Association d'un procédé de gazéification avec une pile à combustion haute température (SOFC) pour la production d'électricité à partir de biomasse

Combination of a gasification process with a high temperature fuel cell (SOFC) for convert biomass into electricity

• Auteur / Autrice : François Ricoul
• Direction : Annie Le Gal La Salle, Albert Subrenat, Olivier Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/10/2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Guy Ouvrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Antoine, Frédéric Bourgois, Anthony Kerihuel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Bassat, Jean-Louis Fanlo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz de synthèse

Piles à combustible à oxyde solide

Cogénération de chaleur et d'électricité

Biomasse -- Gazéification

Mots clés libres

Bauxaline

Résumé

La pile SOFC, qui fonctionne entre 700 et 800°C, est appropriée pour valoriser du gaz issu de la gazéification de la biomasse en électricité. Son haut rendement électrique (50 à 60% ) permettrait de doubler celui des installations de cogénération par gazéification actuelles. Cette thèse, sous contrat Cifre entre la société S3D, l’Institut des Matériaux de Nantes et l’Ecole des Mines de Nantes, est associée au projet ValorPac, soutenu par l’ADEME et regroupant différents partenaires (IMN, Fiaxell, S3D et SAS Syngas). L’objectif est de prouver expérimentalement la faisabilité du couplage entre SOFC et gazéification de la biomasse. Les travaux ont abouti à la construction d’une unité pilo te de gazéification selon un concept breveté. Les tests ont validé le fonctionnement avec 7 kg.h - 1 de plaquettes de bois et 10 kg.h - 1 de granulés de bois. Une composition moyenne de 14% de CO, 15% d’H 2 , 20% de CO 2 , 1% de CH 4 et 49% de N 2 , a été obtenue. En parallèle le fonctionnement des cellules SOFC avec des gaz similaires à ceux de la gazéification de la biomasse a été validé. Les résultats ont montré que dans certaines conditions quelques ppmv d’H 2 S suffisent à dégrader de 20% les performances alors qu’ une teneur de 100 ppmv d’HCl n’affecte pas les réactions électrochimiques. Les travaux ont aussi validé l’utilisation de la Bauxaline® pour éliminer l’H 2 S à haute température. Il s’agit d’un coproduit industriel issu de l’extraction de l’alumine et contena nt 50% d’ oxydes de fer. Il a permis de réduire une teneur en H 2 S de 200 ppmv à moins de 8 ppmv pendant plusieurs heures. A 400°C et pour une percée de 1 ppmv la capacité de traitement a été estimée à 70 gS.kg - 1 .

The SOFC, which operates between 700 and 800°C, is appropriate to convert the gas from biomass gasification into electricity. Its high electrical yield (50 - 60%) could double those of current CHP plants using gasification process. The objective of our work is to prove experimentally the feasibility of coupling SOFC and biomass gasification. This thesis is associated with ValorPac project in partnership with Institut des Matériaux of Nantes, S3D Company, Ecole des Mines of Nantes, Fiaxell and SAS Syngas compa nies and supported by ARNT and ADEME. During our work, a gasification pilot plant was built according to a patented concept. Its operation with 7 kg.h - 1 of wood chips and 10 kg.h - 1 of wood pellets was tested successfully. An average composition of 14% CO, 15% H 2 , 20% CO 2 , 1% CH 4 and 49% N 2 , was obtained. In parallel, operation of SOFC cells with gases similar to those of biomass gasification has been proved. Results showed that some ppmv of H 2 S lead to a 20% decrease of cell's power while 100 ppmv of HCl doesn’t affect the electrochemical reactions. Our work confirmed the use of Bauxaline® to eliminate H 2 S at high temperature. This material is an industrial byproduct derived from alu mina extraction which contains 50% of iron oxides. A content of 200 ppmv H 2 S can be reduced to 8 ppmv for several hours. Treatment capacity was estimated at 70 gS.kg - 1 with a breakthrough of 1 ppmv and an operating temperature of 400°C