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Carbonisation hydrothermale

procédé physicochimique de conversion de composés organiques en charbon structuré
Nanobilles de carbone issu de 6 heures de carbonisation hydrothermale de Glucose (images produite par l'Université de Tartu.

La carbonisation hydrothermale (HTC) « carbonisation aqueuse à température et pression élevées » est un procédé physicochimique de conversion de composés organiques en charbon structuré.

Elle permet de transformer de la biomasse (déchet ou non) en un produit dit « biocharbon » (ou plus précisément « hydrocharbon » ou « hydrochar ») via un processus thermochimique entretenu dans des conditions anoxiques (sans contact avec l'air, grâce à l'eau utilisée comme milieu de réaction). Ce processus imite techniquement et en quelques heures la formation de charbon brun (« coalification ») qui dans la nature se déroule sur 50 000 ans à 50 millions d'années.

Ce biocharbon est présenté comme neutre en CO2. Il peut servir de combustible et être produit par une bioraffinerie[1]. Comme pour le biochar issu de pyrolyse sèche, certains espèrent pouvoir produire un hydrochar aux vertus proches de la terra preta amazonienne[2]. Il peut aussi être utilisé pour produire divers types de carbones nanostructurés, un substitut au charbon brun, du gaz de synthèse, des précurseurs de carburants.

Selon la littérature scientifique et technique disponible en 2015 sur le sujet, l'hydrochar diffère nettement du biochar (obtenu lui par pyrolyse lente en voie sèche), et lui semble en plusieurs points supérieur. Outre sa neutralité carbone, il contiendrait notamment un peu moins de métaux alcalins et alcalino-terreux et de métaux lourds, et il chaufferait plus que le biochar dans de mêmes conditions[2].

Une hypothèse encore à confirmer pour le moyen et long terme est qu'il pourrait aussi contribuer (comme amendement) à restaurer la teneur en matière organique et en humus des sols, et à améliorer la capacité de rétention de l'eau de sols sableux[3]. Certains y voient aussi un moyen de (re)(re)stocker du carbone dans le sol ou d'en (re)faire un puits de carbone[4], tout en valorisant des déchets organiques et fournissant une énergie verte (non fossile).

Vocabulaire, acronymesModifier

Ce procédé est parfois aussi dénommé carbonisation hydrothermique, pyrolyse humide (wet pyrolysis), ou torréfaction humide (wet torrefaction)[5]. L'acronyme HTC est également souvent utilisé (pour Hydrothermal carbonization).

HistoireModifier

Dans les années 1880 à 1900, la « cuisson » à haute température et sous pression de matières organiques dans de l'eau attire l'attention de chimistes. Cette méthode de « dégradation hydrothermique » de molécules et de tissus organiques permet en effet de synthétiser des molécules et polymères intéressants pour la chimie et au profit de la production de combustibles liquides et, ou gazeux[6],[7].

En 1913, Friedrich Karl Rudolf Bergius, chimiste allemand qui recevra le prix Nobel de chimie en 1931 avec Carl Bosch, imagine un procédé pour transformer le bois en charbon. Il n'y parvient pas, mais il développera ainsi la « chimie à haute pression[8] ».

À partir de la fin du XXe siècle, la recherche s'intéresse à nouveau au procédé et aux produits solides (hydrochar) obtenus qui semblent pouvoir trouver diverses application à bonne valeur ajoutée, dans les domaines de l'environnement, de la santé et de l'industrie[9].

Au delà de 260°C on obtient des combustibles liquides puis gazeux, désignés par d'autres noms :

  1. la liquéfaction hydrothermique (HTL pour Hydrothermal liquefaction)
  2. la vaporisation hydrothermale (HTV pour Hydrothermal vaporization) ou gazéification hydro-thermique (HTG pour hydrothermal gasification), ou une gazéification dans une eau super critique (SCWG pour super critical water gasification)[10],[11].

En Europe, le Professeur Antonietti de l'institut Max Planck de recherche sur les surfaces colloïdes et interfaces de Potsdam au début des années 2000 décide de tester des prototypes pré-industriels puis une filiale de la société AVA-CO2 a installé en Allemagne (à Karlsruhe) une unité industrielle d’une capacité de 14 400 L et de 8 400 t/an de biomasse à traiter, entrée en fonctionnement le .

