Memoire Online - Electrification rurale et motorisation villageoise à partir de la biomasse dans les centres isolés sous forêt: cas de la province du Centre au Cameroun

Mémoire
présenté et soutenu en vue de l'obtention du
Diplôme d'Etudes Approfondies (DEA) en PHYSIQUE
Option : ENERGETIQUE

Mémdre de DEA de physique, option Energétique / Laboratdre de Thermique-Energëique 1

DEDICACES

- Au Dieu tout puissant, père céleste Jéhovah qui a toujours su me garder et qui n'a jamais cessé de veiller sur moi ; ce travail est le fruit de sa protection..

- A la mémoire de tous ceux là qui ont oeuvré pour ma vie et ma scolarisation, mais qui malheureusement ne sont plus là pour déguster le fruit de leur travail. Je pense à ma feue grand-mère, à ma feue mère et à mon feu père ; ce travail est le reflet de votre protection d'au-delà.

- A la mémoire de maman DJOUMESSAP Jeanne ; lorsqu'à la première page de mon mémoire de Maîtrise, alors premier document de ma carrière de chercheur, parlant de toi j'écrivais : « Ce premier document est le début d'une carrière qui exige beaucoup de bénédiction de ta part », c'était sans penser que tu devrais me quitter seulement un mois plus tard. Mais je suis certain que cette bénédiction, tu me l'as donnée avant de mourir à travers ces larmes de joie que tu as sorties pendant la soutenance dudit mémoire. Je sais pouvoir compter sur tes prières et ta bénédiction d'au-delà.

- A mon frère aîné et tuteur, TAMBA Edouard Berlin pour tout le soutien moral et financier qu'il n'a cessé de me procurer jusqu'alors. Tu peux t'estimer heureux de m'avoir propulsé jusqu'à ce niveau.

- A ma nourrice TAMBA Marianne qui, plus qu'une maman n'a jamais cessé de me considérer comme un fils. Oui tu as toujours été là à l'instant souhaité pour m'encourager et me soutenir ; « C'est lorsque le fruit mûrit qu'on le cueille».

- A mes frères aînés TAKAM Michel , KAMADJOU Edouard, FOUE Happy Pierre,... pour tout le soutien qu'ils m'ont toujours apporté. Trouvez ici l'aboutissement heureux de tous vos efforts réunis.

- A mes soeurs aînées, MAPENKA Elise, FEUKOUA Madeleine, TAWAMBA Jeannine, NGUELO Lucie, et toutes les autres pour tous leurs soutiens et conseils. Vous avez toujours oeuvré et prié pour ma réussite.

- A toutes mes belles soeurs, TAKAM Aissatou, KAMADJOU Julienne, FOUE Marie Claire, ... pour leur soutien sans relâche ; mention spéciale à Mami pour ses différents conseils sans relâche : « l'arbre que vous avez entretenu commence à porter des fruits » .

- A tous mes petits-neveux et petites-nièces, que ce document constitue pour vous un exemple de plus à suivre mais surtout à améliorer.

- A tous mes frères et soeurs réunis, à tous mes parents, qu'ils reçoivent ici l'expression de mes sentiments profonds.

- Enfin à tous ceux que j'ai oubliés, que personne ne se sente lésé et qu'ils trouvent ici l'expression de mon profond attachement.

REMERCIEMENTS

La réalisation de ce travail n'aurait pas vu le jour sans l'apport de divers moyens et compétences humaines. Je tiens donc à remercier vivement tous ceux qui ont mis à ma disposition ces moyens et compétences. Je pense :

v' A l'ONG ERA-CAMEROUN (Environnement Recherche Action au Cameroun) basée à Yaoundé à travers son coordonnateur, Dr Emmanuel NGNIKAM qui non seulement a mis à ma disposition toute une bibliothèque bien fournie et un cadre logistique adéquat pour la réalisation de ce travail, mais qui a su trouver tous les moyens financiers pour la réalisation de ce travail.

v' Au CIRAD (Centre de Coopération International en Recherche Agronomique pour le Développement) basée à Montpellier, à travers M. Philippe GIRARD du Laboratoire Energie / Environnement pour le suivi de bout en bout de ces travaux malgré la distance.

v' Au LESEAU (Laboratoire Environnement et des Sciences de L'Eau) de l'ENSP, qui m'a servi de cadre logistique pour la réalisation de ce travail et où j'ai vécu une grande expérience de travail rigoureux.

v' Au Département de Physique de la Faculté des Sciences de l'Université de Yaoundé I pour toute la formation qu'elle m'a procurée jusque là à travers les riches enseignements que j'ai reçus.

1' AU Prof-Dr-Ing. Pierre OWONO ATEBA, Vice Recteur en charge de l'Inspection à l'Université de Yaoundé I et Chef du département de Physique de la Faculté des sciences, qui a accepté malgré ses multiples occupations de superviser mes travaux.

1' AU Dr Emile TANAWA, chef du département de la Valorisation et de la Coordination de la Recherche et Chef du Laboratoire Environnement et des Sciences de l'Eau à l'ENSP, qui non seulement a accepté de diriger ce travail, mais n'a ménagé aucun effort pour m'assurer un cadre de travail adéquat et confortable. je vous suis particulièrement redevable pour toute la patience dont vous avez fait preuve pour me faire bénéficier de votre grande expérience dont la rigueur et l'esprit de discernement m'ont permis de mener à bon port ce travail.

v' AU Dr Donatien NJOMO, responsable du laboratoire de Thermique Energétique de et coordonnateur de la filière Energétique, Faculté des Sciences pour toute la confiance qu'il a mise en moi en m'acceptant dans son laboratoire.

v' AU Dr Henri Bosko DJEUDA TCHAPNGA qui, par sa rigueur et l'amour d'un travail bien fait a su m'imprégner petit à petit ses marques.

