Brevet FR3146313A1 — publié le 20240906

L’invention concerne une installation (1) de production de gaz carbonique (CO 2 ) et d'énergie à partir de la biomasse comprenant successivement : - un gazéifieur (12) de biomasse, - un brûleur (13) relié à la sortie du gazéifieur (12) pour la combustion du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse, - une chaudière à condensation (15) reliée à la sortie du brûleur (13) pour d’une part refroidir les fumées de combustion provenant du brûleur (13) et comprenant notamment du gaz carbonique (CO 2 ) et de la vapeur d’eau, et pour d’autre part condenser la vapeur d’eau contenue dans ces fumées de combustion, - un condenseur (16) relié à la sortie de la chaudière à condensation (15) pour refroidir davantage les fumées de combustion provenant de la chaudière à condensation (15), et séparer la vapeur d’eau et le gaz carbonique (CO 2 ) de ces fumées, et - des moyens de récupération du gaz carbonique (CO 2 ) séparé de la vapeur d’eau dans le condenseur (16) et de stockage et/ou distribution de ce gaz carbonique (CO 2 ) récupéré vers une ou plusieurs serres de culture, l’installation (1) comprenant en outre en sortie du gazéifieur (12) des moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité (14) à partir du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse. [Fig 1] Installation et procédé de production de gaz carbonique et d'énergie à partir de la biomasse 1. Domaine de l’invention La présente invention concerne une installation et un procédé de production de gaz carbonique d'énergie à partir de la biomasse. La présente invention se rapporte plus particulièrement à une installation et un procédé de gazéification de la biomasse pour en extraire un gaz de synthèse de sorte à produire du gaz carbonique et de l’énergie. 2. Art antérieur Une pratique de la profession de serriste, notamment des producteurs de tomates, consiste à chauffer les serres et à augmenter la concentration de l’air en gaz carbonique (CO 2 ) pour favoriser la croissance des plantes. Le gaz carbonique (CO 2 ) est indispensable au phénomène de la photosynthèse et un enrichissement en CO 2 permet principalement d’accroître les rendements des cultures. Cette pratique est toutefois en contradiction avec les objectifs cités précédemment car ce CO 2 est généralement produit à partir de gaz naturel et de propane, les deux carburants les plus fréquemment utilisés en serriculture. De nombreux combustibles peuvent être utilisés pour produire de l’énergie, comme de la chaleur et de l’électricité. A l’heure de l’urgence climatique, les sources d’énergie renouvelables comme la biomasse sont d’une importance croissante du fait qu’elles sont plus respectueuses de l’environnement. Par ailleurs, les serristes portent une attention particulière aux économies d’énergie puisque c’est leur deuxième poste de dépenses après la main-d’œuvre. Ceci a amené de nombreux serriculteurs à se tourner vers les combustibles de substitution et notamment la biomasse pour le chauffage des serres. Le but de la présente invention est de proposer une nouvelle installation et un nouveau procédé, qui permettent de produire de l’énergie et du CO 2 (pour les serres par exemple), de manière optimisée à partir de la biomasse. 3. Présentation de l’invention Pour ce faire, l’invention propose une installation de production de gaz carbonique (CO 2 ) et d'énergie à partir de la biomasse comprenant successivement : - un gazéifieur de biomasse, - un brûleur relié à la sortie du gazéifieur pour la combustion du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse, - une chaudière à condensation reliée à la sortie du brûleur pour d’une part refroidir les fumées de combustion provenant du brûleur comprenant notamment du gaz carbonique (CO 2 ) et de la vapeur d’eau, et d’autre part condenser la vapeur d’eau contenue dans les fumées de combustion, - un condenseur relié à la sortie de la chaudière à condensation pour refroidir davantage les fumées de combustion provenant de la chaudière à condensation, et séparer la vapeur d’eau et le gaz carbonique (CO 2 ) de ces fumées, et - des moyens de récupération du gaz carbonique (CO 2 ) séparé de la vapeur d’eau dans le condenseur et des moyens de stockage et/ou de distribution de ce gaz carbonique (CO 2 ) récupéré vers une ou plusieurs serres de culture, l’installation comprenant en outre en sortie du gazéifieur des moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité à partir du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse. L’idée a donc germé chez les inventeurs de produire du gaz carbonique (CO 2 ) renouvelable à partir de la gazéification et de la combustion de la biomasse, et d’utiliser ce gaz carbonique (CO 2 ) pour alimenter des serres de culture en particulier. Les inventeurs ont ainsi mis au point une unité de gazéification en lit fixe (chaudière à gaz), utilisé pour la conversion de matière organique solide (appelée aussi biomasse) en gaz de synthèse, cette unité de gazéification étant associée à un brûleur de combustion du gaz de synthèse relié successivement à une chaudière à condensation et un condenseur de déshumidification des fumées de sorte à récupérer le gaz carbonique (CO 2 ) des fumées de combustion. Ce gaz carbonique (CO 2 ) peut être injecté en serre pour la photosynthèse des plantes et/ou stocké. En parallèle, l’installation permet la cogénération d'électricité et/ou de chaleur à partir du gaz de synthèse produit lors de la gazéification. L‘installation de l’invention permet de valoriser la biomasse et en particulier les coproduits de l’agriculture ou déchets, tels que des copeaux ou granulés de bois, des sciures de bois, des palettes de bois broyées, ou toute autre matière organique (boue, coproduits de l’agriculture,...), non seulement pour produire de l’énergie, comme cela est couramment effectué dans une optique de développement durable, mais aussi pour produire du dioxyde de carbone, là où le dioxyde de carbone est habituellement produit à partir de sources d’énergie fossiles telles que le gaz naturel. Selon un aspect particulier de l’invention, l’installation comprend en outre des moyens de traitement par filtration du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse dans le gazéifieur avant son injection dans le brûleur. Selon un aspect particulier de l’invention, les moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité comprennent un groupe électrogène alimenté en gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse. Selon un aspect particulier de l’invention, l’installation comprend en outre des moyens adaptés pour évacuer une partie des cendres de matière carbonée issues de la gazéification dans le gazéifieur. Selon un aspect particulier de l’invention, le gazéifieur est du type à lit fixe à co-courant. Selon un aspect particulier de l’invention, l’installation comprend des moyens de pré-traitement de la biomasse par séchage avant l’introduction de la biomasse dans le gazéifieur. L’invention concerne également un procédé de production de gaz carbonique et d'énergie à partir de la biomasse utilisant l’installation telle que décrite précdemment, dans lequel : - on introduit de la biomasse dans le gazéifieur, - on évacue le gaz de synthèse du gazéifieur pour l’introduire en partie dans le brûleur adapté pour la combustion de gaz de synthèse et en partie dans les moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité, - on traite les fumées issues de la combustion dans une chaudière à condensation puis un condenseur pour en extraire du gaz carbonique (CO 2 ) et le distribuer vers une ou plusieurs serres de culture. 4. Description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : est une vue schématique d’une installation de production de gaz carbonique et d’énergie à partir de la biomasse selon un mode de réalisation de l’invention, est une vue schématique d’un gazéifieur pouvant être mis en œuvre dans l’installation de l’invention. 5. Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention La représente schématiquement une installation 1 de production de gaz carbonique et d’énergie à partir de la biomasse selon un mode de réalisation de l’invention. Cette installation 1 comprend une unité d’alimentation automatique 11 d’un gazéifieur 12 en biomasse. Le gazéifieur 12 est associé d’une part à un brûleur 13 et d’autre part à un groupe électrogène 14. La sortie du brûleur 13 est reliée à une chaudière à condensation 15, elle-même reliée à une unité de déshumidification des fumées issues de la chaudière 15 prenant la forme d’un condenseur 16. Le gaz carbonique (CO 2 ) extrait du condenseur 16 est stocké et/ou acheminé par des conduites en PVC vers une ou plusieurs serres de culture, par exemple. L’installation 1 comprend par ailleurs une unité de traitement par filtration UF du gaz de synthèse chaud issu du gazéifieur 12 avant son injection dans le brûleur 13. La structure d’une telle installation 1 et les étapes principales de production de CO 2 et d’énergie à partir de biomasse sont détaillées ci-après en relation avec la . Étape 1 – Gazéification de la biomasse La biomasse, qui est utilisée comme combustible, est introduite dans le gazéifieur, ou chaudière gaz, 12 par un conduit d’entrée et un convoyeur. Par biomasse, on entend des matières organiques solides, telles que des déchets de bois sous diverses formes (plaquettes, granulés, broyats etc.). Dans l’exemple décrit ici, il s’agit de bois grossier et sec se présentant sous la forme de plaquettes de bois. Ce type de déchets présente l’avantage d’être peu coûteux. Un pré-traitement de la biomasse correspondant à une phase de séchage peut être mis en œuvre avant l’introduction de la biomasse dans le