction et de fragmentation des biomasses natives sélectionnées
Il s’agira d’observer, comprendre et quantifier les caractéristiques physiques des poudres produites
(granulométrie, morphologie, test d’impact, coulabilité) à partir des procédés de torréfaction et de
broyage sur quelques matériaux modèles forestiers représentatifs de la diversité des sources possibles.
Le projet proposé ici sera réalisé dans un laboratoire qui possède des compétences fortes dans les
procédés de traitement thermique et de fragmentation de la biomasse (Almeida et al. 2010, Pierre et al.
2011, Cavagnol et al. 2013), en caractérisation des modifications morphologiques et de la broyabilité
des matériaux forestiers (Almeida et al. 2014, Pierre et al. 2013), dans la modélisation de l’évolution
morphologique des matériaux au cours de leur traitement thermique.
Détail du travail proposé:
a) Choix des biomasses modèles
Le matériel végétal choisi doit à la fois permettre de comparer nos études à d'autres résultats publiés et
de couvrir des aspects importants de l'approvisionnement envisagé à l'échelle industrielle. Nous
envisageons pour cela de travailler sur deux espèces :
- le peuplier comme représentant de la biomasse forestière. Cette essence est en effet souvent
choisie comme espèce feuillue modèle en région tempérée. Cette espèce qui rejète bien de
souche est également l'une des deux espèces retenues pour les taillis à courte rotation,
- le miscanthus comme représentant des cultures énergétiques envisagées en climat tempéré.
b) Préparation des échantillons de poudre de biomasse
Les biomasses modèles seront torréfiées puis fragmentées par broyage dans des conditions de procédé
maîtrisées. Le suivi en continu de la perte de masse sera réalisé durant la torréfaction.
c) Caractérisation des particules produites
Une caractérisation complète sera effectuée grâce aux équipements expérimentaux du LGPM:
• sur la biomasse native, une analyse anatomique interne au grain au moyen de techniques de
visualisation de haute performance (microscope électronique à balayage environnemental,
microscopie confocale) permet ainsi d’évaluer la structure initiale,
• Sur la biomasse torréfiée, la broyabilité sera déterminée au moyen d’un test d’impact grâce à un
dispositif original existant,
• Sur la population de particules constituant la poudre, une analyse de taille et forme sera
effectuée grâce à un granulomètre morphologique. Des observations au microscope viendront
compléter les mesures pour la prise en compte du faciès des particules,
• La réactivité des particules à l'échelle pariétale sera effectuée par BET (mesure de surface
spécifique)
d) Caractérisation du comportement de la poudre
Le comportement de la poudre sera estimé au moyen de mesure de coulabilité instantanée et après une
étape de consolidation, permettant d’estimer l’impact d’un stockage dans des conditions maîtrisées
(temps, température, humidité). La mesure sera effectuée au moyen d’un rhéomètre de poudre et/ou
d’une cellule annulaire de coulabilité.
e) Modélisation de la coulabilité de la Poudre
La modélisation de l’écoulement des particules sera réalisée au moyen d’une méthode par éléments
discrets (DEM), afin de reproduire le comportement mesuré. Cette étape permettra de mettre en
évidence les forces d’interaction qui déterminent le comportement de la poudre de biomasse selon les
caractéristiques des particules. La possibilité de prédire le comportement rhéologique à partir de la
morphologie des particules sera un avantage déterminant pour l'optimisation de la chaine de
transformation.
f) Optimisation technico-économique de la chaine de procédés
Les travaux menés dans le cadre de ce doctorat pourraient permettre d’identifier les propriétés
pertinentes des poudres pour l’optimisation énergétique de la production de biocarburant par voie
sèche. Cette phase du doctorat doit s’envisager dans le cadre d’une collaboration avec un industriel et,
pour ce faire, pourra s’effectuer dans le cadre de la chaire de biotechnologies blanches adossée au
LGPM.
Encadrement
Directeur de thèse : François Puel ([email protected]) LGPM, CentraleSupélec.
Co-encadrement : Floran Pierre ([email protected]), et Patrick Perré ([email protected]), LGPM,
CentraleSupélec.
Le sujet sera réalisé au Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux (LGPM EA4038) à
CentraleSupélec-Ecole Centrale Paris – Campus de Châtenay-Malabry http://www.lgpm.ecp.fr/lgpm
Collaboration
A définir ultérieurement en fonction de l'importance relative des différents aspects du sujet qui sera
ajusté en fonction du candidat retenu
Financement et candidature :
Bourse de thèse de l’Ecole Doctorale SMEMaG (Université Paris Saclay). Possibilité d’une mission
complémentaire à CentraleSupélec, Campus de Châtenay-Malabry
Candidature à adresser par mail à F. Puel, F. Pierre et P. Perré avant la date limite de candidature
Date limite de candidature : 22 mai 2015 sur le site de l’ADUM https://www.adum.fr/
Références
Almeida G., Brito J.O., Perré P., 2010 - Alterations in energy properties of eucalyptus wood and bark
subjected to torrefaction: the potential of mass loss as a synthetic indicator, Bioresource Technology,
101: 9778-9784.
Pierre F., Almeida G., Brito J., Perré P., 2011 - Influence of torrefaction on some chemical and energy
properties of maritime pine and pedunculate oak, Bioressources, 6: 1204-1218.
Cavagnol S., Sanz E., Nastoll W., Roesler J.F., Zymla V., Perré P., 2013 – Inverse analysis of wood pyrolysis
with long residence times in the temperature range 2010-209°C: selection of multi-step kinetic models
based on mass loss residues, Thermochemica Acta 574:1-9
Almeida G., Santos D.V.B., Perré P., 2014 – Mild Pyrolysis of fast growing wood species (caribbean pine
ans rose gum) : dimensional changes predicted by the global mass loss; Biomass and Bioenergy 70: 407415
Pierre F., Almeida G., Brito J.O., Perré P. 2013 - An original impact device for biomass characterisation:
some results obtained for woods at different moisture contents, Wood Science and Technology, 47, 3 :
537-555