Biomasse et biocarburants liquides

Description brève

• Type d'information: principes

Introduction

Contexte

Les résidus de biomasse peuvent également être convertis en diverses formes de combustibles non solides. Ces combustibles sont considérés comme des biogaz et biocarburants liquides. Le but de ce processus de conversion est d'améliorer la qualité, l'énergie spécifique du contenu, le transport, etc., de la source de la biomasse brute ou pour capter les gaz qui sont produits naturellement car la biomasse est micro biologiquement dégradable ou lorsque la biomasse est partiellement brûlée. Le biogaz est un carburant souvent utilisé pour la cuisson et l'éclairage dans un certain nombre de pays, tandis qu'un facteur important de motivation dans le développement des biocarburants liquides était la volonté de remplacer les combustibles pétroliers. Dans cette fiche nous allons examiner quelques-uns de ces combustibles, leurs applications et les technologies de conversion utilisées pour les calculer.

En Europe et aux États-Unis, ainsi que dans plusieurs pays en développement, il y a un mouvement vers des cultures énergétiques spécifiquement pour la production de la biomasse comme combustible. Le potentiel de production d'énergie à partir de biomasse à travers le monde est énorme et les combustibles fossiles deviennent plus rares et plus coûteux, comme les niveaux d'émissions de carbone sont de plus en plus préoccupants et que les gens réalisent les avantages d'élaborer des options d'approvisionnement énergétique intégrées, puis la biomasse pourrait commencer à réaliser son plein potentiel en tant que source d'énergie.

Technique

Biogaz

Le biogaz est produit au moyen d'un processus appelé digestion anaérobie. C'est un processus par lequel la matière organique est décomposée par l'activité microbiologique et, comme son nom l'indique, il s'agit d'un processus qui se déroule en l'absence d'air. C'est un phénomène qui se produit naturellement au fond des étangs et des marais et donne naissance au gaz des marais ou au méthane, qui est un gaz combustible.

Il existe deux technologies communes pour obtenir du biogaz, la première (qui est plus répandue) est la fermentation des déchets d'origine humaine et animale dans des digesteurs spécialement conçus. La seconde est une technologie développée plus récemment pour capturer le méthane des sites d'enfouissement de déchets municipaux. L'ampleur de simples installations de biogaz peut varier d'un système allant d'une petite maison aux grandes installations commerciales de plusieurs milliers de mètres cubes.

Avantages de la digestion des déchets animaux et humains:

• la production de méthane pour une utilisation en tant que combustible. Les déchets qui ont une haute teneur en éléments nutritifs deviennent un engrais idéal, dans certains cas, cet engrais est le principal produit de la digestion et le biogaz est simplement un sous-produit. Lors du processus de digestion, les bactéries sont éliminées, ce qui est un grand avantage pour la santé environnementale.

Deux conceptions simples populaires de digesteur ont été développées; le digesteur chinois à dôme fixe et le digesteur biogaz indien à couvercle flottant (illustré dans les figures 1 et 2). Le processus de digestion est le même dans les deux digesteurs, mais la méthode de collecte des gaz est différente. Dans le type au couvercle flottant, le couvercle étanche à l'eau du digesteur est capable de se soulever lorsque le gaz est produit et agit en tant que chambre de stockage, tandis que le type à dôme fixe a une capacité de stockage de gaz plus faible et nécessite une bonne étanchéité pour empêcher toute fuite de gaz. Tous deux ont été conçus pour une utilisation avec des déchets d'animaux ou de crottes.

Figure 1: digesteur à dôme fixe

Les déchets sont introduits dans le digesteur par le conduit d'admission et soumis à la digestion dans la chambre. La température du processus est assez critique - des bactéries productrices de méthane fonctionnent plus efficacement à des températures entre 30 - 40°C ou 50 - 60°C. Lors de climats plus froids, de la chaleur peut être ajoutée à la chambre afin d'encourager les bactéries à mener à bien leur fonction. Le produit est un mélange de méthane et de dioxyde de carbone, typiquement dans un rapport de 6:04. Le temps de digestion varie de quelques semaines à quelques mois selon la charge et la température de digestion. La pâte résiduelle est éliminée à la sortie et peut être utilisée comme engrais.

Le biogaz a une variété d'applications. Le tableau 1 ci-dessous montre quelques applications typiques et pour un mètre cube de biogaz.

Figure 2: digesteur à couvercle flottant

Les digesteurs biogaz à petites échelles fournissent habituellement des combustibles pour l'éclairage domestique et la cuisine.

Utilisation	1m3équivalent biogaz
Éclairage	équivalant à une ampoule de 60-100 watt pour 6 heures
Cuisiner	Peut cuisiner 3 repas pour une famille de 5 - 6
Remplacement de carburant	0.7 kg of petrol
Puissance à l'arbre	peut faire fonctionner un moteur électrique à un cheval pendant 2 heures
Production d'électricité	Peut générer 1,25 heure de kilowattheures d'électricité

Table 1: certains équivalents de biogaz

Source: adapté de Kristoferson, 1991.

