vignette|La centrale de Güssing, Burgenland (frontière austro-hongroise) convertit des copeaux de bois en syngaz pour les besoins de l'agglomération« Le bois, un agent énergétique multiforme », sur waldwissen.net..
La gazéification est un processus à la frontière entre la pyrolyse et la combustion. Celui-ci permet de convertir des matières carbonées ou organiques en un gaz de synthèse combustible (souvent appelé « » ou « »), composé majoritairement de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2), contrairement à la combustion dont les produits majoritaires sont le dioxyde de carbone () et l'eau (H2O).
Principes
Par réaction thermochimique à des températures élevées et avec un déficit en oxygène (ou en injectant une quantité contrôlée d'oxygène/ou de la vapeur) à haute température (), la matière carbonée est pyrolysée. L'énergie apportée par la combustion des produits de pyrolyse permet ensuite la gazéification et/ou la réaction des gaz de combustions avec la matière carbonée. L'équilibre entre la pyrolyse et la combustion reste délicat et le gaz obtenu par gazéification contient, comme pour tous dispositifs de combustion, de nombreux composés indésirables tels que des oxydes d'azote (NOx), du sulfure d'hydrogène (H2S) et des goudrons à cycle benzénique. Des procédés de purification sont ainsi nécessaires pour utiliser le gaz dans un autre dispositif.
Le charbon est généralement utilisé, bien que le gaz naturel, les résidus du pétrole, la biomasse, les déchets ménagers ou les boues d'épuration puissent aussi servir de matières premières. L'énergie issue de la combustion du syngas est considérée comme renouvelable lorsque de la biomasse est utilisée avec un bilan en carbone neutre. En outre, la gazéification est une méthode réputée plus efficace que l'incinération pour la production d'électricité car elle permet d'alimenter des turbines à gaz, voire des piles à combustible. Le syngas peut aussi servir à produire du méthanol, de l'hydrogène, ou des carburants de synthèse via le procédé Fischer-Tropsch. En outre, la température d’utilisation du réacteur, supérieure à la température de fusion des cendres d'environ ), est favorable à la purification ou au raffinage du gaz obtenu, en éliminant les cendres et le chlorure de potassium.
À la différence des processus biologiques comme la digestion anaérobie, qui produisent du méthane ou du biogaz, la gazéification permet un meilleur contrôle des réactions chimiques et un temps de séjour du produit plus court (entre 1 seconde et 3 heures pour les procédés en lit fixe). Cependant, le terme syngaz est bien moins précis, sur un plan qualitatif que les termes de biogaz, gaz naturel, butane ou propane, qui sont les autres grandes catégories de gaz combustibles. En effet, le syngaz désigne le procédé dont il est dérivé, c'est-à-dire la gazéification, mais ne donne pas d'indication qualitative précise sur sa composition, ni sur son pouvoir calorifique. Le syngaz peut en effet être très riche en CH4, et contenir beaucoup de gaz inertes tels que le CO2 ou le N2, mais peut aussi être un concentré quasi exclusif d'H2 et de CO. Selon les compositions de Syngaz, on peut avoir des différences considérables de pouvoir calorifique inférieur, qui peuvent aller de moins de jusqu'à plus de .
Chimie Dans un réacteur de gazéification, la matière carbonée traverse plusieurs étapes : la pyrolyse (ou volatilisation) se produit par agitation thermique des molécules carbonées. Des particules volatiles sont libérées et il se forme un gaz et une matrice solide appelée char. En fonction des conditions d'utilisation du procédé le gaz peut condenser pour former un liquide nommé ; la combustion permet d'obtenir les hautes températures nécessaires dans le réacteur pour la pyrolyse et le séchage du produit à traiter. Cette combustion dégage d'ailleurs de la chaleur utilisable pour la phase ultérieure de gazéification. Si l'on désigne par la lettre C le carbone apporté par un composé organique, la réaction de base est ici : ; la gazéification proprement dite est le vaporeformage, réaction de l'hydrocarbure avec la vapeur d'eau ambiants, réaction qui dégage du monoxyde de carbone et du dihydrogène : ; en outre, la vapeur d'eau se recombine inévitablement avec le monoxyde de carbone selon une réaction réversible appelée réaction du gaz à l'eau. Aux températures qui règnent dans un réacteur, cette réaction tend à équilibrer rapidement les concentrations en monoxyde de carbone, vapeur d'eau, dioxyde de carbone et hydrogène : .
En principe, il n'est nécessaire d'injecter qu'une quantité limitée d'oxygène ou d'air dans le réacteur : celle-ci permet la combustion d'une partie des matières premières introduites, combustion qui dégage suffisamment de monoxyde de carbone et de chaleur pour déclencher la gazéification tout en entretenant la combustion de ce qui reste de matière organique.
Histoire Du gaz manufacturé à l'essence synthétique
thumb|240px|Voiture allemande Adler Diplomat (1938) munie d'un gazogène. Le procédé de gazéification fut mis en œuvre dès le milieu du dans des usines à gaz pour produire les gaz manufacturés (qui prendront les appellations successives gaz hydrogène, gaz d'éclairage, gaz de ville, etc.). Dans les usines à gaz, le gaz est essentiellement produit par distillation (en fait une pyrolyse) de la houille dans des cornues (gaz de houille). D'autres gaz manufacturés sont produits par des procédés similaires, avec des succès variables à partir de bois (gaz de bois), de résines (gaz de résine), d'huiles (gaz d'huile), de schistes bitumineux (gaz portatif comprimé), des sous-produits de l'industrie pétrolière (gaz de pétrole, etc.) Les gaz manufacturés seront progressivement remplacés dans leurs applications d'éclairage, par l'électricité à partir de 1880, et dans leurs applications de chauffage, par le gaz naturel, à partir de la crise de 1929, plus largement à partir de la fin de Seconde Guerre mondiale. La première usine à gaz est fondée en 1812 à Londres. En France, la dernière usine à gaz, celle de Belfort, en Franche-Comté ferme en 1971.
