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La gazéification, valorisation d’avenir pour les déchets organiques

Alors que le défi de la valorisation des déchets se pose avec une acuité croissante, la gazéification s’impose comme une solution prometteuse. Ce procédé permet de décomposer les déchets organiques en un gaz de synthèse, lequel peut être brûlé à des fins énergétiques, ou retraité pour obtenir des gaz d’intérêt comme du méthane ou de l’hydrogène. Une alternative vertueuse à l’incinération que Javier Escudero étudie depuis plus de huit ans à Mines Albi. Au sein du laboratoire RAPSODEE (UMR CNRS 5302), il développe un procédé pilote permettant de valoriser des déchets problématiques comme les matières plastiques non recyclables ou certains résidus agricoles.

 

C’est une technique centenaire, et pourtant plus que jamais d’actualité. La gazéification, qui permet de produire un gaz combustible à partir de solides carbonés comme le charbon ou le bois, fut popularisée au XIXe siècle pour propulser des véhicules appelés gazogènes. Elle a connu un regain d’intérêt pendant la seconde Guerre Mondiale : en pénurie de pétrole, elle servait à produire des carburants de synthèse à partir de charbon.

 

Les déchets, ressource de demain

À l’heure de la transition énergétique, des chercheurs la réactivent pour valoriser une source carbonée beaucoup plus prometteuse : les déchets organiques ! Javier Escudero fait partie de ceux-là. Son crédo ? « Les déchets sont la ressource de demain ». À Mines Albi, il travaille à optimiser ce mode de valorisation, plus vertueux que l’incinération pure et simple. Ses cibles : résidus forestiers, déchets ménagers, matières plastiques non recyclables… « La gazéification s’adresse en particulier aux déchets solides et secs. Elle est complémentaire à la voie biologique de la méthanisation, qui s’adresse plutôt aux déchets humides », précise-t-il.

 

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Schéma de Sylvain Salvador, Mines Albi

 

Pour transformer le déchet en gaz, la gazéification passe par plusieurs étapes. Les déchets, préalablement conditionnés et séchés, subissent d’abord une réaction de pyrolyse dans une atmosphère pauvre en oxygène à des températures supérieures à 300°C. « Dans ces conditions, l’énergie apportée permet de casser les liaisons moléculaires. Les matières carbonées se fractionnent en gaz d’une part, et en résidus solides d’autre part. L’étape suivante est celle de la gazéification à proprement parler : à 750°C ou plus, la vapeur d’eau ou le dioxyde de carbone présents achèvent de décomposer ces éléments en un mélange de petites molécules appelé gaz de synthèse, essentiellement composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène », résume Javier Escudero.

Ce gaz de synthèse, véritable « brique de base » de la pétrochimie, se révèle bien pratique : il peut être incinéré avec un meilleur rendement que la combustion du solide initial. Il peut également alimenter un moteur de cogénération pour produire chaleur et électricité. Enfin, on peut le retraiter pour produire des gaz d’intérêt : méthane, hydrogène, acétylène, etc… « On peut ainsi remplacer une source d’énergie ou une matière fossile par son équivalent renouvelable », s’enthousiasme Javier Escudero. C’est grâce à cette grande polyvalence que la gazéification offre une alternative vertueuse à l’incinération. Mais des optimisations restent à effectuer pour améliorer son bilan économique.

 

La valorisation thermique au service de l’industrie

C’est dans ce sens que travaille Javier Escudero depuis son arrivée en 2008 à Mines Albi. Son but : identifier les meilleurs leviers pour doper le rendement du procédé, dont certains mécanismes sont encore mal connus. En 2013, une publication1 de son équipe obtient un bel écho dans la communauté scientifique, en explicitant les influences respectives du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau sur l’efficacité de la gazéification.