1' AU Dr Henri EKOBENA, Enseignant au Département de Physique, Faculté des Sciences, pour ses différentes orientations.

v' A Monsieur Charles TCHOUNGANG pour le soutien moral et les conseils qu'il n'a cessé de me donner, mais surtout l'ouverture d'esprit qui a été son oeuvre .

v' A tous mes camarades du LESEAU, en occurrence François Xavier MPON, Thierry ELEMVA, YOMBI Tabué, Marie Solange Mbang, Joseph EWODO, etc.

1' A tout ceux qui m'ont donné un coup de main dans la phase expérimentale de ce travail, en occurrence Calvin Noula WETHE, Edouard Michel NGNENGUIER, etc...

1' A tout le personnel de l'ONG ERA-CAMEROUN pour tout le soutien moral dont j'ai bénéficié. Je pense ici à , M. Elie TOLALE, Mme SONKENG Florence née PEUMI, M. Joseph YIAH, M. Syriaque TALOM, M. Honoré TAPOKO, etc.

1' Au Laboratoire d'Energétique (LAEN) de l'ENSP pour le soutien matériel qu'il m'a apporté.

v' A chacun de mes trois camarades doctorants, qu'ils trouvent ici l'expression de

ma profonde gratitude. Je pense ici à, Benoit Kameni, Annie Francie Kouedeu et Emmanuel Guemene.

Enfin, j'en oublie certainement beaucoup ; que tous ceux qui, de près ou de loin ont contribué à la réussite de ce travail trouvent ici l'expression de mes profonds remerciements.

RESUME

Le Cameroun est un pays situé dans une zone tropicale humide et est de ce fait caractérisé par une végétation forestière. Les zones rurales de ce pays éprouvent beaucoup de problèmes d'approvisionnement en énergie électrique. La biomasse constitue partout une ressource disponible et facilement mobilisable et qui peut bien être utilisée pour la production d'électricité. Ainsi la technologie de gazéification du charbon de bois en vue de la production thermique et électrique est mise en exergue dans ce travail. Il est fait étalage ici des expériences de projet de gazéification en cours dans le monde avant de passer à des tests expérimentaux sur une unité pilote de gazogène de type indien. Ces tests ont été précédés par la caractérisation physico-chimique de la biomasse utilisée, qui n'est rien d'autre que du charbon de bois commercialisé au marché Mokolo à Yaoundé. Cette phase expérimentale nous a permis de mesurer les températures au niveau de la paroi du réacteur au cours de la gazéification et de constater leur évolution avec le temps. Ceci nous a permis de poser les premières bases de la modélisation mathématique des phénomènes de transfert thermiques qui ont lieu dans le lit de charbon de bois pendant la gazéification.

Mots dles : Biomasse, ERD, gazéification, charbon de bois, gazogènes, tests, modélisation mathématique.

ABSTRACT

Cameroon as a country situated in the cold tropical area is characterised by forest vegetation. But, the rural areas of the country can hardly be supplied with electric power. Yet, biomass is everywhere an available resource that can easily be taped

Thus in this work, after analysis of the problem of Decentralised Rural Electrification (DRE) in Cameroon, the technology of gasification of charcoal for thermal and electric production is put forward with in particular the experimental tests being done on a pilot unit of gas generator of the Indian type. These tests have been preceded by the characterization of the biomass used, which here is charcoal that is commercialised at the Mokolo market in Yaounde. This experimental phase enabled us to measure the temperatures of the wall of gasifier reactor during the gasification process and to note their evolution with time. This enabled us to put forward the first bases of the mathematical modelling of the phenomena of thermal transfer in the charcoal bed during the gasification process.

Key Words:: Biomass, DRE (Decentralised Rural Electrification), gasification, wood charcoal, gasifiers, tests, mathematical modelling

NOMENCLATURE

PED : Pays en voie de développement. ERD : Electrification Rurale Décentralisée SONEL : Société Nationale d'Electricité .

SOSUCAM : Société Sucrière du Cameroun. ONG : Organisation Non Gouvernementale .

J0(ßr) et Y0(ßr) : fonctions de Bessel de première te seconde espèce d'ordre zéro

? 1(t) , ? 2(t) : distribution de température respectivement sur l'axe du réacteur

k : conductivité thermique du charbon de bois ; k = facteur pré-exponentiel d'Arrhenius

K : Constance de vitesse de la réaction de pyrolyse en s-1 E : énergie d'activation en kJ/kg

SOMMAIRE

CHAPITRE I : GENERALITES ET APERÇU

BIBLIOGRAPHIQUE......................................................................................................................³