gazéifieur 12. Ce séchage en amont, qui est optionnel, vise à réduire le taux d’humidité dans le bois qui est généralement compris entre 40 et 50% au départ. Le taux d’humidité visé après séchage est inférieur à 20%, entre 15 et 20% de préférence, et inférieur à 15% préférentiellement. Il est à noter que l'humidité de la ressource carbonée produit de la vapeur d'eau qui participe au processus de gazéification. On injecte donc la biomasse pré-séchée ou non dans l’unité de gazéification ou gazéifieur 12 dont les conditions de fonctionnement sont typiquement une pression P d’environ 0,01 bar) et une température T d’environ 400°C en fonction du combustible utilisé. Ceci aboutit à la production d’un mélange gazeux, appelé gaz de synthèse, comprenant du CO, H2, CO2, CH4, O2 et N2. Le gazéifieur 12 est ici du type réacteur à lit fixe co-courant d’une capacité thermique ou puissance comprise entre 2000 et 3000 kWth (soit entre 2 et 3 MWth). Il présente une forme globalement cylindrique. De façon connue, au sein du réacteur, la gazéification convertit la totalité du solide (biomasse) en gaz combustible et en cendres, seul rejet de la première étape. On rappelle que la gazéification consiste de façon générale en une transformation thermique d'un solide combustible (charbon, coke, tourbe, bois...) en présence d'un composé gazeux (O2, air, CO 2 , vapeur d'eau...). Le but de cette transformation est généralement de convertir le solide en vue de l'obtention d'un mélange gazeux combustible. Elle se distingue donc de la pyrolyse, opération thermique s'effectuant en l'absence de gaz réagissant avec le solide, et de la combustion dans laquelle la plus grande partie du carbone contenu dans le solide est transformée en CO 2 . Dans le gazéifieur 12 représenté schématiquement sur la , le combustible solide (la biomasse en l’occurrence) est introduit par la partie supérieure du réacteur alors que l’agent oxydant (air) nécessaire à la gazéification est introduit à mi-hauteur pour amorcer la combustion et fournir de la chaleur à l’ensemble du réacteur. De part cette disposition, le gaz généré durant la gazéification est évacué du réacteur près de la zone la plus chaude et présente de ce fait une teneur en goudrons relativement faible. Ainsi, l’augmentation progressive de la température permet d’obtenir les différentes réactions entrainant les gaz produits vers la zone la plus chaude du réacteur. On distingue sur la les trois zones réactionnelles de pyrolyse, oxydation et réduction, les cendres s’accumulant dans la partie inférieure du réacteur. La gazéification de la biomasse dans le gazéifieur 12 consiste donc à décomposer en présence d'un gaz réactif (de l’air dans cet exemple) des matières carbonées, ici du bois, afin d’obtenir un gaz de synthèse combustible (souvent appelé « syngas » ou « syngaz »), composé majoritairement de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2). Ce gazéifieur 12 assure par ailleurs une gestion des effluents via un système de récupération des cendres comprenant un système d’élimination du char et des cendres avec un convoyeur à vis refroidi à l’eau. Il est en effet nécessaire pour le bon déroulement du process de gazéification d’évacuer les particules de char qui réduisent la porosité du lit de réduction de par leur petite taille. Ces cendres ou biochar, récupérées sous le gazéifieur 12, sont collectées et évacuées via un système automatisé vers un container (non illustrés). Étape 2 – Traitement du gaz de synthèse Dans le mode de réalisation illustré sur la , une étape de traitement du gaz de synthèse chaud provenant du gazéifieur 12, atteignant une température de l’ordre de 700°C, est mise en œuvre dans une unité de traitement par filtration UF. Cette dernière comprend un cyclone de séparation du gaz permettant l’évacuation des particules solides grossières contenues dans le gaz et un filtre à manches haute température ou HTFE (pour « High-Temperature Filtering Equipment » en anglais) permettant une filtration plus fine du gaz. Étape 3 – Combustion Le gazéifieur 12 est associé à un brûleur 13 adapté à la combustion du gaz de synthèse filtré par l’unité de traitement par filtration UF. En particulier, une fois filtré, le gaz de synthèse (ou « syngaz ») obtenu à partir de la conversion de biomasse dans le gazéifieur 12 est brûlé dans la chambre de combustion du brûleur 13, qui est un brûleur bi-gaz ou bi-combustible. Les fumées de combustion en sortie du brûleur 13 comprenant notamment du gaz carbonique (CO 2 ) et de la vapeur d’eau sont ensuite dirigées vers une chaudière à condensation 15, dite chaudière gaz à haut rendement. Ces fumées présentent classiquement une température de 150°C. Étape 4 – Chaudière à condensation (haut rendement) La chaudière à condensation 15, dite chaudière gaz à haut rendement, comprend de façon connue une chambre de combustion