*Institut des technologies de fabrication des composants céramiques et composites, Université de Stuttgart
Introduction
Les matières premières renouvelables sont devenues récemment un sujet de discussion important en raison de la disponibilité limitée des combustibles fossiles. Les questions relatives au rendement des cultures, à la superficie nécessaire et au contenu énergétique sont au premier plan. Par rapport aux combustibles fossiles, le comportement de combustion des matières premières renouvelables est beaucoup plus influencé par des paramètres tels que les conditions climatiques, le traitement des parties de la plante, le séchage et le stockage - ainsi que le taux d'humidité associé - et est donc soumis à des variations naturelles plus importantes. La figure 1 présente une compilation des matières premières et de celles qui peuvent être classées comme biomasse et plantes énergétiques.
Usines de production d'énergie
Si les plantes énergétiques doivent être utilisées comme alternative aux combustibles fossiles, les coûts d'approvisionnement doivent être comparés aux rendements des cultures. Par exemple, 232 kg d'orge équivalent à 100 litres de mazout en pouvoir calorifique [1] et sont 41 euros moins chers sur la base des prix du marché de septembre 2013. En supposant une consommation annuelle de 3 000 litres pour le chauffage d'une maison individuelle en Allemagne, les économies réalisées seraient de 1 200 euros par an. Étant donné que les plantes agricoles, comme les différents types de céréales, ne doivent être utilisées pour la production d'énergie que si elles sont non comestibles ou de qualité inférieure et donc impropres à la consommation humaine, les sources d'énergie alternatives font l'objet d'un examen approfondi.
Compte tenu de la hausse des prix du pétrole brut, les granulés de bois et autres, les centrales énergétiques offrent déjà une alternative rentable. Le tableau 1 compare les prix moyens et les valeurs calorifiques de la paille, des granulés de bois et du mazout [2].
Tableau 1 : Pouvoir calorifique et coûts des différents vecteurs énergétiques
Prix | Pouvoir calorifique | Coût / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Mazout de chauffage | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Granulés de bois | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Paille de culture | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Comme le montre le tableau, le pouvoir calorifique inférieur de la paille de culture est compensé par ses coûts d'acquisition nettement inférieurs, ce qui la rend plus économique que le mazout. Les déchets agricoles tels que la paille issue de la production céréalière méritent donc d'être examinés de plus près en tant que source d'énergie alternative, au même titre que d'autres plantes énergétiques qui poussent facilement sur presque tous les types de sol. Le miscanthus sinensis et le miscanthus giganteus présentent également des valeurs calorifiques comparativement élevées et une faible Teneur en cendresLes cendres sont une mesure de la teneur en oxydes minéraux sur une base pondérale. L'analyse thermogravimétrique (ATG) en atmosphère oxydante est une méthode éprouvée pour déterminer le résidu inorganique, communément appelé cendre, dans les matériaux organiques tels que les polymères, les caoutchoucs, etc. Par conséquent, la mesure AGT Identify permet de déterminer si un matériau est chargé et de calculer la teneur totale en charge.teneur en cendres. Bien que le miscanthus doive être cultivé spécialement pour l'utilisation énergétique, la paille de colza est disponible en tant que sous-produit de la production céréalière. Les limitations de surface doivent donc être prises en compte pour évaluer les avantages des deux sources d'énergie.
Thermogravimétrie
La méthode de la thermogravimétrie (TG) est particulièrement adaptée à l'étude des processus de combustion. Elle permet une évaluation rapide de la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique des combustibles principalement solides. La quantité de matière combustible (perte de masse) et la Teneur en cendresLes cendres sont une mesure de la teneur en oxydes minéraux sur une base pondérale. L'analyse thermogravimétrique (ATG) en atmosphère oxydante est une méthode éprouvée pour déterminer le résidu inorganique, communément appelé cendre, dans les matériaux organiques tels que les polymères, les caoutchoucs, etc. Par conséquent, la mesure AGT Identify permet de déterminer si un matériau est chargé et de calculer la teneur totale en charge.teneur en cendres restantes (résidu) sont facilement quantifiées. La température de combustion et la vitesse de réaction analysées à l'aide du logiciel NETZSCH Thermokinetics fournissent des informations cinétiques importantes sur le comportement de combustion du matériau.
La perte de masse lors de la réaction de combustion et la Teneur en cendresLes cendres sont une mesure de la teneur en oxydes minéraux sur une base pondérale. L'analyse thermogravimétrique (ATG) en atmosphère oxydante est une méthode éprouvée pour déterminer le résidu inorganique, communément appelé cendre, dans les matériaux organiques tels que les polymères, les caoutchoucs, etc. Par conséquent, la mesure AGT Identify permet de déterminer si un matériau est chargé et de calculer la teneur totale en charge.teneur en cendres minérales ininflammables peuvent également être quantifiées. Contrairement à d'autres réactions, telles que la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition ou la libération d'humidité ou de solvants, la combustion est une réaction solide-gaz. Des paramètres tels que la surface de l'échantillon, la concentration d'oxygène dans le gaz de purge et la géométrie du creuset sont donc d'une importance cruciale.
Ces paramètres importants ont été optimisés dans le cadre d'expériences menées sur le site NETZSCH STA 409 C pour la combustion de plantes énergétiques.
Comportement de combustion
Cette note d'application décrit les résultats d'une étude sur le comportement de combustion de la paille à base de plantes (miscanthus et repousses) et des granulés fabriqués à partir de cette paille. Les substances étudiées sont décrites dans les figures 2 et 3.