I/- PROBLEMATIQUE GENERALE DE

I.1- Analyse de la situation globale de l'electrification

III/- CHARBON DE BOIS DESCRIPTION

III.2.5/- Charbon de bois dans les Pays en

CHAPITRE II: LES EXPERIENCES DE GAZEIFICATION

I.4/- Vision globale de la gazéification

II/- RESUME DE QUELQUES PROJETS DE GAZÉIFICATION

CHAPITRE III: CHOIX TECHNOLOGIQUE, PROCEDURES, RESULTATS

III/- ASPECTS THÉORIQUE ET THERMODYNAMIQUE

IV/- METHODOLOGIE DES TESTS DE GAZEIFICATION DU

III.4/- Autre essai : durée de fonctionnement en fonction du débit de charbon 67

INTRODUCTION GENERALE

Le problème d'électrification rurale dans le monde est un problème qui focalise partout l'attention particulière des gouvernements. Au Cameroun, les zones rurales souffrent énormément du problème d'approvisionnement en électricité. C'est ainsi que le problème d'électrification rurale constitue une préoccupation particulière aussi bien pour le monde scientifique que pour les pouvoirs politiques. Pour l'électrification rurale, plusieurs options sont possibles, mais ce sont les filières traditionnelles d'électrification qui sont les plus sollicitées actuellement. Compte tenu des contraintes d'approvisionnement des zones rurales, notamment l'éloignement du réseau existant, le manque d'infrastructure routière, l'habitat dispersé, la solution conventionnelle qui consiste à électrifier par raccordement au réseau interconnecté ne peut pas permettre à terme de satisfaire les besoins qui selon les dernières statistiques du Ministère des Mines, de l'Eau et de l'Energie sont énormes. En effet, seulement 5% des villages du Cameroun étaient électrifiés en 1998. Le Cameroun a pourtant beaucoup de potentialités en terme de biomasse forestière. Il compte par exemple plus de 26 millions d'hectares de forêt et 36 millions de m³ de déchets de bois sont produits par an (MINEFI, 1997) c'est-à-dire environ, 18 millions de tonnes qui peuvent produire environ 1,5.10⁴ GWh d'électricité.

Techniquement, ces ressources peuvent être valorisées pour la production d'électricité, moyennant l'utilisation des technologies de conversion éprouvées. La valorisation de ces déchets par gazéification et production d'énergie nécessaire pour la force motrice et l'électricité dans les zones rurales peut s'avérer très intéressante et contribuer valablement à résoudre le problème d'électrification rurale au Cameroun. Après les études de faisabilité et d'applicabilité des différentes techniques de valorisation énergétique de la biomasse faites dans les différents villages de la province du Centre dans le cadre des précédentes études, on est arrivé à la conclusion selon laquelle l'électrification rurale décentralisée de ces villages pouvait être assurée en y intégrant la filière de gazéification de la biomasse (TAGUTCHOU J. P., 2000).

C'est ainsi que parmi les 1321 villages que compte la province du Centre, on est arrivé à partir d'une méthodologie adéquate à présélectionner trois villages (Minlaba, Nsem et Mekone II) qui devraient à l'avenir accueillir une installation pilote de gazéification de la biomasse en vue d'approvisionner ces localités en électricité.

Avant de transporter l'installation sur site pilote, il fallait au cours des présents travaux faire une étude technique du fonctionnement d'un dispositif de gazéification en provenance du Burkina Faso. Il était question de faire des tests de gazéification pour apprécier la qualité des gaz produits, étudier les paramètres thermo-physiques influençant le processus afin de faire des propositions pour l'optimisation du phénomène. Il est clair qu'une pareille étude ne pouvait se faire sans passer par une bonne caractérisation de la biomasse utilisée : le charbon de bois dans notre cas.

La gazéification de la biomasse est un sujet qui intéresse plusieurs structures de recherche dans le monde et beaucoup d'auteurs innovent du jour au lendemain dans le domaine (SYRED N., 2001 ; PLATIAU D., 1986) ; (P. GIRARD, 2000). Mais la diversité des technologies dans le domaine impose la nécessité d'étudier chaque type d'installation pour mieux appréhender certains aspects du phénomène.

Dans l'élaboration de ce travail, nous avons subdivisé le travail en trois chapitres :

v' Le chapitre 1 intitulé « Généralités et aperçu bibliographique » présente la question
de l'électrification rurale décentralisée dans le monde en générale et au Cameroun en particulier ; c'est ici que nous abordons l'étude du charbon de bois qui est la matière première que nous allons utiliser dans la phase de tests.

v' Le chapitre 2 s'intitule « Expériences de la gazéification dans le monde » ; ici, nous

faisons le point sur les expériences de gazéification en cours partout dans le monde en donnant un bref résumé de quelques projets à grande et à petite échelle de gazéification en cours dans le monde.

v' Le chapitre 3 est titré « Choix technologiques, procédures, résultats de l'étude

expérimentale, analyse et conclusion » et présente l'essentiel des tests de gazéification que nous avons conduits (inflammation des gaz sur brûleur, mesure des températures des gaz à l'échappement d'une part et du réacteur d'autre part au cours de la gazéification, ...). Le problème de modélisation mathématique des différents phénomènes qui ont lieu dans le réacteur au cours de la gazéification est notamment posé avec la détermination expérimentale des températures comme premières bases des conditions aux limites du problème des phénomènes de transfert thermique dans le lit de charbon pendant la gazéification.

CHAPITRE I:

GENERALITES ET APERÇU BIBLIOGRAPHIQUE.

I/- PROBLEMATIQUE GENERALE DE L'ELECTRIFICATION RURALE.

I.1- Analyse de la situation globale de l'électrification rurale décentralisée.