équipée d'un brûleur dans laquelle brûle les fumées de combustion. Une enveloppe extérieure entoure à distance la chambre de combustion de manière à définir un espace rempli d'un liquide, de l'eau en l’occurrence, qui s'échauffe au contact de la surface d'échange thermique que constitue la paroi de la chambre de combustion. Dans cette chaudière à condensation 15, on condense la vapeur d’eau contenue dans les fumées de combustion provenant du brûleur 13. En condensant, la vapeur d’eau des fumées de combustion rejette de la chaleur ou des calories pour chauffer l’eau de retour du circuit de chauffage de la chaudière à une température de 90°C. Parallèlement, les fumées refroidies sont dirigées vers une unité de déshumidification des fumées ou condenseur 16 et les eaux de condensation sont rejetées. Les chaudières à condensation sont intéressantes à plusieurs titres. Elles permettent d'abord d'augmenter le rendement thermique d'au moins 10% et ainsi de réaliser une économie intéressante. De plus, les gaz et les fumées de combustion sortent par le conduit de fumées, refroidis et débarrassés d'une grande partie de leur humidité. Étape 5 – Condenseur On déshumidifie ensuite encore davantage les fumées issues de la chaudière à condensation 15 dans un condenseur (ou unité de déshumidification des fumées) 16 pour séparer l’eau et le gaz carbonique (CO 2 ). En effet, une certaine quantité d'eau sous forme de condensation demeure dans les fumées en sortie de chaudière, même dans le cas de chaudières à condensation. Les condenseurs sont des échangeurs thermiques à l’intérieur desquels se rencontrent un flux d’eau froide et un flux de gaz chaud (les fumées issues de la chaudière à condensation 15) qui, en se croisant de part et d’autre d’une paroi échangent leurs chaleurs respectives. Dans le condenseur 16, les fumées se refroidissent jusqu'à condensation en cédant leur chaleur à l'eau d’un système de chauffage. On récupère ainsi de l’eau à 40°C. On peut donc dire que le condenseur 16 termine le travail d’échange de chaleur effectué dans la chaudière à condensation 15 et permet de condenser la vapeur d'eau des fumées et de récupérer la chaleur de condensation pour chauffer l'eau restituée du système de chauffage. La chaudière à condensation 15 et le condenseur 16 dans lesquels passent successivement les fumées de combustion permettent de refroidir ces fumées et d’enlever l’humidité de ces fumées. Ainsi, il a été constaté que 88% de la chaleur des fumées peut être récupérée en sortie de la chaudière à condensation 15 et que 10% supplémentaire peuvent être récupérées dans le condenseur 16, ce qui permet d'obtenir une déshydratation optimale des fumées. Il est en effet important que la température des fumées qui circulent dans les tuyaux en PVC vers les serres ne soient pas trop importante de sorte à ne pas dégrader les tuyaux. Il est également important qu’un minimum d’humidité soit injecté dans les serres. La chaudière à condensation 15 et le condenseur 16 permettent d’atteindre ces objectifs, et en particulier de refroidir les fumées en sortie de brûleur 13 qui peuvent atteindre une température de 150°C. Étape 6 – Stockage et Diffusion du gaz carbonique (CO 2 ) On récupère ainsi le gaz carbonique (CO 2 ) présent dans les fumées que l’on diffuse dans une culture sous serre au moyen d’une soufflerie et de tuyaux en PVC. Ce gaz carbonique (CO 2 ) peut être filtré éventuellement pour être ensuite diffusé dans une serre ou bien stocké pour d’autres usages que l’enrichissement de la teneur en gaz carbonique (CO 2 ) de l’atmosphère de serres de culture. Production d’énergie Dans le mode de réalisation décrit ici, le gazéifieur 12 est associé d’autre part à un groupe électrogène 14 spécifique. Le gaz de synthèse filtré est ainsi utilisé également pour produire de l’électricité et de la chaleur via le groupe électrogène 14. Ce dernier comprend un moteur gaz et un générateur pour produire de l’électricité, et est configuré pour produire également de la chaleur (énergie thermique). Le syngaz issu de la gazéification recèle de l’énergie calorifique qui peut être converti en énergie électrique en l’injectant dans le groupe électrogène 14. A titre d’exemple, 1 kg de biomasse (bois) permet de produire entre 1 et 1,3 kWh d’énergie électrique et entre 1,7 à 2,5 kWh d’énergie thermique. Le syngaz peut plus généralement être injecté dans des moteurs ou turbines sur lesquels il agit de sorte à produire de l’énergie électrique, dirigée vers le réseau national par exemple. Plutôt qu’un groupe électrogène, toute autre machine thermique permettant de convertir l’énergie chimique issue de la combustion du syngas produit dans le gazéifieur en une autre forme d’énergie d’intérêt peut être mise en œuvre. Ainsi, en résumé, dans la présente installation 1, le carbone du bois est extrait par le gazéifieur de