Une conversion hydrothermale, ou procédé hydrothermal (, HTP), est un procédé industriel de nature physico-chimique qui consiste à transformer, grâce à une pyrolyse hydraulique, de la biomasse en matériaux combustibles, en particulier des biocarburants.
Les matériaux combustibles issus de cette transformation sont produits sous forme solide (biochars), liquide (huile pyrolytique) et gazeuse (gaz de synthèse) selon la température et la pression exercées sur la biomasse au cours du processus. L'obtention de biochars est réalisée par carbonisation hydrothermale, celle d'huile pyrolique par liquéfaction hydrothermale et celle du gaz de synthèse par gazéification hydrothermale..
Tableau de synthèse vignette|upright=1.2|Schéma indiquant les effets de la vitesse de réaction lors d'une conversion hydrothermale. vignette|upright=1.2|Schéma indiquant les effets de la température lors d'une conversion hydrothermale. Les trois types de conversion hydrothermale selon les pressions et températures exercées : Carbonisation hydrothermale (HTC) Liquéfaction hydrothermale (HTL) Gazéification hydrothermale (HTG) Pression Température >
Histoire vignette|upright=0.7|Rudolf Bergius. Dans les années 1880 à 1900, la à haute température et sous pression de matières organiques dans de l'eau attire l'attention de chimistes. Cette méthode de de molécules et de tissus organiques permet en effet de synthétiser des molécules et polymères intéressants pour la chimie et au profit de la production de combustibles liquides et, ou gazeuxMumme J, Eckervogt L, Pielert J, Diakité M, Rupp F, Kern J.(2011) Hydrothermal carbonization of anaerobically digested maize silage. Bioresour Technol ; 102:9255–60.Bobleter O. (1994) Hydrothermal degradation of polymers derived from plants. Prog Polym Sci ; 19:797–841..
En 1913, Friedrich Karl Rudolf Bergius, chimiste allemand qui recevra le prix Nobel de chimie en 1931 avec Carl Bosch, imagine un procédé pour transformer le bois en charbon. Il n'y parvient pas, mais il développera ainsi la .
Dans les années 1920, un protocole expérimental qui met en jeu de la biomasse associée à de l'eau chaude et des catalyseurs alcalins afin produire de l'huile est introduit.. En 1939, le brevet américain décrit un procédé réalisé en deux étapes. La première étape consiste à porter à des températures comprises entre et à soumettre à une pression un soluté composé d'eau, de copeaux de bois et d'hydroxyde de calcium.. Cette première phase permet de produire des , lesquels sont ensuite séparés puis recueillis. Dans la seconde étape, le soluté fait l'objet d'une , processus qui permet d'obtenir des , produits également séparés puis collectés. Les paramètres de contraintes thermodynamiques de cette seconde phase n'ont pas été communiqués dans l'énoncé du brevet..
Ces procédés ont été à la base des techniques de liquéfaction hydrothermale ultérieures ayant suscité l'intérêt de la recherche scientifique, en particulier pendant l'embargo pétrolier des années 1970.. C'est à cette époque qu'un procédé de liquéfaction à haute pression hydrothermale est développé au Pittsburgh Energy Research Center (PERC) et plus tard produit, à hauteur de , au centre expérimental de liquéfaction hydrothermale de biomasse d'Albany, dans l'Oregon, États-Unis. et qu'une nouvelle technique, brevetée, est appliquée au HTL afin d'en accélérer sa vitesse de réaction.. Cette variante du procédé de liquéfaction hydrothermale classique est dite ou . Concomitamment, en 1982, aux Pays-Bas, Shell Oil développe de son côté le procédé « HTU ».
À partir de la fin du , la recherche s'intéresse à nouveau au procédé de carbonisation hydrothermale et aux produits solides (hydrochar) obtenus, lesquels peuvent trouver diverses applications à valeur ajoutée dans les domaines de l'environnement, de la santé et de l'industrieFunke A & Ziegler F (2010) Hydrothermal carbonization of biomass: a summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4(2), 160-177..