Dans le monde entier, l'Electrification Rurale Décentralisée (ERD), est une histoire dont l'origine est récente. Bien entendu, l'utilisation des énergies éoliennes et hydrauliques remonte à la nuit des temps mais ce n'est que depuis le début du siècle dernier qu'elles produisent l'électricité. Les groupes électrogènes ont depuis leur conception, produit de l'électricité, même dans les lieux les plus reculés, les plus difficiles d'accès et dans des conditions extrêmes. C'est pourtant la technologie la plus récente, le solaire photovoltaïque, qui semble avoir suscité la dynamique de développement qui permet aujourd'hui de parler d'ERD et suscite les multiples questions liées à sa banalisation (Y. MAIGNE., 2000). Par ailleurs, dans les zones tropicales humides sous forêt, l'idée de l'intégration de la biomasse dans la production de l'électricité semble préoccuper de plus en plus les chercheurs [(PLATIAU D., 1986), (P. GIRARD, 2000), (E. TANAWA et al., 2000), (N. SYRED and al., 2001), (NGNIKAM et al., 2001), ...],, ce d'autant plus que cette filière concourt à la protection de l'environnement par la diminution des émissions à effet de serre. Le problème de l'ERD est d'autant plus crucial que plus de 2 milliard d'êtres humains vivent sans électricité sur la planète (Y. MAIGNE., 2000). C'est ainsi que dans la plupart des pays concernés, tous les nouveaux élus citent l'électrification des zones rurales comme l'une de leurs priorités. La finalité de l'ERD est claire; elle n'en recouvre pas moins une mosaïque d'acteurs et de domaines qui, si l'un vient à manquer affecte sa crédibilité et pénalise ses bénéficiaires (technologies de production, de distribution et d'utilisation; développement socio-économique des bénéficiaires par le service rendu; mécanismes institutionnels, organisationnels et financiers; cohésion et synergie entre les différents acteurs dans la conception, la réalisation et l'exploitation). En matière de technologie par exemple, plusieurs techniques sont en mesure de répondre, selon les situations locales, aux besoins en énergie, mais aucune d'entre elles, considérée seule, ne peut prétendre répondre globalement à l'ERD :

- Pour l'énergie éolienne, on ne peut pas retrouver les grands vents dans toutes les régions; - L'hydroélectricité est elle aussi limitée par la fiabilité des équipements de petite taille, la rareté des cours d'eau et la variation des débits;

- Le solaire photovoltaïque, même s'il bénéficie des gisements souvent abondants, est handicapé par son coût d'investissement et la nécessité des batteries d'accumulateurs;

- Les groupes électrogènes dont la fiabilité et la gamme de puissance disponible ne sont plus à démontrer, se heurte à son coût de fonctionnement, dont plus de 75% représentent celui du carburant, tendance qui s'aggrave avec le temps, surtout en zone rurale; c'est le lieu de signaler l'importance de la recherche sur les alternatives d'approvisionnement en carburant surtout compte tenu des exigences des normes internationales en matière d'environnement. C'est ici que la gazéification de la biomasse en vue de la substitution des carburants pétroliers avec le gaz produit constitue une solution de référence dans les zones tropicales humides sous forêt.

Ce bref état des lieux montre combien la complémentarité des technologies de production disponibles est, au niveau technique, la solution susceptible de satisfaire le plus grand nombre d'usagers avec une contrainte de disponibilité énergétique minimale et dans des enveloppes budgétaires limitées.

Mais la tendance globale qui est observée aujourd'hui est toute autre; en effet, rare sont les concepteurs, réalisateurs, opérateurs, bailleurs de fonds, capables de jouer les atouts des différentes options, au sein d'un même programme d'électrification rurale décentralisée; la plupart d'entre eux préférant se limiter à l'une d'entre elles quitte à ignorer les demandes qu'elles ne peut satisfaire et à ne pas valoriser d'autres sources locales d'énergie pourtant disponibles. Pour une bonne réussite, cette tendance devrait être renversée.

Par ailleurs, l'expression électrification rurale même rappelle si besoin en était que la spécificité des différents efforts est d'abord géographique. Il ne s'agit pas d'objectifs et de difficultés associées à un secteur d'activité (industrie, service, résidentiel,...) mais à des zones dont les caractéristiques sont particulières. Quand on parle d'électrification rurale, tout ou presque renvoie à une dimension géographique et c'est encore plus vrai dès qu'il s'agit de l'électrification rurale décentralisée : le choix des techniques en fonction de la densité de peuplement et de la distance des grands centres, la nature des besoins en fonction de la diffusion spatiale des modes de consommation et du climat, le degré de monétarisation et les capacités de paiement qui y sont associés, la localisation, la disponibilité et les caractéristiques des ressources renouvelables. Pour cette raison, la dimension géographique devrait toujours être prise en compte quand on parle de projet d'ERD (Y. MAIGNE., 2000).

Une parfaite connaissance des outils qui permettent d'appréhender efficacement cette dimension est d'une importance capitale. Sans rentrer dans les détails de ces outils, nous noterons qu'il faut connaître :

v' Les différentes variables spatiales et les ordres de grandeur qui caractérisent les peuplements ruraux, et qui sont pertinentes pour sélectionner le type de solution technique le plus approprié (densité de l'habitat, densité linéique des villages à électrifier, accessibilité des sites,...) (E. TANAWA et al., 2000).

v' S'orienter parmi les différentes sources de données permettant d'obtenir les caractéristiques d'un potentiel particulier d'énergies renouvelables (solaire, éolien, petite hydraulique, biomasse ...) en un lieu particulier.

v' Les différents instruments de géomatique, leur utilité pour la programmation d'ERD les différents logiciels (ArcInfo, MapInfo, ArcView, Geoconcept, AutocadMap, ...) ainsi que les différentes contraintes qui y sont associées; parlant de ces instruments, nous citerons les SIG (systèmes d'Information Géographique), les bases de données d'information géographique physique, GPS (Global Positioning System) et images satellitales (C. LAMACHE, 2000)..