sorte à obtenir un gaz de synthèse (CO/H2), éventuellement nettoyé pour en éliminer les particules fines, les métaux alcalins, les goudrons et autres. Ce gaz de synthèse se substitue aux énergies fossiles pour alimenter un groupe électrogène pour la cogénération d'électricité et de chaleur. Ce gaz de synthèse est aussi brûlé pour produire du gaz carbonique (CO 2 ) pur extrait par condensation des fumées de combustion. Ce gaz carbonique (CO 2 ) est injecté en serre pour la photosynthèse des plantes et/ou stocké pour valorisation sur le marché. L’automatisation et la télégestion de l’installation 1 sont assurées par un ensemble comprenant un appareil de mesure du taux d’humidité de la biomasse et un appareil de mesure de l’humidité dans le gaz. Cet ensemble prend en charge le démarrage de l’installation, la gestion du réacteur de gazéification, du brûleur, de la chaudière et du condenseur notamment. L’installation 1 peut être utilisée différemment selon les saisons ou les horaires de la journée. Pendant les mois sans culture, elle peut ne servir qu’à la production d’électricité, par exemple. Sur un premier laps de temps en journée, elle peut servir à produire de la chaleur et du gaz carbonique (CO 2 ) (stockés et valorisés), et sur un deuxième laps de temps, elle peut servir à produire de l’électricité uniquement. Autres aspects et variantes L’installation de l’invention est particulièrement, mais non exclusivement, destinée aux serristes pour la production de fraises, de concombres, d’aubergines ou de tomates, par exemple. Dans cette installation, d’autres types de biomasse, tels que la paille, les céréales, les fourrages, les copeaux ou granulés de bois, les sciures de bois, les palettes de bois broyées, ou toute autre matière organique (boue, coproduits de l’agriculture,...), peuvent servir de combustible. L’énergie produite par l’installation de l’invention peut être injectée dans le réseau national et le biochar (cendres) peut être valorisé. Installation (1) de production de gaz carbonique (CO 2 ) et d'énergie à partir de la biomasse comprenant successivement : - un gazéifieur (12) de biomasse, - un brûleur (13) relié à la sortie du gazéifieur (12) pour la combustion du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse, - une chaudière à condensation (15) reliée à la sortie du brûleur (13) pour d’une part refroidir les fumées de combustion en provenance du brûleur (13) et comprenant notamment du gaz carbonique (CO 2 ) et de la vapeur d’eau, et pour d’autre part condenser la vapeur d’eau contenue dans lesdites fumées de combustion, - un condenseur (16) relié à la sortie de la chaudière à condensation (15) pour refroidir davantage les fumées de combustion provenant de la chaudière à condensation (15), et séparer la vapeur d’eau et le gaz carbonique (CO 2 ) desdites fumées, et - des moyens de récupération du gaz carbonique (CO 2 ) séparé de la vapeur d’eau dans le condenseur (16) et des moyens de stockage et/ou de distribution de ce gaz carbonique (CO 2 ) récupéré vers une ou plusieurs serres de culture, l’installation (1) comprenant en outre en sortie du gazéifieur (12) des moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité (14) à partir du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse. Installation (1) selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens de traitement par filtration (UF) du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse dans le gazéifieur (12) avant son injection dans le brûleur (13). Installation (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité (14) comprennent un groupe électrogène alimenté en gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse. Installation (1) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre des moyens adaptés pour évacuer une partie des cendres de matière carbonée issues de la gazéification dans le gazéifieur (12). Installation (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le gazéifieur (12) est du type à lit fixe à co-courant. Installation (1) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant des moyens de pré-traitement de la biomasse par séchage avant l’introduction de la biomasse dans le gazéifieur (12). Procédé de production de gaz carbonique et d'énergie à partir de la biomasse utilisant l’installation (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel : - on introduit de la biomasse dans le gazéifieur (12), - on évacue le gaz de synthèse du gazéifieur (12) pour l’introduire en partie dans le brûleur (13) adapté pour la combustion de gaz de synthèse et en partie dans les moyens de génération de chaleur et/ou d’électricité (14), - on traite les fumées issues de la combustion dans une chaudière à condensation (15) puis dans un condenseur (16) pour en extraire du gaz carbonique (CO 2 ) et le distribuer vers une ou plusieurs serres de culture. [Fig 1]