Introduction :
Aujourd'hui, l'hydrogène commercial est
principalement produit en utilisant des matières premières non renouvelables.
90% de l'hydrogène est obtenu par reformage à la vapeur soit du gaz naturel tandis que la
gazéification du charbon et l'électrolyse de l'eau sont utilisées industriellement dans une moindre
mesure. D'une part, ces procédés sont très énergivores et pas toujours respectueux de
l'environnement ; d'autre part, les réserves mondiales de combustibles fossiles s'épuisent à un
rythme alarmant.
Par conséquent, La production durable d'hydrogène par l'exploitation de sources alternatives
semble donc impérative pour le développement d'une véritable économie de l'hydrogène.
La biomasse est abondante, production d'hydrogène à partir de la biomasse est une approche
prometteuse.
L'hydrogène dérivé de la biomasse est susceptible de devenir un carburant pour un avenir plus
durable.
La biomasse, principalement sous forme de bois, est la plus ancienne source d'énergie utilisée par les
hommes.
traditionnellement par combustion directe dans un processus très inefficace.
. La conversion de la biomasse en combustibles gazeux et liquides, en électricité et surtout en
hydrogène
est sans aucun doute un moyen plus efficace d'utiliser la biomasse.
La biomasse :
La biomasse est la matière végétale issue de la réaction entre le CO2 de l'air, l'eau et la lumière du
soleil, au moyen de la photosynthèse, pour produire principalement des hydrates de carbone
(CnH2nOn).
, qui sont les éléments constitutifs de la biomasse et qui stockent efficacement l'énergie chimique4.
La liste des espèces végétales, des sous-produits et des déchets potentiellement utilisables comme
matière première est presque infinie5 .
la plus polyvalente qui puisse être utilisée pour la production durable d'hydrogène. Enfin, et surtout,
la biomasse est renouvelable et consomme du CO2 atmosphérique pendant la croissance de la plante
; après le traitement de la biomasse pour extraire l'énergie chimique stockée dans ses liaisons
chimiques, le carbone est oxydé pour produire du CO2 et de l'eau, libérant le CO2 précédemment
"piégé" qui est à nouveau disponible pour produire une nouvelle biomasse.
Par conséquent, si la biomasse était traitée efficacement, la production d'hydrogène peut avoir un
faible impact net en termes de net de CO2 par rapport aux combustibles fossiles.
Malgré la polyvalence de la biomasse, la plupart de l'énergie produite à partir de la biomasse
provient aujourd'hui du bois. et des déchets de bois (64 %), suivis des déchets solides municipaux (24
%).des déchets agricoles (5 %) et des gaz de décharge (5 %).
Les ressources de la biomasse peuvent être grossièrement divisées
en quatre catégories générales6
:
- Les cultures énergétiques : cultures énergétiques herbacées, cultures énergétiques ligneuses,
cultures industrielles, cultures agricoles et cultures aquatiques.
d'énergie ligneux, cultures industrielles, cultures agricoles et
aquatiques.
- Résidus et déchets agricoles (RA) : déchets de culture et d'élevage.
animaux.
- Déchets et résidus forestiers : déchets de bois d'usine, résidus d'exploitation forestière, résidus
d'arbres et d'arbustes.
résidus d'exploitation forestière, résidus d'arbres et d'arbustes.
- Déchets industriels et municipaux : DSM, boues d'épuration
et déchets industriels
biomasse comme source denergie renouv :
La biomasse comme source de production d'hydrogène est considérée comme l'une des principales
options pratiques et viables pour l'avenir proche et à moyen terme, selon plusieurs études5,10,11 .
, bien que des critiques aient été formulées à l'égard de cette voie en ce qui concerne les coûts et le
l'approvisionnement en biomasse.
Avant la découverte de combustibles fossiles bon marché, notre société était fortement dépendante
de la biomasse végétale pour répondre à ses besoins énergétiques.
Pour permettre l'introduction à grande échelle de l'hydrogène produit de manière durable, un
certain nombre de questions techniques et non techniques doivent être abordées, telles que la
configuration de e et la possibilité d'utiliser l'hydrogène comme combustible.
la chaîne technologique de production, les options de stockage, l'intégration harmonieuse dans le
système énergétique existant et l'acceptation sociale.