Dans le cadre des projets d'ERD, le SIG peut être un outil d'aide à la décision très utile. Il peut aider à:

- effectuer un suivi et une meilleure gestion des systèmes installés; Le SIG va permettre de localiser précisément la position des foyers à électrifier et des foyers déjà électrifiés. Par exemple, en Tunisie, l'Agence Nationale des Energies Renouvelables s'est équipée d'un logiciel SIG et de GPS; l'ensemble des installations sont ainsi localisées grâce au GPS, puis intégrées dans une base de données de SIG; les informations sur les installations qu'on obtient ainsi automatiquement permettent de planifier leur gestion et leur maintenance (C. LAMACHE, 2000).

L'intégration des bases de données SIG dans les projets d'électrification rurale décentralisée permet de mieux planifier les actions à mener.

I.2/- Analyse du cas du Cameroun

Au Cameroun, le problème d'électrification rurale se pose avec beaucoup de vigueur et nécessite une attention tout à fait particulière dans le contexte de la mondialisation et de lutte contre la pauvreté. Par exemple, dans la seule province du Centre, sur les 1321 villages qu'elle compte, plus d'un millier ne sont pas électrifiés (TAGUTCHOU, 2000). Pourtant, ici et là, les besoins sont énormes ; les populations manifestent les besoins d'éclairage, de confort, de motorisation, etc. Cette situation se rencontre dans la plupart des zones du pays.

De façon globale, sur le plan de l'approvisionnement en énergie, on peut faire la différence entre les zones urbaines et les zones rurales.

Les grandes villes comme Douala et Yaoundé sont entièrement couvertes par le réseau hydroélectrique (ici, plus de 85% des ménages ont accès à l'électricité).

En moyenne, dans les zones rurales moins de 10% des ménages ont accès à l'électricité (hydroélectricité), mais on peut distinguer 3 types de zones rurales (TANAWA et al., 1998):

Dans notre travail, il est particulièrement question de nous intéresser aux zones rurales isolées et aux ZRS. Les premières ont un réel problème d'électrification et les secondes ont d'énormes capacités d'auto - production d'énergie électrique et peuvent même générer des surplus d'énergie pour alimenter d'autres zones voisines.

Au Cameroun comme partout ailleurs, pour l'électrification rurale, en dehors du problème de production de l'électricité, un autre problème crucial réside au niveau du transport, de la distribution et de la gestion de l'énergie produite auprès des consommateurs. L'ERD se heurte ainsi plus ou moins à certaines difficultés :

Le potentiel hydroélectrique du Cameroun est évalué à 55,2 GW pour un potentiel productible de 294 TWh/an. Mais dans ce potentiel, 19,6 GW soit 35.5% seulement, est techniquement exploitable pour une capacité de 115 TWh/an¹, ce qui place le Cameroun 18^eme rang mondial et en 2^nd rang en Afrique après le Congo Démocratique (MINEFI, 1998). En plus des grands ouvrages de production, le pays dispose d'équipements de production autonome d'une puissance installée estimée à 74 MW, appartenant à des particuliers et à des industries. La production autonome est de 326 GWh par an, contre 2557 GWh par an pour la Société Nationale d'Electricité (SONEL), concessionnaire de distribution et de gestion de l'électricité du pays. Dans la production totale de la SONEL, 61 GWh sont produits à partir des centrales thermiques (centrale thermique de Bertoua) et 2496 GWh, soit 97,6% à partir des centrales hydroélectriques pour une puissance installée de 80 MW et 757 MW respectivement (MINEFI, 1998). Ces chiffres représentent moins de 2% des potentialités hydrauliques du pays². La production actuelle ne parvient pas à satisfaire tous les besoins urbains. La demande urbaine étant loin d'être satisfaite, les zones rurales se trouvent délaissées. Ceci constitue un énorme problème pour le Gouvernement Camerounais qui, durant les trois dernières années a pris plusieurs mesures face à cette situation, dont les suivantes:

- privatisation de la SONEL pour permettre une amélioration de la production et optimiser la distribution et la gestion.

- Création de l'Agence de l'Electrification Rurale à travers la loi n°98/022/ du 24 décembre 1998 suivi du décret n° 99/193 du 08 septembre 1999 portant organisation de cette structure qui devra trouver des solutions alternatives pour l'électrification des centres isolés.

- Institution de l'Agence de Régulation du Secteur de l'Electricité par la loi n°98/022/ du 24 décembre 1998 régissant le secteur de l'électricité ; elle est chargée d'assurer un contrôle systématique de la gestion et la distribution de l'énergie électrique.