Le comportement de combustion des matériaux a été étudié avec un NETZSCH STA 409 C. Un porte-échantillon DTA-TGA avec des creusets d'alumine ouverts a été utilisé ; le gaz de purge était de l'air synthétique avec un débit de 80 ml/min. En utilisant une vitesse de chauffage de 20 K/min, les réactions de combustion étaient terminées à 600°C (figures 4 et 5).
La méthode DTA fournit des informations sur la quantité de chaleur générée et le taux de génération de chaleur pour la réaction de combustion ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique. Il convient de noter que les échantillons non granulés présentent une chaleur de réaction plus élevée (signal DTA plus important), même si le profil de perte de masse est similaire. La surface plus importante du matériau en vrac favorise un processus de combustion plus efficace. En outre, les échantillons de paille de colza ont présenté un comportement de combustion similaire à celui des échantillons de miscanthus. La masse résiduelle (Teneur en cendresLes cendres sont une mesure de la teneur en oxydes minéraux sur une base pondérale. L'analyse thermogravimétrique (ATG) en atmosphère oxydante est une méthode éprouvée pour déterminer le résidu inorganique, communément appelé cendre, dans les matériaux organiques tels que les polymères, les caoutchoucs, etc. Par conséquent, la mesure AGT Identify permet de déterminer si un matériau est chargé et de calculer la teneur totale en charge.teneur en cendres) correspond aux composants minéraux inertes des installations énergétiques.
Détermination de la porosité et de la densité
La porosité et la densité des échantillons ont été déterminées à l'aide d'un porosimètre à mercure (Porotec Pascal 140/440). Les résultats sont résumés dans le tableau 1. Les figures 6 et 7 illustrent les différences significatives entre les deux matériaux et leurs produits transformés (pellets) en ce qui concerne la porosité et leur densité relative ou spécifique. L'échantillon de paille de colza se caractérise par une densité plus faible et un volume de pores nettement plus important que l'échantillon de miscanthus (tableau 1). Cela favorise évidemment le comportement de combustion puisque l'échantillon de paille de colza non granulé a montré un taux de combustion nettement plus élevé à une température nettement plus basse que l'échantillon de pellets de paille de colza (figure 5).
Tableau 2 : Comparaison des données analytiques des quatre échantillons de biomasse
| Propriétés | Miscanthus | Pellets de miscanthus | Paille de colza | Pellets de colza |
|---|---|---|---|---|
| Porosité totale [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Volume poreux cumulé [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Surface spécifique de l'échantillon [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Rayon moyen des pores [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| DensitéLa densité de masse est définie comme le rapport entre la masse et le volume. Densité1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Densité apparente2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Densité: Densité du réseau solide (y compris les pores et les espaces creux interparticulaires)
2Densité apparente : Densité du matériau, y compris les pores fermés et non accessibles
Détection de gaz et analyse cinétique
La caractérisation FT-IR des gaz formés au cours de l'analyse thermogravimétrique a révélé que les gaz générés au pic de la vitesse de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition (à 515°C) étaient principalement constitués deCO2. Les influences des conditions limites sur la vitesse de réaction peuvent être évitées dans une large mesure si l'on utilise un creuset à base plane et un débit de gaz suffisamment élevé (ici 160 ml/min d'oxygène). Cela répond à une exigence cruciale pour soumettre les données obtenues à une analyse cinétique approfondie. L'analyse thermocinétique des données thermogravimétriques de l'échantillon de granulés de miscanthus obtenues à des vitesses de chauffage comprises entre 1 et 5 K/min a été réalisée à l'aide du logiciel NETZSCH Thermokinetics . Deux réactions consécutives d'ordre n ont été trouvées pour offrir la meilleure adéquation aux données expérimentales, comme le montre la figure 9.
Conclusion
Ces études thermogravimétriques ont montré que la préparation des échantillons et les conditions de mesure ont une influence substantielle sur les résultats. Des comparaisons fiables entre différents échantillons d'installations énergétiques concernant leur comportement de combustion ne peuvent être effectuées que si les mesures sont réalisées sur des échantillons d'installations ayant une densité et une géométrie d'emballage similaires et dans les mêmes conditions de gaz de purge (c.-à-d. concentration d'oxygène et débit).
Pour l'étude comparative du comportement de combustion de différentes installations énergétiques, on a pu déterminer que les paramètres de mesure tels que la géométrie de l'échantillon, la quantité d'échantillon, la concentration en oxygène du gaz de purge, la quantité de gaz de purge, mais aussi la taille des parties de l'installation ou la densité d'emballage des échantillons, sont d'une importance décisive. Afin de minimiser ces influences extérieures, tous les paramètres de mesure du STA 409 C ont été ajustés de manière à ce qu'aucune influence mesurable de ces conditions limites ne puisse affecter les résultats. Ce n'est qu'ainsi qu'il est possible de réaliser une analyse thermogravimétrique comparative, mais aussi une évaluation cinétique des données de mesure.
Bien que le miscanthus soit intéressant en tant que source d'énergie en raison de sa densité énergétique élevée, la nécessité d'une culture spéciale de cette plante réduit sa valeur potentielle. Le colza, quant à lui, est un sous-produit de la production céréalière que l'on peut facilement obtenir et qui constitue également une bonne source d'énergie.