Carbonisation hydrothermale

Ce procédé est parfois aussi dénommé carbonisation hydrothermique, pyrolyse humide (wet pyrolysis), ou torréfaction humide (wet torrefaction)[5]. L'acronyme HTC est également souvent utilisé (pour Hydrothermal carbonization).

Rudolf Bergius.

Dans les années 1880 à 1900, la « cuisson » à haute température et sous pression de matières organiques dans de l'eau attire l'attention de chimistes. Cette méthode de « dégradation hydrothermique » 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 gazeux[6]^,[7].

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 « chimie à haute pression[8] ».

À partir de la fin du XX^e siècle, la recherche s'intéresse à nouveau au procédé et aux produits solides (hydrochar) obtenus qui semblent pouvoir trouver diverses application à bonne valeur ajoutée, dans les domaines de l'environnement, de la santé et de l'industrie[9].

Au delà de 260 °C on obtient des combustibles liquides puis gazeux, désignés par d'autres noms :

1. la liquéfaction hydrothermique (HTL pour Hydrothermal liquefaction)
2. la vaporisation hydrothermale (HTV pour Hydrothermal vaporization) ou gazéification hydro-thermique (HTG pour hydrothermal gasification), ou une gazéification dans une eau super critique (SCWG pour super critical water gasification)[10]^,[11].

En Europe, le Professeur Antonietti de l'institut Max Planck de recherche sur les surfaces colloïdes et interfaces de Potsdam au début des années 2000 décide de tester des prototypes pré-industriels puis une filiale de la société AVA-CO2 a installé en Allemagne (à Karlsruhe) une unité industrielle d’une capacité de 14 400 L et de 8 400 t/an de biomasse à traiter, entrée en fonctionnement le 26 octobre 2010.

À une température élevée (entre 180 et 260 °C)[5]^,[2] et en autoclave sous pression (10 à 50 bar[5] ; 2 à 6 MPa [2]), durant un temps qui varie de 5 min [2] à 12 h[5] 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[5]).

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 chauffage[12].

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 (14 mètres cubes, 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 12 h 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 5h 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 (1 h à 220 °C) l'énergie thermique et la consommation d'énergie étaient respectivement de 1 170 kWh et 160 kWh par tonne d'hydrochar produites, soit une efficacité de 78 % pour l'usine[5] ; 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 157 €/t et 200 €/t ; des chiffres qui semblent indiquer que l'hydrochar est potentiellement un biocarburant compétitif, et qui plus est neutre en CO2[5].

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.

Le processus et certains produits utilisés (lisiers, fumiers...) impliquent une installation industrielle complexe et sécurisée (haute température, haute pression), plus lourde et coûteuse que d'autres installations de valorisation énergétique de la biomasse.

Selon une étude publiée en 2012, les hydrochars comme les produits de pyrolyse à sec (biochar) peuvent améliorer la fertilité et qualité des sols, mais cependant pas à la manière d'un compost car au sortir du processus l'hydrochar est stérilisé. La fabrication de l'hydrochar est neutre en carbone, mais à la différence des biochars qui diminuent dans les sols cultivés les émissions de N₂0 (un gaz à effet de serre déjà préoccupant pour l'agriculture) les hydrochars peuvent au contraire aggraver ces émissions[13].

Ce procédé valorise théoriquement tout le carbone de la biomasse, qui peut provenir de déchets organiques.
Le procédé lui-même ne dégage presque pas de CO₂ et il est adapté à une large typologie de produits (bois, déchets verts purin, lisier, marc de raisin, cactus invasifs, déchets d'olives ou de palmiers à huile et autres déchets lignocellulosiques[14]^,[15]^,[16] ou agroindustriels[17], compost de respectant pas les spécifications nécessaires[18], boues d'épuration[19], algues et résidus d'aquaculture…).
A la différence de la pyrolyse sèche, il accepte des matières à très hautes teneurs en eau jusqu'à 75 % – 90 %) sans avoir besoin d'un pré-séchage[20].

Le biocharbon obtenu peut être conditionné sous forme de pellets[21] et se substituer à la houille et au lignite et être brûlé en chaudière. Le produit obtenu peut ensuite libérer toute l’énergie solaire antérieurement stocké sans la biomasse[5]. Il sera énergétiquement plus efficace que le bioéthanol (seulement 10 % de la canne à sucre est transformée en bioéthanol) ou le biogaz (qui au mieux valorise 50 % du carbone de la biomasse).

L'efficacité carbone de la plupart des processus de conversion de matière organique en carburant est faible, car lors de ce processus une part importante du carbone contenue dans la biomasse est perdue, et souvent sous forme de CO toxique, de CO₂ ou de méthane qui sont des gaz à effet de serre.
La réaction exothermique permet un bon bilan énergétique[22] et les catalyseurs sont efficaces même en cas de variations des matières utilisées.
Il n'est généralement pas nécessaire de consommer de l'énergie pour mettre sous pression le réacteur : c'est la vapeur produite par la réaction exothermique dans l'enceinte confinée qui va mettre le réacteur sous pression.

Remarque : le tableau ci-dessus est classé par rendement décroissants d'installation (mais les techniques les plus énergétiquement rentables demandent des installations plus couteuses, lourdes et complexes, et les agrocarburants de type alcool ou biodiesel ne peuvent être produits qu'à partir des parties grasses ou sucrées de certaines plantes. Si toutes les parties de plantes rustiques et à croissance rapides pouvait servir à la production de carburant (avec retour au sol des nutriments), le rendement énergétique de l'opération serait trois à cinq fois meilleur pour une même zone de culture (ex : saule, peuplier, miscanthus, chanvre, roseaux ou sous-produits de l'agroforesterie).

Théoriquement, à condition de ne pas manquer d'eau la carbonisation hydrothermale permet d'utiliser des cultures énergétiques économes en énergie et ne nécessitant pas d'engrais ni pesticides, voire des plantes aquatiques invasives ou des plantes poussant sur sol pauvre.

Si le process lui-même est neutre en carbone, un juste bilan carbone doit néanmoins tenir compte de l'empreinte carbone de l'usine, des infrastructures, du transport, de la production de la biomasse utilisée, etc.

Des charbons activés ou des charbons technique présentant des caractéristiques particulières en termes de nanopores pourraient être utilisés pour :

• épurer l'eau polluée ou des sols de leurs métaux lourds[23] ou de pesticides ;
• la fabrication d'anodes par exemple pour des batteries lithium-ion[24]^,[25].