Brevet FR2875810A1 — publié le 20060331

Combustible liquide et procédé de production d'un tel combustible La présente invention concerne un combustible liquide, en particulier un carburant liquide, dit biocarburant, du type comprenant au moins de l'eau, un alcool ou un dérivé d'alcool, tel qu'un éther, et des graisses ou huiles d'origine végétale ou animale, ainsi qu'un procédé de production d'un tel combustible. Depuis de nombreuses années, on est à la recherche de solutions permettant io de produire des combustibles exempts de matières combustibles fossiles, telles que le pétrole et le charbon, afin de se prémunir de toute pénurie. Parallèlement, la récente loi européenne du 14 novembre 2000 a interdit l'utilisation des résidus animaux dans leur propre alimentation. De ce fait, ceux-ci ne trouvent plus d'emploi. Or, les graisses ou huiles, en particulier les graisses animales, sont connues pour leur aptitude en tant que combustible. Les graisses animales présentent toutefois l'inconvénient d'être solides à température ambiante. En outre, leurs propriétés rhéologiques (viscosité, point d'écoulement, etc.) rendent impossible leur utilisation directe dans un moteur diesel. En effet, de nombreuses études ont montré que la combustion de graisses animales pures, même de courte durée, provoque de sérieux encrassements du moteur qui peuvent conduire à son endommagement. Jusqu'à présent, afin de s'affranchir des mauvaises prédispositions des graisses animales à se substituer au gazole, trois solutions ont été proposées. Ainsi, il a été proposé une voie chimique qui utilise un procédé de transformation des graisses en biodiesel, par transestérification des acides gras. Deux voies physiques ont également été exploitées. Elles consistent en la dilution des graisses par une fraction de carburant diesel et en l'émulsification du produit obtenu par une fraction d'eau. La voie chimique demeure peu exploitée car, bien que fournissant de bons résultats, elle reste très onéreuse en raison de l'équipement nécessaire. Les voies physiques donnent des résultats acceptables mais sont peu développées à ce jour en raison des problèmes d'encrassement ou de rhéologie qui ne permettent l'utilisation des combustibles issus de cette voie que sur de courtes périodes d'utilisation. On connaît par ailleurs un carburant liquide dont les composants de base sont constitués de graisse, d'eau, d'alcool et d'un fournisseur d'oxygène constitué par de la chlorophylle. Les performances d'un tel combustible restent toutefois médiocres. to Un but de la présente invention est donc de proposer un combustible dont la composition permet de le préparer sans ajouter de produit de synthèse complexe et sans nécessiter de réaction chimique complexe. Un autre but de la présente invention est de proposer un combustible dont la 15 conception le rend peu onéreux. Un autre but de la présente invention est de proposer un combustible dont les caractéristiques permettent de l'utiliser en tant que carburant pour des moteurs diesel stationnaires en obtenant des performances du carburant proches d'un carburant de type diesel. A cet effet, l'invention a pour objet un combustible liquide, en particulier carburant liquide, dit biocarburant, du type comprenant au moins de l'eau, un alcool ou un dérivé d'alcool, tel qu'un éther, et des graisses ou huiles d'origine végétale ou animale, caractérisé en ce que les composés eau/alcool/graisses ou huiles sont présents sous forme d'une émulsion, ladite émulsion étant stabilisée au moyen d'un agent tensioactif ajouté à ladite composition. L'invention a encore pour objet un procédé de production d'un combustible liquide, en particulier d'un carburant liquide, dit biocarburant, du type comprenant au moins de l'eau, un alcool ou un dérivé d'alcool, tel qu'un éther, et des graisses ou huiles, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer, à partir des composants eau/alcool/huiles ou matières grasses, une émulsion, dont la stabilisation est obtenue par addition à ladite composition d'au moins un agent tensioactif. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, le procédé consiste, pour la préparation de l'émulsion, à mélanger l'eau, l'alcool, les graisses ou huiles et l'agent tensioactif, sous agitation mécanique, à une vitesse de préférence inférieure à 2 000 tours/min, et à une température comprise entre 20 C et 60 C, de préférence voisine de 50 C, en vue de l'obtention d'une émulsion eau dans huile stable. i0 De manière particulière, ce procédé consiste, dans un premier temps, à mélanger mécaniquement sous chauffage la fraction huiles ou graisses et l'agent tensioactif de la composition, puis, dans un second temps, à ajouter les fractions d'eau et d'alcool, et à poursuivre l'agitation mécanique sous chauffage pendant une période de temps prédéterminée, voisine de 30 minutes. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente la comparaison des viscosités dynamiques de différents produits en fonction du taux de cisaillement; la figure 2 représente un schéma tiré d'une photographie d'une émulsion de l'invention obtenue à partir d'un microscope électronique à 25 transmission avec un grossissement de 200; la figure 3 représente, sous forme de courbes, les résultats des mesures d'indices d'opacité K obtenues pour différents carburants; la figure 4 représente, sous forme de courbes, les résultats des mesures d'émissions d'hydrocarbures obtenues pour différents carburants; la figure 5 représente, sous forme de courbes, les résultats des mesures de NO, pour différents carburants et la figure' 6 représente, sous forme de courbes, les résultats des mesures de la consommation d'énergie spécifique (SEC) pour différents 5 carburants. Comme mentionné ci-dessus, l'invention a pour objet un combustible liquide, dans lequel les composés eau, alcool, graisses ou huiles sont présents sous forme d'une émulsion, cette émulsion étant stabilisée au moyen d'un agent io tensioactif ajouté à la composition. Le mode opératoire pour l'obtention d'une telle composition consiste à mélanger une fraction précise de chacun des quatre constituants à température élevée (environ 50 C). Un brassage mécanique est effectué par le biais d'un mixeur dont la vitesse maximale est de 2 000 tours/min. L'élévation de température et la vitesse de l'agitateur is permettent de fournir l'énergie nécessaire à la phase dispersée (l'eau) pour se diviser et ainsi former une fine dispersion. En pratique, il est procédé comme suit. A l'huile ou aux graisses, il est ajouté la fraction d'agent tensioactif. Sa dissolution est favorisée par l'élévation de température. Ensuite, après environ 10 minutes, les fractions d'eau et d'alcool sont à leur tour ajoutées et le mélange obtenu est alors mixé pendant 30 minutes. L'émulsion obtenue est du type eau dans l'huile et l'agent tensioactif choisi est un agent lipophile. Le choix de l'agent tensioactif est très important. En effet, ce dernier permet d'abaisser les tensions superficielles entre l'huile et l'eau, ce qui favorise ainsi la création de nouvelles interfaces entre ces deux phases. La phase dispersée peut alors convenablement se diviser et se répartir au sein de la phase continue. L'agent tensioactif appartient à la catégorie des composés chimiques amphiphiles qui se trouvent ainsi munis d'une partie hydrophile et d'une partie lipophile. Suivant l'importance de ces groupements, le tensioactif lui-même est plus ou moins hydrophile ou lipophile. Une numérotation pour qualifier ce type de composé a été élaborée par Griffin en 1949 et est appelé nombre HLB pour Hydrophilic-Lipophilic-Balance (équilibre hydrophile lipophile). Le nombre HLB peut présenter, suivant l'échelle de Davies, une valeur comprise entre 1 et 20. Un agent tensioactif émulsifiant ayant un nombre HLB inférieur à 10 est caractérisé par son caractère lipophile. L'agent tensioactif choisi présente donc de préférence-un nombre HLB inférieur à 10, de préférence compris entre 3 et 6. En effet, pour obtenir une émulsion, il est préférable que l'agent tensioactif choisi soit apte à se dissoudre aisément dans la phase continue souhaitée. De préférence, cet agent tensioactif pourra être constitué par le SPAN 83 (sesquiolate de monoanhydrosorbitol) dont le nombre HLB est de 3,7. Les graisses ou huiles utilisées peuvent quant à elles avoir diverses origines, tant minérales que végétales. Ces graisses ou huiles peuvent être synthétiques ou io naturelles. Ces graisses animales sont constituées par la phase liquide résultant de la séparation liquide/solide, à température élevée, de déchets agroalimentaires issus des abattoirs. Les huiles et graisses utilisables dans un tel combustible sont toutes constituées par des