ProcédéModifier

À une température élevée (entre 180 et 260°C)[5],[2] et en autoclave sous pression (10 à 50 bar[5] ; 2 à 6 MPa [2]), durant un temps qui varie de 5 min [2] à 12 h[5] selon les produits, la température et la pression, la biomasse perd spontanément son eau et se transforme en biocharbon via un procédé exothermique qui va s'auto-entretenir une fois initié (grâce à deux catalyseurs : l’acide citrique et un sel de fer[5]).

La qualité et les propriétés du charbon obtenu varient selon la nature des matériaux introduits dans le réacteurs, mais aussi selon la température, la pression et le temps de chauffage[12].

Retours d'expérienceModifier

Le prototype industriel d’AVA-CO2 de Karlsruhe comprend une cuve de mixage de 5 m de haut ou la matière est préchauffée à environ 150° C, un réacteur thermiquement isolé (14 mètres cubes, 220° C, 22 bars de pression) et un réservoir tampon dit “Outlet buffer tank” qui stocke l'énergie excédentaire et le produit final. Le système peut fonctionner en continu. Toutes les cuves sont sous pression et reliées entre elles. Deux produits finaux en sortent : un charbon obtenu après 12 h de chauffage, présenté comme neutre en CO2, stable et à forte densité d'énergie, facile à stocker et transporter ; et/ou un produit de type biochar, issu de 5h de chauffage, utilisable comme amendement des sols agricoles.

Une autre expérience faite sur le marc de raisin (à 65 % de teneur en humidité) à des conditions de processus optimisées (1h à 220°C) l'énergie thermique et la consommation d'énergie étaient respectivement de 1 170 kWh et 160 kWh par tonne d'hydrochar produites, soit une efficacité de 78 % pour l'usine[5] ; dans ce cas l'analyse technico-économique des coûts d'investissement et des coûts de production a conclu à un seuil de rentabilité respectivement de 157 €/t et 200 €/t ; des chiffres qui semblent indiquer que l'hydrochar est potentiellement un biocarburant compétitif, et qui plus est neutre en CO2[5].

L'hydrochar ainsi produit a capturé 100 % du carbone et peut être réduit en poudre, en pellet et utilisé comme biocarburant et, ou amendement du sol (similaire au biochar) et d'autres études sur la production économique des nanomatériaux.

InconvénientsModifier

Le processus et certains produits utilisés (lisiers, fumiers...) impliquent une installation industrielle complexe et sécurisée (haute température, haute pression), plus lourde et coûteuse que d'autres installations de valorisation énergétique de la biomasse.

Selon une étude publiée en 2012, les hydrochars comme les produits de pyrolyse à sec (biochar) peuvent améliorer la fertilité et qualité des sols, mais cependant pas à la manière d'un compost car au sortir du processus l'hydrochar est stérilisé. La fabrication de l'hydrochar est neutre en carbone, mais à la différence des biochars qui diminuent dans les sols cultivés les émissions de N20 (un gaz à effet de serre déjà préoccupant pour l'agriculture) les hydrochars peuvent au contraire aggraver ces émissions[13].

AvantagesModifier

Ce procédé valorise théoriquement tout le carbone de la biomasse, qui peut provenir de déchets organiques.
Le procédé lui-même ne dégage presque pas de CO2 et il est adapté à une large typologie de produits (bois, déchets verts purin, lisier, marc de raisin, cactus invasifs, déchets d'olives ou de palmiers à huile et autres déchets lignocellulosiques[14],[15],[16] ou agroindustriels[17], compost de respectant pas les spécifications nécessaires[18], boues d'épuration[19], algues et résidus d'aquaculture…).
A la différence de la pyrolyse sèche, il accepte des matière à très hautes teneur en eau jusqu'à 75 % – 90 %) sans avoir besoin d'un pré-séchage[20].