Le coût d'investissement des lignes haute tension (HT), moyenne tension (MT) et basse tension (BT) est prohibitif en zone rurale et ce d'autant plus que l'habitat y est très dispersé. Selon les prévisions du Ministère Camerounais des Mines, de l'Eau et de l'Energie en 2000, la répartition des coûts de transport des différentes lignes est la suivante: 6 millions de FCFA/km pour les BT monophasées, 8 millions de FCFA/km pour les BT triphasées et plus de 45 millions de FCFA/km pour les HT. Avec ces coûts élevés, le concessionnaire des

réseaux ne trouve pas d'intérêt économique à investir. La solution décentralisée d'électrification rurale reste donc la seule efficace et ce avec des alternatives d'approvisionnement judicieuses pour les populations qui sont restées en dehors des réseaux.. > Problème d'habitat dispersé et d'accessibilité des zones isolées

Les zones rurales présentent généralement une très faible densité de population (moins de 10 habitants au km² pour la province du Centre au Cameroun). Dans les villages, les maisons sont alignées le long des axes routiers: la distribution de l'énergie électrique nécessite donc de longues lignes, ce qui appelle des linéaires de réseau encore plus importants.

De plus, dans la plupart des villages de la zone d'étude, les infrastructures routières sont insuffisantes et particulièrement en mauvais état notamment en saison de pluies. Ceci constitue un problème car les installations doivent être transportées, suivies et entretenues par des techniciens qui ne résident pas forcement dans lesdites localités.

Toutes ces difficultés montrent comment il est irréaliste de penser à une électrification rurale au Cameroun par le seul réseau interconnecté. Les options faisables sont donc celles qui favorisent la production locale de l'énergie électrique, d'où le concept d'Electrification Rurale Décentralisée. Il est donc judicieux de penser aux techniques de production de l'énergie électrique par des sources locales en fonction de leurs disponibilités respectives et des contraintes environnementales. Dans le cas spécifique de la province du Centre au Cameroun, la disponibilité de la biomasse fait beaucoup penser à sa valorisation dans la production de l'électricité et la motorisation pour satisfaire les besoins des ménages villageois.

II/- BIOMASSE ET ELECTRIFICATION RURALE

De manière générale, les zones tropicales humides présentent une végétation florissante. Dans le grand Sud du Cameroun, l'on est en zone forestière par essence. Le pays regorge d'énormes potentialités en biomasse végétale (bois, déchets de bois, déchets agro-industriels). Au Cameroun entre 1997 et 1998, le potentiel énergétique en biomasse était estimé à 36 millions de m³ sous forme de déchets laissés sur place lors de l'exploitation de la forêt (MINMEE, 1990). Cependant, malgré leur importante contribution à l'économie nationale, les zones rurales souffrent énormément du problème d'électrification. La question difficile à laquelle il faut apporter des éléments de réponse est donc celle de savoir comment produire de l'électricité à partir de la biomasse, à un coût aussi faible que possible, et ceci pour des puissances installées pas très élevées. En effet, des précédentes études effectuées dans ladite

zone (TAGUTCHOU J. P., 2000), il ressort que ces zones pour leur besoins d'énergie électriques n'ont besoin que de faibles puissances installées (inférieures à 50 kW pour les plus grosses). Pour ce faire, des installations de gazéification fiables, faciles d'entretien et respectant certaines normes internationales en matière d'environnement seraient à même de répondre à cette épineuse question. Mais ces gammes de puissance restent trop faibles pour qu'on puisse envisager les systèmes classiques (chaudières à turbo-alternateur). Compte tenu de la disponibilité de la source d'énergie (biomasse) (TANAWA et al., 1998), des petites centrales électriques avec gazogènes et groupe moto-alternateur sont capables de résoudre le problème dans ces zones. Cependant, au regard de l'état d'avancement de la technologie de gazogène, en ce qui concerne le système de traitement et d'épuration des gaz notamment, il est encore prématuré de compter sur un fonctionnement fiable et continu d'un ensemble générateur de courant électrique par gazéification directe de la biomasse. Il convient donc de penser à proposer un schéma innovant qui intègre au niveau du process un combustible "propre" palliant les imperfections momentanées du système. Le charbon de bois qui est un produit transformé, de part sa composition ne contient théoriquement pas de constituant susceptible de générer ni des goudrons ni des pyroligneux lors de la gazéification (PLATIAU D. et al, 1986). La gazéification du charbon de bois pour la production électrique devrait donc de ce fait éliminer une bonne partie de contraintes relatives à l'épuration de gaz et ceci d'autant plus aisément que, comme nous allons le voir plus loin, la production de ce combustible est maîtrisée par des procédés de fabrication simples et faciles à mettre en oeuvre (LIPS B. et al., 1999). Par ailleurs comme nous allons le voir, le charbon de bois a plusieurs avantages énergétiques dans la gazéification par rapport à celle du bois pur ou des autres biomasses (Pouvoir calorifique doublé, transport faciles, propriétés thermophysiques intéressantes, ...) (BOIZI E., 1999), (P. GIRARD, 1985).

III/- CHARBON DE BOIS DESCRIPTION FABRICATION ET CARACTERISATION

Le charbon de bois est le résidu solide qui reste lorsque le bois a été carbonisé ou pyrolysé dans des conditions contrôlées dans les espaces fermés tel qu'un four à charbon. Historiquement, le charbon de bois est ce produit qui a permis à l'homme antique de traverser l'âge de la pierre. Après plusieurs siècles d'utilisation en tant que combustible de premier choix, le charbon de bois a connu depuis le siècle dernier un déclin d'exploitation au profit des nouvelles sources d'énergies fossiles (houille, pétrole)

Aujourd'hui encore, le contexte énergétique européen et mondial reste très vulnérable compte tenu de la prédominance du pétrole dans le bilan énergétique et ses difficultés d'approvisionnement et de la limitation des gisements en combustible fossiles exploitables. Cette incertitude qui plane sur la demande et les approvisionnements énergétiques vient se superposer aux contraintes environnementales de plus en plus pressantes et limite ainsi en faveur d'une diversification de ces approvisionnements notamment vers les sources locales. Dès lors les potentialités forestières disponibles surtout dans les pays du Sud offre une réelle opportunité de diversification. Le développement de savoir-faire et de technologie bioénergétiques devrait permettre l'utilisation rationnelle de cette ressource à la fois dans les pays industrialisés, mais aussi dans les PED au travers du transfert des technologies. De plus, le charbon de bois est un produit convoité dans les industries chimiques, métallurgiques, sidérurgiques et électro-métallurgiques en particulier pour ses propriétés adsorbantes et déshydratantes recherchées.

