Projet ANR-10-BIOE-0001 – GAMECO : Gazéification AMEliorée pour des applications COgénération
Programme : Bioénergies (Bio-E)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier AUTHIER (EDF RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT)
Partenaires : Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation; ELECTRICITE DE FRANCE; EQTEC EQTEC Iberia; NOVABIOM; Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
Montant : 1015184.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Amélioration d’un procédé de gazéification de la biomasse pour des applications cogénération de moyenne puissanceLe développement de la filière gazéification pour des applications cogénération de moyenne puissance atteint un niveau industriel en Europe mais des verrous, en termes de flexibilité en biomasses valorisables et de fiabilité de procédé, restent à lever pour assurer son déploiement.
Extension de la flexibilité, augmentation de la fiabilité et maîtrise du changement d’échelle d’un procédé de gazéification de la biomasseLa programmation pluriannuelle des investissements (PPI) de production d'électricité prévoit l'installation en France de 2300 MWe d’unités de production d'électricité à partir de biomasse pour la période 2009-2020. Dans cette perspective, la gazéification est une voie prometteuse de valorisation thermochimique de la biomasse ligno-cellulosique (c.-à-d. bois, sous-produits forestiers et agricoles, cultures dédiées comme le miscanthus) par rapport à la combustion dans les chaudières traditionnelles. La biomasse, chauffée par la combustion d’une partie des produits de pyrolyse, est convertie sous atmosphère d’air en un gaz combustible qui peut être valorisé, après épuration, dans un moteur pour des applications cogénération. Parmi les procédés développés pour des applications de moyenne puissance (1 à 10 MWe) et capables de satisfaire des besoins thermiques décentralisés typiques des réseaux de chaleur urbains et industriels, la technologie de lit fluidisé bouillonnant est pertinente vis-à-vis de critères techniques, environnementaux et économiques. Cependant, cette filière n’est aujourd’hui pas totalement mature.Le projet GAMECO vise à l’amélioration d’un réacteur de gazéification de la biomasse en lit fluidisé bouillonnant développé par EQTEC (Espagne) et intègre des objectifs en termes de : i) extension de la flexibilité d’un procédé existant afin de valoriser des biomasses plus variées, ii) augmentation de la fiabilité du procédé pour favoriser sa disponibilité, iii) maîtrise des lois de changement d’échelle du procédé pour réduire les risques à échelle industrielle. Les perspectives d’application s’inscrivent dans l’accélération de la maturation d’un procédé performant de gazéification et l’amélioration de sa compétitivité en vue d’un déploiement industriel à moyen terme sur certains territoires français.
Optimisation d’un procédé de gazéification de la biomasse par une approche multi-échelleLa structuration scientifique du projet repose sur l’étude des verrous techniques d’un gazogène en lit fluidisé bouillonnant : i) agglomération du lit par interactions des composés inorganiques issus de la biomasse avec le matériau du lit, ii) présence de goudrons en sortie du gazogène contrôlée par les réactions chimiques dans le gazogène, iii) écoulement de la biomasse dans le lit fluidisé (lois de mélange et de ségrégation). Les travaux sont réalisés au moyen de modélisation, d’expérimentation à l’échelle du laboratoire (0,1 – 4 kg/h) et de campagnes d’essais dans un pilote instrumenté de gazéification (50 kg/h). De façon générale, des critères de similitude ont été retenus pour reproduire les conditions industrielles.L’étude inclut cinq tâches complémentaires couvrant i) les phénomènes d’agglomération en conditions statique et dynamique à l’échelle du laboratoire, ii) les mécanismes de production et de dégradation des goudrons en réacteurs idéaux avec validation des schémas cinétiques établis par des tests sur le pilote, iii) l’écoulement gaz–solide en maquette froide avec validation des modèles établis par des tests sur le pilote, iv) la caractérisation détaillée de trois biomasses ligno-cellulosiques (miscanthus, biomasses forestière et agricole) sur le pilote, v) l’identification de biomasses alternatives et à bas-coût, disponibles en France et adaptées à la technologie, ainsi que l’évaluation technico-économique et environnementale du procédé de gazéification intégrant la chaîne complète de conversion.