Le biocharbon obtenu peut être conditionné sous forme de pellets[21] et se substituer à la houille et à la lignite et être brûlé en chaudière. Le produit obtenu peut ensuite libérer toute l’énergie solaire antérieurement stocké sans la biomasse[5]. Il sera énergétiquement plus efficace que le bioéthanol (seulement 10 % de la canne à sucre est transformée en bioéthanol) ou le biogaz (qui au mieux valorise 50 % du carbone de la biomasse).

Efficience et bilan énergétiqueModifier

L'efficacité carbone de la plupart des processus de conversion de matière organique en carburant est faible, car lors de ce processus une part importante du carbone contenue dans la biomasse est perdue, et souvent sous forme de CO toxique, de CO2 ou de méthane qui sont des gaz à effet de serre.
La réaction exothermique permet un bon bilan énergétique[22] et les catalyseurs sont efficaces même en cas de variations des matières utilisées.
Il n'est généralement pas nécessaire de consommer de l'énergie pour mettre sous pression le réacteur : c'est la vapeur produite par la réaction exothermique dans l'enceinte confinée qui va mettre le réacteur sous pression.

Process Efficacité carbone
Carbonisation hydrothermale 90 à 100 %
Fermentation alcoolique 67 %
Conversion anaérobie au biogaz 50 %
Production de charbon de bois 30 %
Production d'humus via compostage de 5 % à 10 %

Remarque : le tableau ci-dessus est classé par rendement décroissants d'installation (mais les techniques les plus énergétiquement rentables demandent des installations plus couteuses, lourdes et complexes, et les agrocarburants de type alcool ou biodiesel ne peuvent être produits qu'à partir des parties grasses ou sucrées de certaines plantes. Si toutes les parties de plantes rustiques et à croissance rapides pouvait servir à la production de carburant (avec retour au sol des nutriments), le rendement énergétique de l'opération serait trois à cinq fois meilleur pour une même zone de culture (ex : saule, peuplier, miscanthus, chanvre, roseaux ou sous-produits de l'agroforesterie).

Théoriquement, à condition de ne pas manquer d'eau la carbonisation hydrothermale permet d'utiliser des cultures énergétiques économes en énergie et ne nécessitant pas d'engrais ni pesticides, voire des plantes aquatiques invasives ou des plantes poussant sur sol pauvre.

Si le process lui-même est neutre en carbone, un juste bilan carbone doit néanmoins tenir compte de l'empreinte carbone de l'usine, des infrastructures, du transport, de la production de la biomasse utilisée, etc.

RechercheModifier

Des charbons activés ou des charbons technique présentant des caractéristiques particulières en termes de nanopores pourraient être utilisés pour :

