Le directeur adjoint du Centre de recherche sur le charbon de la Southern Illinois University se tient à côté d'un système de gazéification modèle qui sépare de petites quantités de charbon en gaz de synthèse. Voir plus de photos de science verte. Photo AP/Steve Jahnke Parmi les plus prometteurs, Les alternatives énergétiques qui attirent l'attention ne sont pas des idées révolutionnaires. Nous connaissons tous les moulins à vent et les roues hydrauliques, qui existent depuis des siècles. Aujourd'hui, diverses améliorations, y compris des conceptions de turbines innovantes, transforment ces anciennes machines en technologies de pointe qui peuvent aider les nations à satisfaire leurs besoins énergétiques.
Il existe un autre vieux processus - un procédé dont vous ne connaissez probablement pas grand-chose - qui gagne en popularité et pourrait rejoindre l'éolien et l'hydroélectricité au panthéon de la propreté, énergie renouvelable. Le processus est connu sous le nom gazéification , un ensemble de réactions chimiques qui utilise un oxygène limité pour convertir une matière première contenant du carbone en un gaz de synthèse , ou gaz de synthèse .
Cela ressemble à de la combustion, mais ce n'est pas. La combustion utilise une abondance d'oxygène pour produire de la chaleur et de la lumière en brûlant. La gazéification n'utilise qu'une infime quantité d'oxygène, qui est combiné à la vapeur et cuit sous une pression intense. Cela initie une série de réactions qui produisent un mélange gazeux composé principalement de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Ce gaz de synthèse peut être brûlé directement ou utilisé comme point de départ pour fabriquer des engrais, hydrogène pur, le méthane ou les carburants liquides pour le transport.
Croyez-le ou non, la gazéification existe depuis des décennies. L'ingénieur écossais William Murdoch obtient le mérite d'avoir développé le processus de base. A la fin des années 1790, utiliser le charbon comme matière première, il produisait du gaz de synthèse en quantité suffisante pour éclairer sa maison. Finalement, les villes d'Europe et d'Amérique ont commencé à utiliser le gaz de synthèse - ou "gaz de ville" comme on l'appelait alors - pour éclairer les rues et les maisons des villes. Finalement, le gaz naturel et l'électricité générés par les centrales électriques au charbon ont remplacé le gaz de ville comme source privilégiée de chaleur et de lumière.
Aujourd'hui, avec une crise climatique mondiale qui se profile à l'horizon et des nations assoiffées d'énergie à la recherche de sources d'énergie alternatives, la gazéification est de retour. Le Gasification Technologies Council s'attend à ce que la capacité mondiale de gazéification augmente de plus de 70 % d'ici 2015. Une grande partie de cette croissance se produira en Asie, portée par un développement rapide en Chine et en Inde. Mais les États-Unis adoptent la gazéification, également.
Examinons de plus près le fonctionnement de ce processus. Nous allons commencer par la gazéification du charbon, la forme la plus courante du processus.
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Un Tiverton, R.I., Le résident pose à côté d'un conteneur étiqueté « Gas Plant Waste » en 2005. L'État pense que la contamination de la zone a été causée par la Fall River Gas Co. déversant des déchets de gazéification du charbon pendant des décennies. AP Photo / Ragoût Milne
Le cœur d'une centrale au charbon est une chaudière, dans lequel le charbon est brûlé par combustion pour transformer l'eau en vapeur. L'équation suivante montre à quoi ressemble chimiquement la combustion du charbon :C + O
Le cœur d'une centrale à gazéification n'est pas une chaudière, mais un gazéifieur , un récipient sous pression cylindrique d'environ 40 pieds (12 mètres) de haut sur 13 pieds (4 mètres) de large. Les matières premières entrent dans le gazéifieur par le haut, tandis que la vapeur et l'oxygène entrent par le bas. Tout type de matériau contenant du carbone peut être une matière première, mais la gazéification du charbon, bien sûr, nécessite du charbon. Une usine de gazéification typique pourrait utiliser 16, 000 tonnes (14, 515 tonnes) de lignite, un type de charbon brunâtre, du quotidien.