La transition du système énergétique actuel, basé sur les combustibles fossiles, vers un système
énergétique durable, basé sur l'hydrogène devrait être fragmentée et impliquer un mélange
diversifié de combustibles fossiles et d'énergies renouvelables.
Le site L'utilisation de l'hydrogène produit à partir de combustibles fossiles sera probablement une
première étape vers la réalisation d'un système énergétique durable basé sur l'hydrogène.
Disponibilité :
En tant que telle, la biomasse est disponible en abondance et, par rapport aux combustibles fossiles,
elle est répartie géographiquement de manière plus homogène à l'échelle mondiale. Il s'agit de
l'énergie solaire stockée dans la matière vivante et aussi de la plus ancienne source d'énergie connue
de l'humanité. Actuellement, son utilisation est encore
principalement traditionnelle, et des pratiques souvent malsaines et laborieuses ont été établies
pour la combustion, la production de chaleur pour la cuisson dans les pays en développement. Dans
les sociétés modernes, l'utilisation de la biomasse comme source d'énergie a été progressivement
abandonnée après la découverte d'énormes quantités de combustibles fossiles bon marché, non
seulement moins chers mais aussi plus faciles à traiter et à utiliser.
traitement et d'utilisation. En outre, les "nouveaux" combustibles permettaient des applications qui
n'étaient pas si faciles à réaliser avec la biomasse : le transport basé sur la technologie de l'énergie.
En outre, les "nouveaux" combustibles permettaient des applications qui n'étaient pas si faciles à
réaliser avec la biomasse : le transport basé sur des combustibles liquides issus du pétrole brut et la
cuisine à base de gaz fossiles. La biomasse semblait n'avoir plus aucun avenir en tant que source
d'énergie. Le site
La confrontation avec les limites de la disponibilité du pétrole au début des années 1970, en raison
de la politique de l'UE, a été un facteur déterminant.
Aperçu de la biomasse
La biomasse, principalement sous forme de bois, est la plus ancienne forme d'énergie utilisée par
l'homme. Traditionnellement, la biomasse a été utilisée par combustion directe, et ce procédé est
encore largement utilisé dans de nombreuses régions du monde. Les plus importantes sources
d'énergie de la biomasse sont le bois et les déchets de bois, les cultures agricoles et leurs sousproduits, les déchets solides municipaux, les déchets animaux, les déchets de l'industrie alimentaire,
les plantes aquatiques et les algues. L'énergie provenant des combustibles de la biomasse est utilisée
dans les secteurs suivants l'électricité, le bois d'œuvre et les produits du bois, ainsi quede la pâte à
papier. Actuellement, de nombreuses recherches sont axées sur l'énergie durable et respectueuse de
l'environnement provenant de la biomasse pour remplacer les combustibles fossiles conventionnels.
Composant :
La structure chimique et les principaux composants organiques de la biomasse sont extrêmement
importants pour le développement de procédés de production de carburants et de produits
chimiques dérivés les composants chimiques de la lignocellulose peuvent être divisés en quatre
composants principaux. Il s'agit de la cellulose, des hémicelluloses, la lignine et les matières
extractibles [20]. En général, les trois premiers composants ont un poids moléculaire élevé et
contribuent beaucoup à la masse tandis que le dernier composant est de petite taille moléculaire, et
disponible en faible quantité [21]. La cellulose et l'hémicellulose sont plus importantes dans les bois
de feuillus (78,8 %) que dans les bois de résineux (70,3 %). (70,3%), mais la lignine est plus
importante dans les bois tendres (29,2%) que dans les bois durs (21,7%) [22].
La cellulose, qui est un composant abondant dans les plantes et le bois se présente sous diverses
formes et une grande partie provient de déchets domestiques et industriels [23].
Disponibilité
En tant que telle, la biomasse est disponible en abondance et, par rapport aux combustibles fossiles,
elle est répartie géographiquement de manière plus homogène à l'échelle mondiale.