triglycérides dont la proportion en acides gras saturés et insaturés pourra varier en fonction des résultats souhaités. On sait que les huiles sont plus riches en acides gras insaturés alors que les graisses possèdent une proportion équivalente d'acides gras saturés et insaturés. Généralement, l'extraction des graisses animales de sous-produits carnés de l'abattage des animaux se fait par centrifugation solide/liquide. Le produit liquide ainsi obtenu est exempt de toutes particules solides grossières (os, plumes, etc.). Les graisses animales issues de ce procédé sont dites clarifiées. Un procédé équivalent peut s'appliquer aux poissons. Même si seule la préparation de graisses animales a été décrite ci-dessus, l'invention peut s'appliquer de manière analogue aux graisses ou huiles d'origine végétale, en particulier aux huiles végétales pressées à froid obtenues après une deuxième ou une troisième pression. Les graisses ou huiles entrant dans la composition du combustible peuvent être formées exclusivement de graisses ou huiles d'origine végétale ou d'origine animale ou d'un mélange des deux. L'alcool utilisé dans la composition est quant à lui un.alcool inférieur en CI C1o, de préférence un alcool en C, C4, tel que le méthanol ou l'éthanol. On sait que les alcools à enchaînement moléculaire inférieur à 4 carbones (méthanol, éthanol et isopropanol) sont plus hydrophiles que lipophiles. Ce caractère hydrophile de l'alcool favorise la dissolution de l'agent tensioactif dans la phase aqueuse et augmente la stabilité de l'émulsion formée. La fraction d'alcool ajoutée dans la composition joue donc principalement le rôle de diluant de l'émulsion obtenue. Les alcools de faible masse moléculaire, tels que le méthanol et l'éthanol, ont, de plus, la qualité d'être des biocarburants peu coûteux qui peuvent s'obtenir à partir de résidus agricoles. L'alcool, qui participe à la combustion, est donc à la fois un diluant et la phase dispersée des corps gras présents. i0 Des dérivés des composés alcooliques, tels que des éthers de formule générale R-O-R' où R et R' sont des groupements alkyles ou aryles identiques ou différents peuvent également être utilisés car ils possèdent également des propriétés de dilution. Toutefois, leur fabrication est plus onéreuse que celle des alcools, c'est pourquoi les alcools sont préférés. A partir des composés ci-dessus, le combustible liquide obtenu présente une composition, exprimée en pourcentage en volume, telle que suit: eau: 5 % - 15 % en volume alcool: 5 % - 15 % en volume agent tensioactif: 2 % - 8 % en volume huiles ou graisses: 62 % - 88 % en volume. Le point d'écoulement de l'émulsion d'une telle composition est estimé proche de 20 C contre 35 C pour de la graisse pure. Pour mesurer ce point d'écoulement, les mélanges émulsionnés sont mis en étuve à haute température à 60 C. La température est progressivement abaissée après chaque analyse de la fluidité, jusqu'à obtention d'une température pour laquelle les mélanges sont solides. Cette température définit alors le point d'écoulement de l'émulsion en question. Par ailleurs, il a été procédé à des tests de stabilité des émulsions. A cet effet, celles-ci sont placées en étuve à 50 C. Cette température élevée est défavorable aux émulsions qui sont thermodynamiquement instables. En effet, une plus grande agitation thermique à tendance à favoriser la coalescence des particules de- la phase dispersée (eau/méthanol) et donc à provoquer l'apparition d'une séparation entre les deux phases (sédimentation). Le critère de stabilité est basé sur la visibilité ou non d'une séparation eau/huile. Les émulsions testées ont atteint 17 jours de stabilité sans séparation dans les conditions énoncées précédemment. Ces émulsions formées sont également analysées à l'aide d'un microscope électronique à transmission qui permet de caractériser les dimensions et la distribution de la dispersion. Une étude io statistique a montré que les émulsions testées possèdent des dispersions dont les diamètres moyens sont compris entre 10 et 40 m. Enfin, les viscosités dynamiques de cette émulsion par comparaison avec de la graisse animale pure et avec une émulsion exempte de méthanol ont été mesurées à l'aide d'un viscosimètre rotatif utilisant le principe de Couette. Les résultats sont représentés à la figure 1 et sont obtenus à une température