Un gazéifieur fonctionne à des températures et des pressions plus élevées qu'une chaudière à charbon - environ 2, 600 degrés Fahrenheit (1, 427 degrés Celsius) et 1, 000 livres par pouce carré (6, 895 kilopascals), respectivement. Le charbon subit alors différentes réactions chimiques. D'abord, l'oxydation partielle du charbon du charbon dégage de la chaleur qui permet d'alimenter les réactions de gazéification. Le premier d'entre eux est pyrolyse , qui se produit lorsque la matière volatile du charbon se dégrade en plusieurs gaz, laissant derrière carboniser , une substance semblable au charbon de bois. Puis, les réactions de réduction transforment le carbone restant dans le charbon en un mélange gazeux appelé gaz de synthèse .
Le monoxyde de carbone et l'hydrogène sont les deux principaux composants du gaz de synthèse. Au cours d'un processus appelé nettoyage de gaz , le gaz de synthèse brut traverse une chambre de refroidissement qui peut être utilisée pour séparer les différents composants. Le nettoyage peut éliminer les impuretés nocives, dont le soufre, mercure et carbone non converti. Même le dioxyde de carbone peut être extrait du gaz et soit stocké sous terre, soit utilisé dans la production d'ammoniac ou de méthanol.
Cela laisse de l'hydrogène pur et du monoxyde de carbone, qui peuvent être brûlés proprement dans des turbines à gaz pour produire de l'électricité. Ou, certaines centrales électriques convertissent le gaz de synthèse en gaz naturel en faisant passer le gaz épuré sur un catalyseur au nickel, provoquant la réaction du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone avec l'hydrogène libre pour former du méthane. Ce « gaz naturel de substitution » se comporte comme le gaz naturel ordinaire et peut être utilisé pour produire de l'électricité ou chauffer des maisons et des entreprises.
Mais si le charbon n'est pas disponible, la gazéification est encore possible. Tout ce dont vous avez besoin est du bois.
Secondes de gaz de synthèseBien que l'industrie de l'énergie électrique se soit récemment intéressée à la gazéification, le chimique, les industries du raffinage et des engrais utilisent ce procédé depuis des décennies. C'est parce que les principaux composants du gaz de synthèse - l'hydrogène et le monoxyde de carbone - sont les éléments de base de plusieurs autres produits. Certains des produits les plus importants dérivés du gaz de synthèse comprennent le méthanol, engrais à base d'azote et hydrogène pour le raffinage du pétrole et les carburants de transport. Même scories , un sous-produit vitreux du processus de gazéification, peut être utilisé dans les matériaux de toiture ou comme matériau de plate-forme.
La gazéification du charbon est parfois appelée « charbon propre » car il peut être utilisé pour produire de l'électricité sans rejeter des toxines et du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Mais il est toujours basé sur un combustible fossile non renouvelable. Et cela nécessite toujours des opérations minières qui cicatrisent la Terre et laissent derrière elles leurs propres déchets toxiques. Gazéification du bois -- ou gazéification de la biomasse , pour être plus techniquement correct - peut fournir une alternative viable. La biomasse est considérée comme une source d'énergie renouvelable car elle est fabriquée à partir de matières organiques, comme les arbres, récoltes et même des ordures.
La gazéification de la biomasse fonctionne exactement comme la gazéification du charbon :une matière première entre dans un gazéifieur, qui cuit le matériau contenant du carbone dans un environnement pauvre en oxygène pour produire du gaz de synthèse. Les matières premières entrent généralement dans l'une des quatre catégories suivantes :
Le choix de la matière première détermine la conception du gazéifieur. Trois conceptions sont courantes dans la gazéification de la biomasse :courant descendant et courant croisé. Dans un gazéifieur à courant ascendant , le bois entre dans la chambre de gazéification par le haut, tombe sur une grille et forme un tas de combustible. L'air entre par le dessous de la grille et s'écoule à travers la pile de combustible. Le syngaz, aussi connu sous le nom gaz de producteur dans les cercles de biomasse, sort par le haut de la chambre. Dans courant descendant ou gazéifieurs à tirage croisé , l'air et le gaz de synthèse peuvent entrer et sortir à différents endroits.
Le choix de la conception du combustible et du gazéifieur affecte les proportions relatives de composés dans le gaz de synthèse. Par exemple, la paille de blé placée dans un gazéifieur à courant descendant produit :
Mais le charbon de bois placé dans un gazéifieur à aspiration descendante produit ce qui suit :
[source :Rajvanshi].