Au début des années 1920, Eugène Houdry, en France, fabrique de l'essence synthétique à partir de lignite, mais son procédé, trop coûteux, sera abandonné en 1930. Simultanément, deux chimistes allemands, Fischer et Tropsch parviennent à liquéfier un gaz synthétique produit à partir du charbon. Friedrich Bergius met également au point un procédé consistant à faire réagir de l'hydrogène avec du charbon et des goudrons à une température de sous une pression de , en présence d'un catalyseur.
Au cours de la Seconde Guerre mondiale, en France, par suite de la pénurie d'essence en zone occupée, on eut à nouveau recours aux gazogènes pour faire fonctionner les véhiculesVoir, pour l'histoire du gazogène : Gas Generator Project.. Mais sur le plan industriel, ce sont les impératifs militaires allemands qui forcent à l'usage d'essence synthétique. De nombreuses usines en fabriquent, avec des rendements variables. Certaines sont situées dans les camps de concentration (la Pologne, après la guerre, conservera quelque temps un site expérimental à Auschwitz). La principale usine de production d'essence synthétique était située sur le site industriel de Blechhammer. À la suite de la défaite nazie, les données et les rapports techniques relatifs ont été récupérés par la Technical Oil MissionVoir T.O.M., sur fischer-tropsch.org. anglo-américaine. Mais après la découverte des champs pétrolifères d'Arabie Saoudite, on abandonna le procédé Fischer-Tropsch, car la voie synthétique ne représentait plus une alternative rentable vis-à-vis de la prospection.
Cependant, dans les années 1950, l'Afrique du Sud développa une large gamme d'hydrocarbures synthétiques. Elle y fut contrainte par deux facteurs : sa politique d'apartheid, qui causa un blocus des produits pétroliers, puis, bien plus tard, par l'arrêt des livraisons en provenance de l'Iran, seul fournisseur du pays, et ce jusqu'à la révolution qui renversa le régime du Shah.
Applications actuelles On utilise aujourd'hui surtout la gazéification à l'échelle industrielle pour produire de l'électricité à partir de combustibles fossiles tels que le charbon. La gazéification est également utilisée dans l'industrie sous la forme de cycles combinés à gazéification intégrée (CCIG), qui permettent, outre la génération d'électricité, de produire de l'ammoniac et des hydrocarbures, notamment du méthane et de l'hydrogène pour alimenter des piles à combustible. D'ailleurs, la technique du cycle combiné à gazéification intégrée est également plus efficace que les technologies conventionnelles pour séparer le . On disposait déjà au début des années 1970 d'installations expérimentales mettant en œuvre ce principe et certaines usines construites dans les années 1990 sont maintenant pleinement opérationnelles.
Ces dernières années, on a mis au point des techniques permettant la gazéification de déchets plastiques, une ressource particulièrement énergétique. Une usine en Allemagne permet la conversion massive de déchets plastiques en essence synthétique puis en méthanol..
On emploie beaucoup en Inde des mini-réacteurs à biomasse en contexte rural, en particulier dans l'État du Tamil Nadu (Inde du sud). La plupart de ces installations, gérées par les gram panchayats, alimentent à raison de 9 kW l'éclairage public et des pompes pour l'eau potable. Bien que techniquement viables, elles posent un certain nombre de problèmes de maintenance et de difficultés tant politiques que financières. La plupart ne fonctionnent plus au bout d'un à trois ans.
Les procédés de gazéification
Il existe à l'heure actuelle une quarantaine de procédés de gazéification opérationnels ou au stade de recherche regroupé en 5 familles : la gazéification en lit fixe à contre-courant ; la gazéification à lit fixe à co-courant ; la gazéification en lit fluidifié (circulant, dense et double) ; la gazéification en lit entraîné ; la gazéification allothermique par plasma thermiqueD'après M.R. Beychok, Process and environmental technology for producing SNG and liquid fuels, U.S. EPA report EPA-660/2-75-011, mai 1975 M.R. Beychok, Coal gasification for clean energy, Energy Pipelines and Systems, mars 1974. M.R. Beychok, Coal gasification and the Phenosolvan process, American Chemical Society 168th National Meeting, Atlantic City, septembre 1974..
vignette|lang=fr|centre|upright=2.5|Principaux types de réacteurs de gazéification.
Réacteur en lit fixe à contre-courant Il comporte un lit solide de produit (carburant) à traiter (par exemple de la houille ou de la biomasse), généralement vertical, à travers lequel on force la convection d'un comburant (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, gaz oxygène ou air). Les particules minérales, indifférentes à la réaction (PCI nul), peuvent être évacuées sous forme de cendres ou de mâchefer ; mais pour former des scories ou du mâchefer, il faut que le réacteur développe des températures supérieures à la température de fusion des cendres, c'est-à-dire que le lit solide présente une grande résistance mécanique et conserve une bonne porosité malgré la température et la pression du réacteur. Toutefois, certaines améliorations récentes ont permis d'assouplir ces conditions. Le rendement en gaz de ce type de réacteur est relativement faible. Le rendement thermique est élevé dans la mesure où les gaz sont produits à une température relativement basse, mais cela signifie aussi que la réaction dégage également une proportion appréciable de goudrons et de méthane : aussi le gaz produit doit-il être soigneusement raffiné ou recyclé dans le réacteur avant distribution.
Réacteur à lit solide à injection