de l'ordre de 30 C. On s'aperçoit qu'une émulsion exempte de méthanol est plus visqueuse que la graisse pure, alors que l'ajout de méthanol, pour obtenir une émulsion conforme à l'invention, permet à l'émulsion d'avoir une viscosité inférieure à la graisse pure. C'est à partir de ce résultat que le point d'écoulement ou de solidification de l'émulsion, telle que mentionnée cidessus, a été estimé proche des 20 C pour une émulsion dite optimale. Afin de tester les qualités d'un tel combustible en tant que carburant, un moteur diesel stationnaire monocylindre a été alimenté par des émulsions de graisses animales préparées suivant le procédé mentionné ci- dessus, ces graisses étant refroidies à la température de 30 C. Le moteur utilisé est un moteur, qui développe 2,8 kW à 1 500 tours/min, et est refroidi par air. Une baie de dispositifs d'analyse composée d'un opacimètre, d'un analyseur de NOX (oxydes d'azote), de CO (monoxyde de carbone) et de HC (hydrocarbures) dans les gaz d'échappement, mesure les différentes émissions polluantes de trois types de combustibles, à savoir un carburant diesel classique, de la graisse animale pure et l'émulsion dite optimale objet de l'invention. Les résultats comparatifs obtenus sont représentés aux figures 3 à 5. La figure 3 illustre ainsi les résultats de mesure de l'indice d'opacité obtenu pour les différents carburants mentionnés cidessus. Les résultats, obtenus figure 3, montrent clairement que l'émulsion, objet de l'invention, présente un indice d'opacité inférieur à celui obtenu avec un carburant diesel ou avec des graisses pures. Or, on sait que plus l'indice d'opacité est élevé, c'est-à-dire plus les fumées sont opaques, plus le nombre de particules dans ces fumées est élevé lo et donc plus l'impact de ces fumées est défavorable sur l'environnement. Le résultat obtenu à la figure 3 montre donc que le combustible, objet de l'invention, engendre une pollution moindre. La figure 4 illustre quant à elle les résultats des mesures d'émissions d'hydrocarbures encore appelés imbrûlés obtenues avec différents carburants, à savoir un carburant diesel, de la graisse pure et l'émulsion objet de l'invention. A nouveau, on constate que les émissions d'hydrocarbures sont, avec l'émulsion objet de l'invention, réduites par comparaison à celles obtenues avec un carburant diesel ou avec de la graisse pure. Les émissions polluantes mesurées issues de la combustion de l'émulsion sont donc inférieures aux émissions issues de la combustion du carburant diesel. La figure 5 illustre les résultats des mesures de NOx obtenues à partir de la combustion de l'émulsion, objet de l'invention, par comparaison aux résultats obtenus par combustion de carburant diesel et de la graisse pure. A nouveau, les émissions de NOx produites par combustion de l'émulsion sont réduites par comparaison au résultat obtenu avec un combustible diesel et la graisse pure. La réduction des émulsions polluantes, telle que constatée ci-dessus, trouve des explications dans le fait que les graisses animales sont plus riches en oxygène que le gazole et que la mise en émulsion de composés différemment inflammables provoque ce que l'on appelle une microexplosion. Le phénomène de micro-explosion est très important dans la combustion de carburants de qualités inférieures. Il se produit lorsque la phase dispersée, de température d'évaporation inférieure à celle de la phase continue, s'évapore brusquement et entraîne une seconde atomisation de la phase huileuse. Cette seconde atomisation plus fine de la phase continue a pour conséquence une combustion plus complète du carburant et un brassage air/carburant plus important. La présence d'eau et d'alcool dans l'émulsion, qui sont des liquides de chaleur latente élevée, diminue les températures de flamme. Les NOX se forment dans les régions chaudes de la flamme diffusive et dans les gaz chauds produits. Ainsi, la présence d'eau et d'alcool dans la chambre de combustion réduit la formation de NOX émis dans les gaz d'échappement. La io baisse des suies et des émissions de particules s'explique quant à elle par le fait que les graisses contiennent plus d'oxygène et que la micro-explosion diminue les dimensions des particules de graisses à brûler. Enfin, la figure 6 illustre les résultats des mesures de la consommation is d'énergie spécifique pour les trois