Au , en Europe, les Pays-Bas se dotent d'un programme production de gaz renouvelables par procédé de gazéification hydrothermale avec la construction d'un premier prototype de convertisseur d'une puissance de , conçu par la firme SCW Systems en 2022, et qui permet le traitement de d'intrant ; ce programme néerlandais ayant pour objectif de parvenir à produire , couvrant 57 % de la consommation totale de gaz renouvelables du pays, à l'horizon 2030.. En parallèle, trois autres pays européens se lancent dans des programmes de création de filière de gazéification hydrothermale : la Suisse, qui a mis en œuvre à l'Institut Paul Scherrer un démonstrateur capable de traiter de biomasse, l'Espagne et la France. Dans ce dernier pays, le premier démonstrateur, ayant coûté , est mis en œuvre à Saint-Nazaire avec une mise en service fixée pour 2024/2025. Une production annuelle d' est initialement programmée à partir de 2030 .., mais le livre blanc publié par la suite affiche des objectifs plus ambitieux avec en 2030 et à l'horizon 2050..
Le potentiel estimé de traitement par gazéification hydrothermale en France à l'horizon 2050 est de de tonnes d’effluents liquides sur les produits annuellement dans le pays, qui produiraient à cette date entre d'énergie, la consommation totale prévue étant alors comprise selon les scénarios entre . Dans ce cadre, GRTgaz crée en , lors du salon Bio360 de Nantes, le Groupe de Travail national Gazéification Hydrothermale (GTGH) associant une cinquantaine d'entreprises, principalement des secteurs du bâtiment, de l'énergie et de l'agro-alimentaire, afin de proposer des solutions techniques permettant une mise en œuvre efficace du procédé...
Dans le contexte de l'invasion russe de l'Ukraine, plusieurs entreprises s'investissent dans la filière de production de gaz renouvelables par conversion HTG afin de devenir moins dépendantes du gaz russe..
Carbonisation hydrothermale vignette|Nanobilles de carbone issu de de carbonisation hydrothermale de glucose (images produite par l'université de Tartu, Estonie). La carbonisation hydrothermale (carbonisation aqueuse à température et pression élevées ; en anglais, hydrothermal carbonization ou HTC) permet de transformer de la biomasse (déchet ou non) en un produit dit « biocharbon » (ou plus précisément ou ) via un processus thermochimique entretenu dans des conditions anoxiques (sans contact avec l'air, grâce à l'eau utilisée comme milieu de réaction). Ce processus imite techniquement et en quelques heures la formation de charbon brun (« coalification ») qui dans la nature se déroule sur à d'années.
Ce biocharbon est présenté comme neutre en carbone. Il peut servir de combustible et être produit par une bioraffinerieHitzl, M.; Corma, A.; Pomares, F.; Renz, M. The hydrothermal carbonization (HTC) plant as a decentral biorefinery for wet biomass. Catal. Today 2015, 257, 154–159.. Comme pour le biochar issu de pyrolyse sèche, certains espèrent pouvoir produire un hydrochar aux vertus proches de la terra preta amazonienneKambo H.S & Dutta A (2015) A comparative review of biochar and hydrochar in terms of production, physico-chemical properties and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 359-378 (PDF, 20 p.).. Il peut aussi être utilisé pour produire divers types de carbones nanostructurés, un substitut au charbon brun, du gaz de synthèse, des précurseurs de carburants.
Selon la littérature scientifique et technique disponible en 2015 sur le sujet, l'hydrochar diffère nettement du biochar (obtenu lui par pyrolyse lente en voie sèche), et lui semble en plusieurs points supérieur. Outre sa neutralité carbone, il contiendrait notamment un peu moins de métaux alcalins et alcalino-terreux et de métaux lourds, et il chaufferait plus que le biochar dans de mêmes conditions.
