Conception et évaluation d’un procédé de liquéfaction hydrothermale en vue de la valorisation énergétique de résidus agroalimentaires

Design and evaluation of a hydrothermal liquefaction process for the energy recovery of agro-food residues

• Auteur / Autrice : Morgane Briand
• Direction : Pascal Fongarland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 03/02/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques (CPE)
• Jury : Président / Présidente : Mélaz Tayakout
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Fongarland, Frédéric Marias, Stéphane Bostyn, Christine Chirat, Geert Haarlemmer, Elsa Weiss-Hortala, Anne Roubaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Marias, Stéphane Bostyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur de formation

Liquéfaction

Biomasse -- Conversion

Déchets agricoles -- Recyclage

Mots clés libres

Liquéfaction hydrothermale

Résidus agroalimentaires

Modélisation

Pilote continu

Enthalpie de réaction

Évaluation technico économique

Hydrothermal liquefaction

Food industrial residues

Model

Continuous pilot

Enthalpy of reaction

Technico-economic evaluation

Résumé

L’urgence climatique impose aujourd’hui de développer de nouveaux vecteurs énergétiques, à partir de ressources renouvelables et neutre en carbone. Les résidus agroalimentaires constituent une source de biomasse stable dans le temps. Cependant, en raison de leur humidité importante, ils sont souvent valorisés en produit à faible valeur ajoutée. On s’est ici intéressé à la production d’un carburant, à partir de résidus agroalimentaires par le procédé de liquéfaction hydrothermale. Cette technologie permet la conversion de la biomasse sous l’effet de la température [250 °C – 350 °C] dans une eau pressurisée et gardée liquide. Bien que le procédé soit connu, son développement est freiné par manque d’applications commerciales en raison de la compétitivité des ressources pétrolières, des difficultés technologiques et scientifiques. Peu de pilotes continus existent et les principaux résultats proviennent d’études principalement réalisées en batch. Ce travail étudie le potentiel du passage à l’échelle du procédé de liquéfaction hydrothermale pour la valorisation énergétique de résidus agroalimentaires. Les essais ont été réalisés sur des drêches de cassis (DC) et des drêches de brasserie (DB). Une première étude réalisée sur un pilote batch a permis de mettre en évidence le potentiel des résidus agroalimentaires pour la production de biocrude, mélange d’une fraction solide appelée biochar et une fraction légère la biohuile dont les rendements dépendent des conditions opératoires. On peut ainsi espérer jusqu’à 33 % de biohuile à partir des DC (300 °C) et 24 % à partir des DB (315 °C) pour 15 minutes de temps de palier. Les biocrudes obtenus présentent un pouvoir calorifique proche de 33 MJ/kg et des concentrations en hétéroatomes et biochar élevées. Des étapes de raffinage sont à envisager avant toute valorisation sous forme de carburant. Sur la base de ces résultats, Un modèle prédictif a été construit comme un ensemble de réactions en parallèle et en série, aux cinétiques différentes. Le modèle permet de prédire environ 70 % des résultats expérimentaux dans un intervalle de confiance de 10 % à partir de la composition des biomasses, de la température et du temps de réaction. L’analyse statistique menée sur les coefficients ainsi que la comparaison avec la littérature a permis d’identifier certains chemins réactionnels à retravailler. Des méthodes inspirées des travaux menées de carbonisation hydrothermale ont été développées et ont permis d’observer que la liquéfaction des résidus agroalimentaires était exothermique, avec des enthalpies de réaction estimées entre -3,0 et -1,2 MJ/kg pour les DC et -1,97 et -0,9 MJ/kg pour les DB. Les difficultés techniques ont conduit à adapter le pilote de liquéfaction continu, cependant des essais longue durée ont pu valider le calcul des enthalpies de réaction obtenues sur le batch, validant à l’échelle du pilote la possibilité de réaliser des économies d’énergie. En comparaison avec les rendements obtenus sur le batch, le passage en continu évite la formation de biochar au profit d’une solubilisation accrue de la matière, et de la production de gaz. Enfin, les données expérimentales ont été intégrées dans un outil de simulation (PROSIMPLUS®) et ont servi de base à une évaluation technico économique permettant d’estimer le prix minimum de vente du biocrude. Selon les hypothèses économiques retenues, les prix de vente sont respectivement de 2,28 et 2,97 €/L pour les biocrudes issus des DC et des DB. Ces prix restent élevés en comparaison avec celui du pétrole. La sensibilité de ces prix a été estimée en fonction de la taille de l’installation, du coût initial investi, des rendements en biocrude ainsi que du coût de traitement des résidus (gate fee). Il doit cependant être possible de diminuer le coût du biocrude en considérant des tailles d’installation plus grande.

Face to climatic emergency, new carbon-neutral and renewable ways to produce energy have to be developed. Biomass appears as a promising alternative to produce an energetic carrier to meet the challenges of a sustainable development. Food industrial waste is a stable source of biomass in time. However, it is often valorised through low-cost applications due to their high-water content. This work investigates the production of a biofuel from this waste through the hydrothermal liquefaction process. This technology allows the conversion of biomass under temperature [250 °C – 350 °C] in a liquid medium, kept under pressure. Despite the fact hydrothermal liquefaction is known for a while, the lack of commercial outlet, due to petroleum fuels competitiveness, technological and scientific issues have slowed down its development. Few continuous plants exist and most of studies have been conducted in batch reactors. This work aims to assess the potential of the scaling up of hydrothermal liquefaction for energetic valorisation of food industrial residues. Experiments have been carried out on blackcurrant pomace (BCP) and brewers’ spent grains (BSG). First, batch experiments have shown the respective potential of these residues for biofuel production. Biocrude obtained is a mix of a heavy solid fraction called biochar and a lighter phase, the biooil. Their respective yields depends on processing conditions. About 33 % and 24 % of boioil can be expected for respectively BCP (300 °C) and BSG (315 °C), with 15 minutes reaction time. Biocrudes present a higher heating value close to 33 MJ/kg, but also high concentrations of heteroatoms and biochar. Upgrading steps are then necessary before valorisation in liquid biofuel. Based on these observations, a predictive model has been developed as a sum of parallel and serial reactions, with different kinetics. Almost 70 % of the experimental results have been predicted in a 10 % confidence interval from the composition of biomasses, temperature and reaction time. Confrontation with literature and statistical analysis reveal that some additional work is needed to improve and clarify some reactional pathways. Inspired from works on hydrothermal carbonisation, methods have been developed to estimate the enthalpy of reaction. Results show that hydrothermal liquefaction of food industrial residues is overall exothermal. Enthalpies have been estimated between -3,0 et -1,2 MJ/kg for BCP and between -1,97 et -0,9 MJ/kg for BSG. Although technical changes are still necessary, pilot has been adapted to ensure long time runs. These experiments have validated the calculation of the enthalpy of reaction obtained from the batch reactor. However, results from continuous experiments indicate that less biochar is formed for more gaseous and aqueous products. All the energy and mass balances established from experimental work have been integrated in simulation flowsheet in PROSIMPLUS®. A technico-economic evaluation based on this simulation returns a minimum selling price for biocrude. With economic assumptions, minimum prices calculated are 2,28 et 2,97 €/L for biocrude from BCP and BSG. Prices are still high in comparison with crude. The impact of variations of the installation capacity, initial capital cost, biocrude yields and gate fee has been estimated on final biocrude price. By considering higher capacities, it seems possible to reduce significantly biocrude selling price.