Production d Hydrogène à partir de la biomasse

Production d Hydrogène à partir de la biomasse Paul Lucchese paul.lucchese@cea.fr

Production d hydrogène à partir de biomasse Famille 1: reformage à partir de biocarburants ou de biogaz Biogaz à partir de fermentation de biomasse SNG gaz naturel de synthèse à partir de biomasse Famille 2: gazéification de la biomasse Production d hydrogène et capture du CO2 Insertion d hydrogène dans les biocarburants liquides gazéification par fluide supercritique C est le procédé le moins cher aujourd hui d obtenir de l hydrogène à partir de renouvelables C6H904 >>>>>>H2 et CO2 Η = 70 kj/mole H2O >>>>> H2 et 02 Η = 280 kj/mole Famille 3: procédés biologiques Fermentation Production directe à partir de micro algues Bio Inspiration

Procédés de valorisation de la Biomasse Energie Usage final Vecteur Procédés Chaleur résidentiel Collectif Solide: bois, résidus Gaz ou liquide Combustion Combustion Electricité ou cogénération Solide Liquide : slurry Gaz méthane, syngas H2, Combustion+ Turbine à vapeur Pyrolise Gazeification, Moteur à gaz Dark Fermentation+ Moteur à gaz Carburants Liquide: biocarburants Alcool DME gazole methanol Gazeux Hydrogène Biosyngaz Biométhane Fermentation alcoolique + synthèse Gazéification+ Synthèse Extraction+transesterification Biologie+Extraction Gazéification+purification Méthanisation Biologie + Photofermentation Dark Fermentation

Les biocarburants de 1 ère génération

Les biocarburants de 2 ème et 3 ème générations hydrogène 2G hydrogène 3G Micro-organismes photosynthétiques hydrogène biodiésel

BIOMASSE C6H9O4 50 % C 44 % O 6 % H COLLECTE TRANSPORT PRETRAITEMENT Pyrolyse torréfaction Filière Thermochimique GAZEIFICATION 700-1400 C Air/O2/H2O GAZ DE SYNTHESE CO, H2 Ajustement CO/H2 POST TRAITEMENT Nettoyage conditionnement du gaz CO2, H2O, CH4, hydrocarbures légers, Goudrons, Inorganiques Cogénération Électricité et chaleur Synthèse de biocombustibles Turbine à Gaz SOFC Diesel FT -(CH2)n- Liquides Méthanol CH3OH DME C2H6O SNG CH4 Gaz H2

Principe de la fabrication des carburants de synthèse et H2 Combustion CxHy + O2 >>>CO2 +H2O + Energie Preparation CxHyOz + H2O +02 Gasification CO+ H2 Purification Synthèse chimique (Biodiesel ) Biomasse charbon residus GN CO2 CO+H20 > CO2 +H2 Water gas Shift Hydrogène Capture et stockage du CO2 Certificat CO2 X 2!!!!!

Insérer l hydrogène dans les biocarburants liquides Combustion CxHy + O2 >>>CO2 +H2O + Energy Ajout d hydrogène bas carbon Preparation CxHyOz + H2O +02 Gasification CO+ H2 Purification Chemical Synthesis Upgrading Biodiesel Biomasse CO+H20 > CO2 +H2 50 MTep Consommation actuelle (Transports) Water gas Shift? 2 ème Gén Allothermique 2 ème Gén ajout H2 Autothermique 1 ère Gen 2 ème Gén Allothermique apport Électrique ext et ajout d H2 2 ème génération Allothermique apport électrique externe et ajout d H2 + Utilisation des Déchets ménagers 25 MTep 15 MTep 7 MTep 4 MTep

Cogénération

SNG gaz naturel de synthèse ou Hydrogène Nouveau projet de conversion BTH dans le cadre de l appel NER300

Projet Blue Tower en Allemagne

Projets de BTL Biomass To Liquid en Europe

Illustrations de la problématique Thermodynamique: température élevée, pression faible 1 Bar nombre nombre de moles de moles Zone de rendement optimum, techniquement 8 7 H2 6 8 H 5 2 /CO CO 7 4 H2 6 C solide 3 H 5 2 /CO accessible CO H Zone de 2 2 O 4 C solide rendement 1 CO 2 3 1 H bar 20 CH 2 O 4 optimum, 500 600 700 800 900 1000 1 CO 2 techniquement 1200 1300 1400 T( C) 0 CH 4 accessible 500 600 700 800 900 1000 1200 1300 1400 T( C) Cinétique: hautes températures (1250-1500 C) favorisent La conversion des goudrons (craquage et maturation) La conversion du méthane en CO et H2 (réformage) La fusion des cendres (Optique d utilisation de Déchets) Production CO et H2 favorisée par procédés à température élevée

Illustrations de problématique des procédés Spécifications de pureté

Les verrous existants Verrous techniques et scientifiques: préparation de la biomasse, purification, goudrons, cendres, matériaux etc le paradoxe de la gazeïfication de la biomasse: Taille de l installation et collecte de la biomasse Ordre de grandeur 1 MillionsT/an, 500 à 1 Md investissement Mais coût H2 vers La concurrence des usages énergétiques de la biomasse

Les biocarburants de Troisième Génération Photosynthèse terrestre annuelle 125 TW/an Energie solaire Reçue par heure :13.7 TW 120 000 TW/an Pétrole Gaz Biomasse, +charbon nucléaire eau, vent,... Besoins en énergie de la planète (2004) 14 TW/an 80% 0 10 20 30 TW

Les microalgues et les cyanobactéries une biodiversité à peine explorée : 30 000 espèces décrites 200 000 à 1 million estimées

Production de microalgues en photobioréacteurs Les avantages concurrentiels - Une productivité surfacique élevée - Peu de compétition avec la production alimentaire - Peu de compétition avec les ressources en eau - Recyclage de déchets urbains (N, P, S,..) ou industriels (CO 2 ) - Valorisation de sous-produits (bioraffinerie) - Lipides et peu de lignine Microalgues Plantes C4 (sorgho, maïs, ) Plantes C3 Productivité maximale (T.ha -1.an -1 ) 150-180 60 30 Productivité observée (T.ha -1.an -1 ) Photobioréacteurs Champ 50 10-30 10-15 D après «EPOBIO project» University of York Sept 2007

BIO-H2 Electrolyse de l eau Photobioproduction Catalyseurs Bactéries pourpres (Photo)fermentation Glucose + 2 H 2 O => 2 acétate + 4 H 2 + 2 CO2 H 2 CH 3 COOH + 2 H 2 O 4 H 2 + 2 CO 2

Production de molécules à forte teneur énergétique Lipides de réserve Fixation du CO 2 Rubisco CO 2 H + H 2 H 2 ase H 2 /H + Amidon NADPH H 2 O Q A PS II O 2 PQ Cyt b6/f FNR Pc PS I Fd

Merci de votre attention

Position Biomasse et Hydrogène dans «Technologies clés 2015»