Une hypothèse encore à confirmer pour le moyen et long terme est qu'il pourrait aussi contribuer (comme amendement) à restaurer la teneur en matière organique et en humus des sols, et à améliorer la capacité de rétention de l'eau de sols sableuxAbel S, Peters A, Trinks S, Schonsky H, Facklam M & Wessolek G (2013). Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil. Geoderma, 202, 183-191.. Certains y voient aussi un moyen de (re)(re)stocker du carbone dans le sol ou d'en (re)faire un puits de carboneGeorge, C., Wagner, M., Kücke, M., & Rillig, M. C. (2012). Divergent consequences of hydrochar in the plant–soil system: arbuscular mycorrhiza, nodulation, plant growth and soil aggregation effects. Applied soil ecology, 59, 68-72., tout en valorisant des déchets organiques et fournissant une énergie verte (non fossile).
Vocabulaire, acronymes Ce procédé est parfois aussi dénommé carbonisation hydrothermique, pyrolyse humide (wet pyrolysis), ou torréfaction humide (wet torrefaction)Michela Lucian & Luca Fiori (2017) "Hydrothermal Carbonization of Waste Biomass : Process Design, Modeling, Energy Efficiency and Cost Analysis"| Energies 2017, 10(2), 211; doi:10.3390/en10020211 | Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering | Academic Editor: Witold Kwapinski |publié 13 février 2017.. L'acronyme HTC est également souvent utilisé (pour Hydrothermal carbonization).
Procédé À une température élevée (entre 180 et 260 °C) et en autoclave sous pression (10 à 50 bar ; ), durant un temps qui varie de 5 min à selon les produits, la température et la pression, la biomasse perd spontanément son eau et se transforme en biocharbon via un procédé exothermique qui va s'auto-entretenir une fois initié (grâce à deux catalyseurs : l’acide citrique et un sel de fer).
La qualité et les propriétés du charbon obtenu varient selon la nature des matériaux introduits dans le réacteurs, mais aussi selon la température, la pression et le temps de chauffageSun, Y., Gao, B., Yao, Y., Fang, J., Zhang, M., Zhou, Y., ... & Yang, L. (2014). Effects of feedstock type, production method, and pyrolysis temperature on biochar and hydrochar properties. Chemical Engineering Journal, 240, 574-578..
Formule Soit une température produite entre , une pression allant de et une durée de décomposition variant entre , le processus de carbonisation hydrothermale du glucose est décrit par la formule suivante. :
Retours d'expérience Le prototype industriel d’AVA-CO2 de Karlsruhe comprend une cuve de mixage de 5 m de haut ou la matière est préchauffée à environ 150 °C, un réacteur thermiquement isolé (, 220 °C, 22 bars de pression) et un réservoir tampon dit “Outlet buffer tank” qui stocke l'énergie excédentaire et le produit final. Le système peut fonctionner en continu. Toutes les cuves sont sous pression et reliées entre elles. Deux produits finaux en sortent : un charbon obtenu après de chauffage, présenté comme neutre en carbone, stable et à forte densité d'énergie, facile à stocker et transporter ; et/ou un produit de type biochar, issu de de chauffage, utilisable comme amendement des sols agricoles.
Une autre expérience faite sur le marc de raisin (à 65 % de teneur en humidité) à des conditions de processus optimisées ( à 220 °C) l'énergie thermique et la consommation d'énergie étaient respectivement de et par tonne d'hydrochar produites, soit une efficacité de 78 % pour l'usine ; dans ce cas l'analyse technico-économique des coûts d'investissement et des coûts de production a conclu à un seuil de rentabilité respectivement de et ; des chiffres qui semblent indiquer que l'hydrochar est potentiellement un biocarburant compétitif, et qui plus est neutre en CO2.
L'hydrochar ainsi produit a capturé 100 % du carbone et peut être réduit en poudre, en pellet et utilisé comme biocarburant et, ou amendement du sol (similaire au biochar) et d'autres études sur la production économique des nanomatériaux.
Inconvénients