 

VALTHERA, valorisation des déchets tous azimuts

La plateforme VALTHERA (VALorisation THErmique des Résidus de transformation des Agro-ressources), située sur le site de Mines Albi et labellisée par les pôles de compétitivité Agri Sud-Ouest et Derbi, est une plateforme technologique spécialisée dans le développement de procédés thermiques à haute efficacité énergétique pour la valorisation de déchets et sous-produits de biomasse. Son offre technologique inclut le séchage, la pyrolyse, la torréfaction, la combustion ou encore la gazéification. Diverses voies de valorisation sont explorées pour ces déchets abondamment disponibles : sous forme d’énergie ou de matériaux à valeur ajoutée. Autre spécificité : VALTHERA développe une source d’énergie solaire destinée à alimenter tous ces procédés thermiques et améliorer encore leur bilan environnemental. Elle propose également des équipements performants pour le traitement des émissions et des polluants divers. La plateforme a un rôle diffusant vers les entreprises, et notamment les PME désireuses de faire aboutir des programmes de recherche-développement, de démontrer la faisabilité du projet ou d’extrapoler un procédé.

 

L’heure est mGazéification, Javier Escudero, VALTHERA, Mines Albiaintenant à l’application de ces recherches. Le chercheur et son équipe participent en effet au développement de la plateforme VALTHERA (VALorisation THErmique des Résidus de transformation des Agro ressources). Cette dernière vise à mettre au point, en partenariat avec des industriels, divers procédés de valorisation thermique de déchets (voir encadré). En particulier, Javier Escudero et ses collègues du laboratoire RAPSODEE (Recherche d’Albi en génie des Procédés des Solides Divisés, de l’Énergie et de l’Environnement) travaillent sur un procédé pilote de gazéification de 100 kW. Ce dernier doit entrer en service à la fin de l’année 2016 et préfigurera des procédés finaux allant jusqu’à 3 MW, « une puissance adaptée pour traiter un gisement de déchets organiques de petite échelle, dont pourrait avoir besoin une PME ». L’équipe mise en particulier sur une technologie dite «  à lit fixe ». Dans cette configuration, tout le processus se déroule dans un seul et même réacteur. Les déchets sont « empilés » par le haut, puis subissent les étapes de pyrolyse et de gazéification au fur et à mesure de leur descente par gravité, jusqu’à récupération du gaz de synthèse au bas du réacteur.

Les chercheurs travaillent en partenariat avec le fabricant de gazéifieurs français CogeBio pour étendre les possibilités de la technologie. « Les solutions commerciales n’existent que sur des copeaux de bois. Nous allons évaluer l’utilisation d’autres types de déchets, comme les sarments de vignes », prévoit Javier Escudero. A terme, le projet englobera d’autres sources telles que les matières plastiques non recyclables, toujours en lien avec des industriels en quête de solutions. « Aujourd’hui, le coût de traitement de certains déchets est négatif, car la demande pour s’en débarrasser est supérieure aux capacités de traitement », souligne le chercheur. Côté valorisation, le gaz de synthèse sera d’abord brûlé à des fins énergétiques. Au gré des partenariats, des voies de valorisation plus ambitieuses pourraient être implémentées. Au premier rang de celles-ci : la production d’hydrogène, un vecteur énergétique à haute valeur ajoutée. Autant d’initiatives précieuses pour transformer nos déchets en énergie renouvelable !

 

Javier Escudero, Mines Albi, GazéificationLa curiosité pour unique moteur

Rien ne prédestinait Javier Escudero à développer la gazéification en France… si ce n’est sa grande curiosité scientifique. Tombé amoureux de la recherche au gré d’un stage chez un fabricant de polymères Suisse, l’étudiant espagnol se lance dans une thèse sur la polymérisation, sous la direction conjointe d’un industriel espagnol. Après un post-doc sur le même thème au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (UMR 5503), il candidate en 2008 à un poste de chercheur à Mines Albi sur le sujet de la gazéification de déchets, assez éloigné de ses premiers pas en chimie. Mais sa curiosité et son expérience industrielle font mouche. Huit ans plus tard, le voilà maître assistant au sein du laboratoire RAPSODEE (UMR CNRS 5302)… Et hyperactif sur la question du développement durable. En dehors de ses travaux quotidiens sur la gazéification, il co-organise la conférence internationale WasteEng (conference on engineering for waste and biomass valorisation), qui fédère des acteurs sur toute la chaîne des déchets, depuis l’identification des gisements jusqu’à leur valorisation.

Rédaction : Umaps, Hugo Leroux

(1) Guizani, C. et al ; The gasification reactivity of high-heating-rate chars in single and mixed atmospheres of H2O and CO2 ; Fuel 108 (2013) 812–823

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