Il s'agit de l'énergie solaire stockée dans la matière vivante et aussi de la plus ancienne source
d'énergie connue de l'humanité. Actuellement, son utilisation est encore principalement
traditionnelle, et des pratiques souvent malsaines et laborieuses ont été établies pour la combustion,
la production de chaleur pour la cuisson dans les pays en développement. Dans les sociétés
modernes, l'utilisation de la biomasse comme source d'énergie a été progressivement abandonnée
après la découverte d'énormes quantités de combustibles fossiles bon marché, qui étaient non
En outre, les "nouveaux" combustibles permettaient des applications qui n'étaient pas si faciles à
réaliser avec la biomasse : le transport basé sur des combustibles liquides issus du pétrole brut et la
cuisine à base de gaz fossiles. La biomasse semblait n'avoir plus aucun avenir en tant que source
d'énergie.
Importance :
L'utilisation de l'énergie de la biomasse (bioénergie) a suscité un intérêt particulier ces dernières
années en raison de l'épuisement progressif des combustibles fossiles conventionnels, qui appelle à
une utilisation accrue de sources d'énergie renouvelables [27]. L'intérêt croissant pour la bioénergie
est motivé, entre autres, par les faits suivants [28] : (i) elle contribue à la réduction de la pauvreté
dans les pays en voie de développement,
(ii) elle répond aux besoins en énergie à tout moment, sans dispositifs de conversion coûteux, (iii)
elle peut fournir de l'énergie sous toutes les formes dont les gens ont besoin (combustibles liquides
et gazeux).chaleur et électricité),
(iv) elle est neutre en CO2 et peut même agir comme un puits de carbone, et (v) elle aide à restaurer
les terres improductives et dégradées., en augmentant la biodiversité, la fertilité des sols et la
rétention d'eau. L'importance de la de la biomasse augmentera à mesure que la politique et la
stratégie énergétiques nationales se concentrent davantage sur les sources renouvelables et la
conservation.
Matières premières de la biomasse pour la production d'hydrogène
L'utilisation de la biomasse renouvelable comme principale matière première pour la production
d'hydrogène a fait l'objet d'une attention considérable ces dernières années. Il est possible de
produire de l'hydrogène à partir de la biomasse.
La production d'hydrogène à partir de la biomasse est déjà économiquement compétitive
aujourd'hui. L'hydrogène issu de la biomasse présente de nombreux avantages [39] : (i)
indépendance par rapport aux importations de pétrole produit reste dans le pays, (iii) niveau de prix
stable, (iv) maintien de la paix, et (v) amélioration du bilan CO2 d'environ 30%.
Deux types de matières premières de biomasse sont disponibles pour être converties en hydrogène
[40] : (i) les cultures bioénergétiques dédiées, et (ii) les résidus moins coûteux, tels que les déchets
organiques issus de l'agriculture régulière et de la transformation du bois (biomasse).
En général, la biomasse provenant des cultures énergétiques, comme le sorgho sucré, peut être
utilisée comme matière première pour la production d'hydrogène [42].
matière première pour la production d'hydrogène [42]. La biomasse, en particulier déchets
organiques, offre un moyen économique et respectueux de l'environnement
gazefciication thermochimique :
La gazéification thermochimique par oxydation partielle a été développé pour transférer
substantiellement la combustion d'une matière première solide à un vecteur énergétique gazeux
sous forme d'énergie chimique. Ceci est fait parce qu'un gaz offre de nombreux avantages en tant
que vecteur de chaleur.
La gazéification de la biomasse génère ce que l'on appelle le gaz de biosynthèse, qui contient du CO
et du H2 dans des quantités qui dépendent du processus appliqué, du milieu d'oxydation,
et du rapport combustible/oxydant.
. Les procédés à haute température donnent un gaz de biosynthèse qui ne contient pratiquement
plus d'hydrocarbures31.
Une manière relativement simple de représenter le processus de formation d'hydrogène à partir de
la biomasse par gazifi cation (soufflée à la vapeur/O2) est d'écrire les réactions approximatives
suivantes.8
Ici, on suppose une composition élémentaire moyenne typique (ne correspondant pas à
une structure existante) :
pyrolyse :
La pyrolyse de la biomasse est un processus thermochimique réalisé à des températures typiques
comprises entre 650 et 800 K et à une pression atmosphérique ou de quelques bars. dans lequel le
combustible est converti sous apport de chaleur et principalement à l'exclusion de l'oxygène. Le
processus produit un liquide appelé bio-huile comme produit principal dans une configuration à
réacteur unique, à côté des gaz et du charbon31.