carburants testés, à savoir diesel pur, graisse animale, émulsion. A nouveau, on constate que les performances du moteur ne sont pas altérées par l'émulsion même si ces dernières sont légèrement inférieures à celle obtenue avec un diesel pur. Ces performances du moteur avec l'émulsion sont donc légèrement inférieures à celles mesurées lors de la combustion de gazole mais supérieures à celles de la combustion de graisse pure. En effet, les graisses animales ont une viscosité supérieure à celle du diesel. Ceci a pour conséquence de rendre difficile l'atomisation des graisses animales dans la chambre de combustion. Par contre, l'atomisation des graisses est favorisée par l'ajout de méthanol et est compensée par la seconde atomisation dans le cas de leurs émulsions. Comme l'illustrent les résultats fournis ci-dessus, le combustible, objet de l'invention, se révèle particulièrement performant. II doit être noté qu'il permet en outre de valoriser des déchets issus des industries de conditionnement des viandes qui ne trouvent plus d'emploi aujourd'hui. En effet, de récentes réglementations environnementales interdisent d'introduire ces graisses dans toute l'alimentation bétaillère ou l'alimentation des animaux domestiques. En les transformant en un biocarburant dont les émissions polluantes sont io réduites, on permet à des déchets industriels d'être énergétiquement valorisables sans émissions polluantes excessives. REVENDICATIONS 1. Combustiblê liquide, en particulier carburant liquide, dit biocarburant, du type comprenant au moins de l'eau, un alcool ou un dérivé d'alcool, tel qu'un éther, 5 et des graisses ou huiles d'origine végétale ou animale, caractérisé en ce que les composés eau/alcool/graisses ou huiles sont présents sous forme d'une émulsion, ladite émulsion étant stabilisée au moyen d'un agent tensioactif ajouté à ladite composition. io 2. Combustible liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émulsion est du type eau dans l'huile et en ce que l'agent tensioactif est un agent lipophile. 3. Combustible liquide selon l'une des revendications 1 et 2, 15 caractérisé en ce que l'agent tensioactif présente un nombre HLB inférieur à 10, de préférence compris entre 3 et 6. 4. Combustible liquide selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les graisses sont des graisses animales constituées par 20 la phase liquide résultant de la séparation liquide/solide, à température élevée, de déchets agroalimentaires issus des abattoirs. 5. Combustible liquide selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alcool est un alcool inférieur en C, C1o, de préférence 25 un alcool en CI C4, tel que le méthanol ou l'éthanol. 6. Combustible liquide selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il présente une composition, exprimée en pourcentage en volume, telle que suit: eau:5%-15%en volume alcool: 5 % - 15 % en volume agent tensioactif: 2 % - 8 % en volume huiles ou graisses: 62 % - 88 % en volume. Il 7. Combustible liquide selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en-ce que le point d'écoulement de l'émulsion est voisin de 20 C. 8. Procédé de production d'un combustible liquide, en particulier d'un carburant liquide, dit biocarburant, du type comprenant au moins de l'eau, un alcool ou un dérivé d'alcool, tel qu'un éther, et des graisses ou huiles, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer, à partir des composants eau/alcool/huiles ou matières grasses, une émulsion dont la stabilisation est lo obtenue par addition à ladite composition d'au moins un agent tensioactif. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste, pour la préparation de l'émulsion, à mélanger l'eau, l'alcool, les graisses ou huiles et l'agent tensioactif, sous agitation mécanique, à une vitesse de préférence inférieure à 2 000 tours/min, et à une température comprise entre 20 C et 60 C, de préférence voisine de 50 C, en vue de l'obtention d'une émulsion eau dans huile stable. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il consiste, dans un premier temps, à mélanger mécaniquement sous chauffage la fraction huiles ou graisses et l'agent tensioactif de la composition, puis, dans un second temps, à ajouter les fractions d'eau et d'alcool, et à poursuivre l'agitation mécanique sous chauffage pendant une période de temps prédéterminée, voisine de 30 minutes.