Production d'hydrogène issu de gazéification de biomasse : modélisation, analyse technico-économique et environnementale de solutions innovantes

Hydrogen Production from Biomass Gasification : Modeling, Techno-economical and Environmental Assessment of Innovative Solutions

• Auteur / Autrice : Rémi Demol
• Direction : Guillain Mauviel, Yann Rogaume
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Diane Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillain Mauviel, Yann Rogaume, Claire Courson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Diane Thomas, Claire Courson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse du cycle de vie

Génération d'hydrogène

Économétrie

Biomasse -- Gazéification

Mots clés libres

Biomasse

Analyse techno-économique

Hydrogène

Modélisation

Analyse de cycle de vie

Biomass

Techno-Economical assessment

Hydrogen

Modeling

Life cycle assessment

Résumé

La minimisation des impacts causés par le changement climatique impose de substituer des énergies fossiles par des énergies faiblement émettrices de CO₂. L’hydrogène est vu comme un vecteur énergétique permettant de décarboner une partie de l’industrie et des usages de transport et de mobilité. Pourtant, l’hydrogène est produit aujourd’hui quasi-exclusivement à partir d’énergies fossiles pour des usages industriels.Ces travaux s’intéressent à la production d’hydrogène à partir d’une ressource renouvelable, les plaquettes de bois produits secondaires de l’industrie forestière. Compte tenu de la nature du combustible utilisé, des petites unités de valorisation sont envisagées (zone d’approvisionnement limitée, transport de la ressource à courte distance). Les procédés de pyrogazéification permettent la transformation de cette ressource en un gaz de synthèse (CO, H₂, CH₄, CO₂) sous l’effet d’un apport de chaleur (pyrolyse) ou d’un agent oxydant (gazéification) constitué d’oxygène et de vapeur d’eau.Pour juger de la pertinence de ces procédés de pyrogazéification, ils sont étudiés et modélisés avec Aspen Plus. Une attention particulière est apportée à la chaîne de traitement du gaz de synthèse produit. Ce syngaz contient des goudrons qu’il convient de réduire pour l’utilisation ultime du gaz. Dans ce but, une unité d’oxydation partielle est envisagée et modélisée à partir de mécanismes de cinétique radicalaire. Le gaz épuré peut alors être enrichi en H₂ avec des réacteurs de Reformage Catalytique et de Water Gas Shift. La séparation de l’hydrogène produit est une autre étape cruciale et les technologies classiques ne sont pas toujours adaptées au gaz produit. Quand une seule technologie n’est pas à même de réaliser la séparation, un procédé hybride combinant des technologies membranaire et d’adsorption est adopté. La chaleur produite par le procédé est valorisée dans un réseau de chaleur. Afin de juger de la pertinence de ces options, tant d’un point de vue financier que du développement durable, une analyse technico-économique est réalisée ainsi qu’une analyse de cycle de vie. Ces procédés offrent clairement une alternative vertueuse pour la production de différents vecteurs : hydrogène, chaleur, voire biochar. Mais dans les conditions actuelles de marché, ces filières ne sont pas en mesure d’atteindre l’équilibre financier sans un soutien public.

Minimizing the impacts caused by climate change imply the replacement of fossil fuels low greenhouse gas emitting energies. The hydrogen energy vector is forecasted to contribute to decarbonizing a part of industry and the uses of transport and mobility. Yet hydrogen is produced nowadays almost exclusively from fossil fuels and is dedicated to industrial applications.This work focuses on the production of hydrogen from a renewable resource, wood chips a by-product of the forest industry. Due to the nature of the fuel considered, small plant units are chosen (a limited supply area, short-distance transport of the resource). Pyrogasification processes transform this combustible into a synthesis gas (CO, H₂, CH₄, CO₂) under the effect of heat input (pyrolysis) or an oxidizing agent (gasification) consisting of oxygen and water vapor.To evaluate the relevance of these pyrogasification processes, they are studied and modeled with Aspen Plus®. Particular attention is put on the synthesis gas cleaning process. This syngas contains tars which should be reduced for the ultimate use of the gas. For this purpose, a partial oxidation unit is envisaged and modeled from a detailed radical kinetic mechanism. The purified gas can then be enriched in H₂ with Catalytic Reforming and Water Gas Shift reactors. The separation of the hydrogen produced is another crucial step and conventional technologies are not always suited to the gas produced. When a single technology cannot achieve the separation, a hybrid process combining membrane and adsorption technologies is adopted. The heat produced by the process is recovered in a heating network.In order to evaluate the relevance of these options, both from a financial and sustainable development point of view, a techno-economic analysis is carried out as well as a life cycle analysis. These processes clearly offer a virtuous alternative for the production of different vectors: hydrogen, heat and even bio-char. But under current market conditions, these industries are unable to reach financial equilibrium without public support.