Certains pays ont lancé des programmes de production de biogaz à grande échelle, la Tanzanie est un exemple. Le modèle tanzanien est basé sur la récupération des ressources intégrées des déchets municipaux et industriels pour l'électricité et la production d'engrais.

Gazéification de la biomasse

Le procédé de gazéification de la biomasse est nettement différent que de la production de biogaz. La gazéification est le processus par lequel les matériaux de la biomasse solide sont décomposés par la chaleur pour produire un gaz combustible, communément appelé gaz de producteur. Les matières premières communes pour la combustion comprennent le bois, charbon de bois, balle de riz et de noix de coco.

L'installation de gazéification de la biomasse est constituée d'un réacteur, semblable à une cuisinière simple, dans lequel le combustible solide de biomasse est introduit. L'alimentation en air du carburant est toutefois soigneusement contrôlée pour permettre uniquement une combustion partielle. Au cours de ce processus, les gaz émis sont récupérés et peuvent être utilisés comme gaz combustible. Plusieurs gaz combustibles sont émis - un atome d'hydrogène, de monoxyde carbone et de méthane, - ainsi que le dioxyde de carbone et de l'azote.

Deux types de réacteurs existent, le réacteur à lit fluidisé, qui est utilisé avec un système de gazéification à grande échelle, et le réacteur à lit fixe, qui est utilisé pour les systèmes de gaz pour petits producteurs. Il existe trois variétés de réacteurs à lit fixe, courant ascendant, courant descendant et courant croisé. Chaque type de réacteur produit un rapport différent de gaz à des températures différentes et avec un niveau de propreté différente.

Le gaz a plusieurs utilisations. Il peut être utilisé directement dans un brûleur pour fournir de la chaleur ou bien il peut être utilisé dans les moteurs à combustion interne, mais cette utilisation nécessite un nettoyage et un refroidissement. Le rendement pour la puissance de sortie à petite échelle peut varier de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts et pour la production de chaleur, la puissance peut être de plusieurs mégawatts. L'efficacité du système varie considérablement sur le carburant, le type de réacteur et l'utilisation. Le gaz de gazogène est couramment utilisé pour des applications commerciales de cuisson.

La technologie de gazéification à petite échelle est relativement simple et pas cher et peut être fabriqué localement, mais des précautions doivent être prises pour s'assurer que les normes de sécurité sont maintenues comme le monoxyde de carbone, qui est produit lors de la combustion, est un gaz toxique. En Chine, un modèle de réacteur à courant descendant est en production depuis les années 1960 qui utilise des balles de riz comme matière première et des centaines de ces systèmes sont en cours d'utilisation. Ils ont également été installés au Mali, au Surinam et en Inde (Stassen, 1995). Pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque les approvisionnements de carburant étaient en nombre insuffisant, des millions de véhicules en Europe ont été adaptés pour fonctionner au gaz de producteur, et aujourd'hui dans des pays tels que le Brésil et les Philippines des gazogènes sont disponibles dans le commerce pour une variété d'applications.

Biocarburants liquides

Les biocarburants liquides, comme leur nom l'indique, sont des carburants issus de la biomasse et traitées pour produire un carburant liquide combustible. Il existe deux catégories principales:

carburants à l'alcool - il s'agit notamment de l'éthanol et des huiles végétales de méthanol - provenant de graines et de plantes, telles que le tournesol, de sésame, de lin et de colza.

L'Ethanol est le biocarburant liquide le plus largement utilisé. Il s'agit d'un alcool fermenté à partir de sucres, d'amidons ou de biomasse cellulosique. La production la plus commerciale de l'éthanol est tirée de la canne à sucre ou de la betterave à sucre, des amidons et de la biomasse cellulosique et nécessitent généralement un prétraitement coûteux. Il est utilisé comme une source de carburant d'énergie renouvelable tout en étant utilisé pour la fabrication de cosmétiques, de produits pharmaceutiques, ainsi que pour la production de boissons alcoolisées.

The substitution of ethanol for gasoline in passenger cars and light vehicles in Brazil is one of the largest biomass-to-energy programmes in existence today. Engines that run strictly on gasoline are no longer available in the country, having been replaced by neatethanol engines and by gasohol engines that burn a mixture of 78 per cent gasoline and 22 per cent ethanol by volume.Technological advances, including more efficient production and processing of sugarcane, are responsible for the availability and low price of ethanol. The transition to ethanol fuel has reduced Brazil's dependence on foreign oil (thus lowering its importexport ratio), created significant employment opportunities and greatly enhanced urban air quality. In addition, because sugarcane-derived ethanol is a renewable resource (the cane is replanted at the same rate it is harvested), the combustion of ethanol adds virtually no net carbon dioxide to the atmosphere and so helps reduce the threat of global warming.

Source: Goldemberg et al, Renewable Energy, Sources for Fuels and Electricity, 1993

Methanol is produced by a process of chemical conversion. It can be produced from any biomass with a moisture content of less than 60%; potential feedstocks include forest and agricultural residues, wood and various energy crops. As with ethanol it can either be blended with gasoline to improve the octane rating of the fuel or used in its neat form. Both ethanol and methanol are often preferred fuels for racing cars.