Il s'agit d'un mélange complexe d'une multitude de composés, dont des acides, des alcools, des
aldéhydes, des esters, des cétones et des composés aromatiques (oxygénés), qui peuvent être
transformés en différents combustibles, produits chimiques, etc.
Les bio-huiles sont déjà utilisées (pratiquement) commercialement comme combustibles de
chaudière pour la production stationnaire d'électricité et de chaleur, mais elles doivent être
améliorées si l'on veut les utiliser comme carburants pour le transport.
Le processus de pyrolyse peut également être classé en pyrolyse lente et rapide, en fonction des taux
de chauffage appliqués dans le processus.
La pyrolyse lente, également appelée carbonisation, se caractérise par un rendement élevé en
charbon de bois et n'est pas envisagée pour les procédés de production d'hydrogène.
. La pyrolyse lente du bois (temps de séjour typique de 24 h) était une technologie industrielle
courante pour produire du charbon de bois,
d'acide acétique, de méthanol et d'éthanol à partir du bois jusqu'au début des années 1900.
La pyrolyse rapide est un procédé à haute température et à chauffage rapide dans lequel de la
vapeur est produite,
qui est ensuite condensée sous la forme d'un liquide brunâtre foncé, la bio-huile, avec une certaine
coproduction
de charbon et de gaz permanents. Il est possible d'obtenir des rendements élevés de vapeurs de
pyrolyse/biohuile.
Fermentation ombre
La fermentation sombre est la décomposition de la biomasse par des bactéries anaérobies qui se
développent dans l'obscurité.
C’est la plus prometteuse et la plus connue de toutes les méthodes biotechniques de production
d'hydrogène à partir de la biomasse.
Elle consiste en une série de réactions complexes où les principales enzymes régulant le métabolisme
de l'hydrogène sont des hydrogénases.
La fermentation noire est particulièrement adaptée à la conversion des hydrates de carbone, ce qui
pose certains défis lors de l'utilisation de la biomasse lignocellulosique, notamment en ce qui
concerne la lignine, qui est très résistante à la biodégradation [17].
La fermentation sombre souffre d'un faible
rendement énergétique, d'une faible durabilité des catalyseurs et d'impuretés dans les produits [15].
La technologie n'est pas financièrement
compétitive et doit être développée davantage [22]. La nécessité d'un prétraitement coûteux pour
rendre la
fermentescibles par voie enzymatique ajoute une complexité supplémentaire au procédé, le rendant
plus coûteux.
plus coûteux, ce qui limite son développement à l'échelle industrielle [14].
Photo fermentation
La photo-fermentation utilise l'énergie lumineuse pour convertir la biomasse en hydrogène. Le
processus est catalysé par des nitrogénases dans les bactéries non soufrées pourpres. Il s'agit d'un
procédé relativement nouveau et, à l'heure actuelle, la méthode biologique de production
d'hydrogène la moins compétitive financièrement [24].
. Deux configurations de processus ont été proposées pour cette technologie, une approche en une
seule étape et une approche en deux étapes [25]. Le réacteur de photo fermentation a un faible coût
d'investissement spécifique, mais souffre également de faibles rendements.
Dans l'approche en deux étapes, une fermentation sombre est ajoutée avant la photo-fermentation,
où les acides organiques formés dans l'étape de fermentation sombre sont dégradés dans la
deuxième étape, ce qui augmente le rendement global en hydrogène du procédé.
Ce procédé est toutefois complexe à mettre en œuvre. Les rendements en hydrogène de la
photofermentation se situent dans la même fourchette que pour la fermentation noire
Cette technologie est toujours en cours de développement et sa TRL est estimée à 4. Bien qu'elle soit
toujours en cours de développement, elle est considérée comme moins compétitive financièrement
que la fermentation noire.
moins compétitive financièrement que la fermentation noire [24].
CH1.46O0.67 + 0.16O2
CO + H2O
CO2 + H2
CO + 0.73H