Voir aussiModifier

Notes et référencesModifier

  1. Hitzl, M.; Corma, A.; Pomares, F.; Renz, M. The hydrothermal carbonization (HTC) plant as a decentral biorefinery for wet biomass. Catal. Today 2015, 257, 154–159.
  2. a b c d et e Kambo H.S & Dutta A (2015) A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 359-378 (PDF, 20pp)
  3. Abel S, Peters A, Trinks S, Schonsky H, Facklam M & Wessolek G (2013). Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil. Geoderma, 202, 183-191.
  4. George, C., Wagner, M., Kücke, M., & Rillig, M. C. (2012). Divergent consequences of hydrochar in the plant–soil system: arbuscular mycorrhiza, nodulation, plant growth and soil aggregation effects. Applied soil ecology, 59, 68-72.
  5. a b c d e f g et h Michela Lucian & Luca Fiori (2017) "Hydrothermal Carbonization of Waste Biomass : Process Design, Modeling, Energy Efficiency and Cost Analysis"| Energies 2017, 10(2), 211; doi:10.3390/en10020211 | Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering | Academic Editor: Witold Kwapinski |publié 13 février 2017
  6. Mumme J, Eckervogt L, Pielert J, Diakité M, Rupp F, Kern J.(2011) Hydrothermal carbonization of anaerobically digested maize silage. Bioresour Technol ;102:9255–60
  7. Bobleter O. (1994) Hydrothermal degradation of polymers derived from plants. Prog Polym Sci ;19:797–841
  8. Bergius F (1931) Chemical reactions under high pressure | Nobel Foundation (Lecture Note) | p 1–33.
  9. Funke A & Ziegler F (2010) Hydrothermal carbonization of biomass: a summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4(2), 160-177.
  10. Peterson AA, Vogel F, Lachance RP, Fröling M, Antal Jr. MJ, Tester JW. (2008), Thermochemical biofuel production in hydrothermal media: a review of sub-and supercritical water technologies. Energy Environ Sci ;1:32 – 65
  11. PavlovičI, KnezŽ,Škerget M. (2013), Hydrothermal reactions of agricultural andfood processing wastes in sub- and supercritical water: a review of fundamentals, mechanisms, and state of research. J Agric Food Chem ;61:8003–25
  12. Sun, Y., Gao, B., Yao, Y., Fang, J., Zhang, M., Zhou, Y., ... & Yang, L. (2014). Effects of feedstock type, production method, and pyrolysis temperature on biochar and hydrochar properties. Chemical Engineering Journal, 240, 574-578.
  13. Kammann C, Ratering S, Eckhard C & Müller C (2012) Biochar and hydrochar effects on greenhouse gas (carbon dioxide, nitrous oxide, and methane) fluxes from soils. Journal of environmental quality, 41(4), 1052-1066.
  14. Kang, S., Li, X., Fan, J., & Chang, J. (2012). Characterization of hydrochars produced by hydrothermal carbonization of lignin, cellulose, D-xylose, and wood meal. Industrial & Engineering Chemistry Research, 51(26), 9023-9031.
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  16. Hoekman, S.K.; Broch, A.; Robbins, C.; Purcell, R.; Zielinska, B.; Felix, L. (2014) Process Development Unit (PDU) for Hydrothermal Carbonization (HTC) of Lignocellulosic Biomass. Waste Biomass Valoriz, 5, 669–678.
  17. Basso, D.; Patuzzi, F.; Castello, D.; Baratieri, M.; Rada, E.C.; Weiss-Hortala, E.; Fiori, L. Agro-industrial waste to solid biofuel through hydrothermal carbonization. Waste Manag. 2016, 47, 114–121
  18. Basso, D.; Weiss-Hortala, E.; Patuzzi, F.; Castello, D.; Baratieri, M.; Fiori, L. (2015) Hydrothermal carbonization of off-specification compost: A byproduct of the organic municipal solid waste treatment. Bioresour. Technol. , 182, 217–224
  19. He C, Giannis A & Wang J.Y (2013). Conversion of sewage sludge to clean solid fuel using hydrothermal carbonization: hydrochar fuel characteristics and combustion behavior. Applied Energy, 111, 257-266.
  20. Libra, J.A.; Ro, K.S.; Kammann, C.; Funke, A.; Berge, N.D.; Neubauer, Y.; Titirici, M.-M.; Fühner, C.; Bens, O.; Kern, J.; et al. Hydrothermal carbonization of biomass residuals: A comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels 2011, 2, 71–106.
  21. Liu Z, Quek A & Balasubramanian R (2014). Preparation and characterization of fuel pellets from woody biomass, agro-residues and their corresponding hydrochars. Applied Energy, 113, 1315-1322.
  22. Stemann, J.; Ziegler, F. Assessment of the Energetic Efficiency of A Continuously Operating Plant for Hydrothermal Carbonisation of Biomass. In World Renewable Energy Congress, Linköping, Sweden, 8–13 May 2011; Linköping University Electronic Press: Linköping, Sweden, 2011; pp. 125–132.
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  24. Unur, E.; Brutti, S.; Panero, S.; Scrosati, B. Nanoporous carbons from hydrothermally treated biomass as anode materials for lithium ion batteries. Microporous Mesoporous Mater. 2013, 174, 25–33.
  25. Wang, L.; Zhang, Z.; Qu, Y.; Guo, Y.; Wang, Z.; Wang, X. A novel route for preparation of high-performance porous carbons from hydrochars by KOH activation. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2014, 447, 183–187

Articles connexesModifier

Liens externesModifier

BibliographieModifier