Vegetable oils

A further method of extracting energy from biomass is the production of vegetable oils as a fuel known as biodiesel. The process of oil extraction is carried out the same way as for extraction of edible oil from plants. There are many crops grown in rural areas of the developing world which are suitable for oil production - sunflower, coconut, cotton seed, palm, rapeseed, soy bean, peanut, hemp and more. Sunflower oil, for example, has an energy content about 85% that of diesel fuel.

There are two well-established technologies for oil extraction:

The simple screw press, which is a device for physically extracting the oil from the plant - this technology is well suited to small-scale production of oil as fuel or as foodstuff in rural areas. The press can be motorised or hand-operated. Solvent extraction is a chemical process which requires large, sophisticated equipment. This method is more efficient - that is, it extracts a greater percentage of the oil from the plant - but is less suited to rural applications.

The oil, as well as being used for lighting and heating, can be used as a fuel in internal combustion engines.

Biodiesel production is not complex and can be done on a small scale. The vegetable oil is converted to a useable fuel by adding ethanol or methanol alcohol along with a catalyst to improve the reaction. Small amounts of potassium hydroxide or sodium hydroxide (commonly called lye or caustic soda, which is used in soapmaking) are used as the catalyst material. Glycerine separates out as the reaction takes place and sinks to the bottom of the container. This removes the component that gums up the engine so that a standard diesel engine can be used. The glycerine can be used as a degreasing soap or refined to make other products.

Other issues

Present status

Small-scale biogas production in rural areas is now a well-established technology, particularly in countries such as China and India. At the end of 1993, about five and a quarter million farmer households had biogas digesters, with an annual production of approximately 1.2 billion cubic metres of methane, as well as 3500 kW installed capacity of biogas fuelled electricity plant.

In India, there has been widespread development and dissemination of gasification technology to meet a variety of rural energy needs - for example, irrigation pumping and village electrification.

Ethanol production programmes have been initiated in several developing countries. The success of the Brazilian programme is mentioned earlier in this technical brief while in Zimbabwe for example, an annual production of about 40 million litres has been possible since 1983, using locally manufactured equipment.

Biomass energy and the environment

There are two areas of environmental concern when considering using biomass as a form of energy. Firstly, there is the issue of land degradation and deforestation. This concern can be addressed by proper management of sustainable energy crops. Although much of the biomass requirement for energy production can be met through utilising residues from the food industry, from agriculture or from commercial activity, careful planning of energy cropping is required to prevent undue stress on the environment.

With the recent global call to reduce carbon dioxide emissions, there is a strong case for promoting the use of sustainable biomass-to-energy technologies worldwide. Using modern technology, enormous reductions can be made in carbon dioxide emissions, particularly if liquid biofuels are used to replace their fossil-based equivalents. In fact, if biomass energy production is done on a sustainable basis, there is little net carbon dioxide addition to the environment.

There are other environmental concerns related to each fuel that need to be kept in mind, such as toxic emissions and production of tars and soots.

Local manufacture and involvement

Many biomass conversion technologies for rural applications are easily manufactured by local artisans or by small and medium sized engineering workshops. In Zimbabwe, locally made equipment for large scale ethanol production has led to the lowest capital cost per litre for any ethanol plant in the world.

In China and India biogas plants are produced in great numbers by local artisans. In Kenya, where biogas technology is still in its early stages of dissemination, local manufacturers have been quick to realise the potential and get involved with the production of biogas plants.

Dissemination

Kenya relies on imported petroleum to meet 75% of its commercial energy needs. In 1980, in an effort to reduce this high level of dependence on an externally controlled fuel source, the Kenyan government set up the Special Energy Programme (SEP). One aspect of the programme was the introduction and dissemination of biogas plant technology. After a poor start working with educational institutions, the programme turned to local artisans and commercial outlets working in the private sector. Hands-on training was given to masons and plumbers and private traders were encouraged to manufacture and stock appliances such as cookers and lights. By 1995, the number of plants installed in Kenya was estimated to be 880.

References and resources

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Kristoferson L. A., and Bokalders V., Renewable Energy Technologies - their application in developing countries. ITDG Publishing, 1991.

Johansen, T.B. et al, Renewable Energy Sources for Fuels and Electricity. Island Press, Washington D.C., 1993.

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Gitonga, Stephen, Biogas Promotion in Kenya. Intermediate Technology Kenya, 1997.

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Anderson, T., Doig, A., Rees, D. and Khennas, S., Rural Energy Services: A handbook for sustainable energy development. ITDG Publishing, 1999.

Tickell, J., Teickell, K., From the Fryer to the Fuel Tank: The Complete Guide to Using Vegetable Oil as an Alternative Fuel, Greenteach Publishing, 1999.

Pahl, Greg, Biodiesel: Growing a New Energy Economy. Chelsea Green Publishing, 2004 http://www.chelseagreen.com/2004/items/biodiesel.

This Howtopedia entry was derived from the Practical Action Technical Brief Biogas and Liquid Biofuels - Technical Brief.
To look at the original document follow this link: http://practicalaction.org/?id=energy

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