En tant que combustible, le charbon de bois présente de multiples avantages, il est facile à transporter et à poids égal, il contient deux fois plus d'énergie que le bois brut. Cependant, les contraintes environnementales liées à la déforestation et la désertification limitent beaucoup sa production dans les zones dépourvues de forêt. Cette production est rendue économiquement rentable avec l'utilisation des déchets de scieries installées dans les différentes régions où celles-ci se trouvent. L'utilisation de ce produit comme source d'alimentation de gazogène en vue de la productivité d'électricité reste donc une option efficace pour la gazéification.

III.1/- Caractéristiques générales du bois et de déchets de bois.

Avant de rentrer dans la transformation du bois et déchets de bois en charbon de bois, il convient d'abord d'exposer quelques considérations générales sur les propriétés physiques et chimiques du bois, propriétés qui jouent un rôle important au cours de la carbonisation

Il faut reconnaître que toutes les espèces de bois peuvent être carbonisées, mais elles ne fournissent pas toutes un charbon d'égale qualité. Voilà pourquoi il est important de reconnaître certaines propriétés des bois lorsqu'on veut obtenir des charbons dont les propriétés doivent répondre à des spécifications plus précises.

Sans rentrer dans le détail de l'anatomie du bois, il convient de noter que l'anatomie microscopique du bois distingue deux grandes catégories de bois : les conifères ou bois résineux (gymnospermes) et les feuillus (angiospermes) encore respectivement connus sous les noms de "bois tendres" et "bois durs". La principale différence est remarquée dans la structure, la compacité et les dimension des fibres dont dépend la dureté relative du bois (P. GIRARD, 1985). Au cours de la carbonisation, la chaleur pénètre dans le bois principalement dans la direction des fibres. La structure et les propriétés de ces dernières auront donc une répercussion directe sur les propriétés physiques des charbons.

III.1.1/-Composition du bois

La composition élémentaire du bois varie très peu quelle que soit l'espèce considérée. C'est ainsi que l'analyse élémentaire du papyrus sec donne : 49,05% C, 40,9% O2, 5,24% H2, 0,52% N2 et 4,29% de cendres (PLATIAU D. et al, 1986). De façon générale, en moyenne on peut estimer la composition élémentaire du bois comme étant la suivante : 49,5 % de carbone, 6 %d'hydrogène, 43 % d'Oxygène, 0,5 % d'azote, et 1% de cendres (TAGUTCHOU J. P., 2000).

Il convient de noter ici que de nombreux éléments font varier la teneur en cendre des bois et de ses déchets (essence, nature du sol d'origine de l'arbre). On doit attacher une certaine importance à la teneur en cendre du bois puisque la teneur en cendre du charbon de bois en dépend directement; ainsi, pour la gazéification, les charbons doivent avoir une teneur en cendre aussi faible que possible, et surtout si le gaz produit est destiné à un moteur. La teneur en cendre doit être faible et inférieure à la teneur limite qui est de 5%, teneur à partir de laquelle apparaissent généralement les premiers problèmes d'agglutination de cendre en gazéification (PLATIAU D. et al, 1986). Il importe donc de faire un choix approprié des essences à carboniser et de limiter au maximum la présence d'écorce et les feuilles (sources de cendre) sur les bois de carbonisation.

La formule chimique globale approchée du bois est de la forme CH1,5 O0,65 si on néglige l'azote et les cendres. Mais en tenant rigoureusement compte de tous les éléments, la formule du bois est de la forme _{C6H8,39O3,54N0,1} (KOBNOM O., 1994)

La teneur en eau du bois vert est d'environ 50 % et plus, mais cette teneur diminue avec l'évaporation progressive de l'eau pour tomber au environ de 15 à 20 % après un séjour suffisamment prolongé dans l'air ambiant et sans abri. L'humidité du bois est probablement le facteur le plus important qui intervient dans la carbonisation.

III 1.2/- Propriétés thermo-physiques du bois

La masse volumique d'un bois à 12 % d'humidité varie en général de 250 à environ 1200 kg/m³ sec. Elle dépend principalement de l'espèce et de l'âge de la plante. Le pouvoir calorifique d'une matière solide est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de masse du combustible. Le PCI est une fonction de l'analyse élémentaire en carbone et en hydrogène. Le PCI de végétaux se situe entre 16500 et 19500 kJ/kg. On a par exemple 16,860 kJ/kg de PCI pour le papyrus rwandais (PLATIAU D. et al, 1986).

La capacité thermique massique du bois ne varie que très peu en fonction de l'espèce. Elle se situe en moyenne entre 1,0 et 3,0 kJ.kg^-1.K^-1 (pour un bois humide à moins de 20 %).