Vous êtes maintenant prêt à fabriquer votre propre gazéifieur à bois. Continuez à cliquer pour voir comment.
Meilleur kilométrage de gaz (ification)Croyez-le ou non, l'une des principales utilisations de la gazéification du bois a été d'alimenter des moteurs à combustion interne. Avant 1940, des voitures à gazéification ont parfois été vues, surtout en Europe. Puis, pendant la Seconde Guerre mondiale, les pénuries de pétrole ont forcé les gens à réfléchir à des alternatives. Les industries des transports d'Europe occidentale comptaient sur la gazéification du bois pour alimenter les véhicules et s'assurer que les aliments et autres matériaux importants parviennent aux consommateurs. Après la guerre, à mesure que le gaz et le pétrole sont devenus largement disponibles, la gazéification a été largement oubliée. Une future pénurie de pétrole, cependant, peut revitaliser notre intérêt pour cette vieille technologie. L'automobiliste du futur peut demander à "faire le plein" avec quelques bâtons de bois au lieu de quelques litres d'essence.
L'avenir retiendra-t-il beaucoup plus d'énergie des gazéifieurs comme celui-ci ? Phillip Spears/Getty Images Une qualité intéressante de la gazéification est son évolutivité. La centrale électrique de Polk juste au sud-est de Tampa est une usine de gazéification couvrant 4, 300 acres (1, 740 hectares). Il convertit 100 tonnes (90,7 tonnes métriques) de charbon par heure en 250 millions de watts de puissance pour environ 60, 000 foyers et commerces [source :Folger].
Mais il n'est pas nécessaire d'être un géant des services publics pour expérimenter la gazéification. Vous pouvez construire un simple, petit gazéificateur avec des matériaux que vous trouvez autour de la maison. YouTube propose plusieurs vidéos de ces unités faites maison. Une vidéo, par exemple, montre un pot de peinture jouant le rôle de récipient sous pression dans lequel se produisent des réactions de gazéification. Comme le gaz de synthèse est produit à l'intérieur de la boîte scellée, il se déplace à travers de simples raccords de plomberie jusqu'à une boîte de brûleur, où le gaz peut s'enflammer.
Une autre vidéo intéressante montre une petite équipe assemblant et faisant fonctionner un gazéificateur à bois sur la base de plans préparés par la Federal Emergency Management Agency (FEMA) des États-Unis et le Oak Ridge National Laboratory. La FEMA a élaboré ces plans en 1989 spécifiquement pour la gazéification à petite échelle en cas d'urgence pétrolière. Le rapport de l'agence comprend des informations détaillées, instructions illustrées pour la fabrication, l'installation et l'exploitation d'un gazéifieur de biomasse à aspiration descendante. (Un lien vers le rapport est inclus dans la liste des sources sous "Lafontaine" à la page suivante.) L'unité nécessite une poubelle en métal galvanisé, un petit tambour en métal, raccords de plomberie communs et un bol mélangeur en acier inoxydable et peut être monté sur un véhicule pour fournir du gaz de synthèse pour la combustion interne. Avec le gazéifieur en place, le véhicule peut fonctionner de manière fiable en utilisant des copeaux de bois ou d'autres biomasses comme carburant.
Si vous êtes intéressé par la gazéification, mais ne sont pas du genre à faire soi-même, alors vous voudrez peut-être envisager d'acheter une unité de gazéification auprès d'un fabricant. Par exemple, New Horizon Corporation distribue des systèmes de gazéification qui peuvent être installés dans un environnement domestique. Ces chaudières à gazéification de biomasse peuvent chauffer des maisons, garages et autres bâtiments et peut utiliser une variété de combustibles, y compris le bois séché, épis de maïs, sciure, copeaux de bois et tout type de granulés.
Dans les deux cas, la gazéification deviendra probablement l'une des alternatives énergétiques les plus importantes au cours des prochaines décennies. C'est la façon la plus propre d'utiliser le charbon, mais fonctionne aussi efficacement avec des sources d'énergie renouvelables, comme la biomasse. Et, parce que l'un des principaux produits de la gazéification est l'hydrogène, le processus offre un tremplin vers la production de grandes quantités d'hydrogène pour les piles à combustible et les carburants plus propres.
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