Résumé de la soumission : La gazéification de biomasse en lit fluidisé bouillonnant (LFB) avec de l’air comme agent de gazéification, est bien adaptée aux applications cogénération. Cependant, cette technologie n’est pas encore mature, même si  plusieurs unités pilotes ont vu le jour ces dernières années. Elle nécessite encore un effort de développement pour révéler son potentiel. C’est le but du projet GAMECO, qui vise à améliorer une technologie existante pour la rendre d’une part plus flexible vis-à-vis du combustible, d’autre part moins chère en extrapolant sa taille. Pour cela, le projet examine un à un les verrous scientifiques et techniques des gazéifieurs en lit fluidisé bouillonnant :-agglomération du lit par interaction des composés inorganiques (cendres) des biomasses agricoles avec le matériau du lit-teneur en goudrons en sortie du gazéifieur -hydrodynamique des particules de biomasse dans le lit fluidisé Ces trois sujets seront étudiés par le biais de modélisations, d’expérimentations à l’échelle du laboratoire (<1 kg/h) et de campagnes d’essais dans un pilote de gazéification (50 kg/h). Deux biomasses type seront utilisées : le miscanthus, qui est une des cultures énergétiques les plus prometteuses, et la biomasse forestière, qui constitue aujourd’hui la principale ressource  en France. Le miscanthus sera utilisé pour étudier les problèmes d’agglomération alors que le bois servira à étudier l’hydrodynamique des particules de biomasse en fonction de leur taille, forme et densité. Les mécanismes de production/destruction des goudrons dans le gazéifieur seront étudiés à l’échelle du laboratoire dans des conditions contrôlées. Le modèle issu de ces travaux sera validé par des tests sur le pilote de gazéification. Enfin, les connaissances acquises permettront d’identifier des ressources de biomasse alternatives - plus difficiles mais moins chères - compatibles avec la technologie développée. Elles seront testées dans le pilote lors de la troisième phase du projet. Pour maximiser les chances de réussite, ce projet réunit des laboratoires renommés dans les domaines concernés : -Le comportement des inorganiques sera étudié par l’équipe du Prof. Poirier au CEMHTI. Cette équipe dispose déjà d’une expérience importante dans ce domaine, acquise à la faveur de précédents projets ANR. -Les aspects thermochimiques,  et notamment la conversion des goudrons, seront traités par le tout nouveau LRGP, né de la fusion du LSGC et du DCPR. Les équipes fédéreront leurs compétences sur la conversion thermochimique de la biomasse (LSGC) et sur la cinétique chimique (DCPR). -Enfin, les travaux sur l’hydrodynamique de la biomasse dans les lits fluidisés bouillonnants seront menés par l’équipe du Prof. Delebarre (FJV-Lemta).Enfin, le Lermab accueillera le pilote de gazéification sur son site d’Epinal. Il apportera au projet son expérience dans le domaine des technologies de conversion thermochimique de la biomasse et dans l’exploitation de pilotes technologiques.A côté des acteurs scientifiques, trois entreprises participent au projet : Novabiom, spécialiste français du miscanthus, définira les schémas d’approvisionnement et de conditionnement les plus adaptés aux spécifications requises par le gazéifieur. EQTEC, développeur espagnol du gazéifieur, concevra le pilote et fera bénéficier le projet de l’expérience qu’il a acquise au travers de ses réalisations antérieures.  Enfin, EDF assurera la coordination du projet et évaluera la technologie pour les différentes biomasses considérées. Il apportera sa vision industrielle d’énergéticien, en examinant notamment l’intégration énergétique du gazéifieur dans la chaîne complète de conversion, du séchage de la biomasse à l’évacuation de l’électricité et de la chaleur co-générée. EDF précisera les nouveaux marchés offerts par cette technologie de cogénération, tant pour satisfaire des besoins de chaleur industrielle que des besoins de chauffage urbain.
Résultats : Les premiers résultats portent tout d’abord sur le comportement des composés mis en jeu dans le réacteur de gazéification. Des phases cristallines et amorphes ont été identifiées dans les cendres de miscanthus, révélant que la transition de phases se produit à température relativement basse. En outre, une diffusion du fer contenu dans le matériau du lit vers les cendres fondues de miscanthus se produit à haute température, attestant ainsi d’une interaction chimique entre solides. Les cinétiques de conversion d’un goudron modèle (anisole) en phase gazeuse ont été caractérisées via l’analyse de plus de 20 produits de réaction et un modèle cinétique détaillé a été validé. L’analyse des interactions chimiques entre des goudrons et le matériau du lit a révélé la formation de différents types de dépôts carbonés en fonction du matériau et de sa granulométrie. 
Pour permettre l’étude des écoulements gaz-solide en maquette froide, une technique prometteuse d’activation de particules solides été développée pour assurer une similitude entre des particules de biomasse placées en conditions réactives et des particules en conditions ambiantes.
Par ailleurs, 5 biomasses alternatives ont été sélectionnées, parmi une trentaine, sur la base de critères d’adéquation avec le procédé, de coût incluant les étapes de pré-traitement et de disponibilité sur le territoire. Enfin, le potentiel français de la filière miscanthus a été évalué sur la base de critères économiques et environnementaux. L’impact environnemental de la récolte de miscanthus est limité par les bonnes pratiques d’exploitation de NOVABIOM.
Perspectives : Les travaux expérimentaux engagés seront poursuivis pendant la prochaine période sur l’ensemble des dispositifs développés, dont deux dispositifs originaux de laboratoire instrumentés pour permettre d’étudier, à haute température et dans des conditions dynamiques de fluidisation, d’une part les interactions entre les composés inorganiques contenus dans la biomasse et le matériau du lit et d’autre part les interactions entre la biomasse et le matériau du lit. 
La perspective finale du projet est de valider l’extension de la flexibilité d’un procédé de gazéification en termes de biomasses, ainsi que sa fiabilité par l’intermédiaire de campagnes d’essai menées sur un pilote de gazéification implanté à Epinal. Une partie des connaissances acquises sera capitalisée d’une part dans des guides opérationnels pour lever les verrous caractérisés, et d’autre part dans un modèle de fonctionnement du réacteur de gazéification.
Publications et brevets : Une publication a été soumise à Chemical Engineering Journal sur l’analyse des interactions entre les composés inorganiques de la biomasse avec le matériau du lit. Six communications couvrant les axes du projet ont été réalisées dans des congrès internationaux, ainsi que deux communications dans des congrès français.