La conductivité thermique du bois quant à elle dépend du sens considéré pour le flux de transfert thermique: 0,15 à 0,25 W.m^-1K^-1 dans le sens transversal et 0,20 à 0,45 W.m^-1.K^-1 dans le sens longitudinal du bois sec (BOIZI E., 1999). Globalement, les pailles ont une conductivité inférieure à celle du bois : environ 0,04 W.m^-1.K^-1. Cette différence a une influence sur l'avancement de la réaction pour des conditions de traitement données. Selon le procédé de traitement utilisé, le rendement de carbonisation varie entre 15 et 32 % sur le bois anhydre.

III.2/- La carbonisation

III.2.1/- Description et théorie.

La carbonisation est le processus de transformation thermochimique de la biomasse en vue de la production du charbon de bois. Celui-ci s'obtient par pyrolyse du bois c'est-à-dire la destruction, sous l'action de la chaleur et en l'absence d'oxygène des composés organiques ou minéraux du bois. Ici, c'est en particulier la dégradation des deux polymères végétales qui constituent le bois c'est-à-dire la cellulose _(C6H10O5)n et la lignine _(C10H12O3)n. Cette destruction donne naissance à trois types de produits :

- Le charbon de bois qui représente 25% à 30% du poids du produit, contient 80% à 90% de carbone et regorge ainsi 45% à 55% de l'énergie des produits.

- Les pyroligneux : représentant 40% à 45% de l'énergie et est constituée essentiellement d'eau, d'acide acétique, d'acétone, d'acide formique, de méthanol, d'acide de méthyle, de phénol de crésol et plus quelques goudrons épais.

- Les gaz quant à eux représentent 10% à 15% du poids, 10% à 15% de l'énergie du produit et sont constitués essentiellement de l'oxyde de carbone (CO), du gaz carbonique (CO2) du méthane (CH4) et de quelques traces d'hydrogène (H2) (GIRARD P., 1985).

Suivant la conduite de la réaction, on favorisera la formation de gaz (on parle alors de gazéification) ou de charbon de bois, (on parle de carbonisation). Bien entendu, le charbon produit peut être à nouveau gazéifié.

Les travaux réalisé par Browne en 1958 lui ont permis de conclure que : "le rendement de production lors de la pyrolyse complète du bois est quasiment similaire à celui des principaux constituants traités séparément". On retrouve dans une publication de Robert de 1970, que la pyrolyse des matières végétales commence avec la dégradation des hémicelluloses, constituants les moins actifs, entre 200°C et 260 °C, puis nous avons celle de la cellulose de 240°C à 350°C. La dégradation de la lignine commence à environ 280°C pour achever le processus à 500°C. De façon plus détaillée, on retiendra que la pyrolyse suit l'évolution suivante (GIRARD P., 1985) :

- Jusqu'à 100°C, le bois sous l'action de chaleur se dessèche et perd son eau sans subir

- Vers 150°C, le bois brunit et on peut déceler la présence de l'acide acétique dans l'eau

- Vers 280°C, le bois est en pleine décomposition par condensation des vapeurs qui se

dégagent on obtient un liquide abondant qui se sépare par dépôt en deux couches : les

goudrons d'un noir intense à la couche inférieure et les pyroligneux à la couche supérieure aqueuse, de couleur rouge foncé. Les gaz incondensables qui s'y échappent sont constitués d'anhydride carbonique, de monoxyde de carbone de méthane et d'autres hydrocarbures.

- Vers 300°C la décomposition du bois augmente encore, la température s'élève
rapidement toute seule sans chauffage à la suite du fort dégagement de chaleur qui accompagne la réaction primaire. C'est la phase exothermique de la carbonisation. La chaleur de réaction dégagée au cours de cette phase est égale à 6% de la chaleur de combustion du bois.

- Au-delà de 350°C, la distillation se ralentit et elle devient pratiquement complète vers

450°C. Il ne se dégage plus alors que de faibles quantités de gaz et de vapeur condensable. Après refroidissement à l'abri de l'air, on trouve dans le four un résidu de charbon de bois noir, brillant et sonore, si la carbonisation a été suffisamment poussée et bien dirigée.

Dans le processus de carbonisation on peut donc distinguer les quatre grandes phases suivantes :

Si nous nous intéressons durant ces différentes étapes aux proportions massiques d'évolution des produits obtenus lors de la pyrolyse du bois ainsi que les proportions de carbone fixe, du charbon correspondant, on peut avoir les différents valeurs en fonction de la

Figure n°1: Evolution de la proportion massique des des produits obtenus
lors de la pyrtolyse du bois et, du taux de carbone fixe du charbon
correspondant en fonction de la température

température. Le rendement de la carbonisation peut être considéré comme la proportion de matière solide des produits par rapport à la masse de combustible anhydre de départ.

En reconstituants les valeurs obtenues par E.M.Boizi en 1999 (BOIZI E., 1999) on peut avoir le tableau suivant :

Tableau n° 2: Evolution des différents constituants du bois et de la température au cours de la carbonisation

A partir du tableau n° 2, on peut avoir les courbes de la figure n°1 qui donnent l'évolution des différentes proportions des produits de pyrolyse en fonction de la température.

En ce qui concerne l'aspect cinétique de la transformation, on admet que la dégradation thermique des matières ligno-cellulosiques suit une loi cinétique qui est celle de 1er ordre d'Arrhenius. Cette tendance fut observée par AKITA en 1929 puis vérifiée par TANG en 1967. On pose pour ce faire en pratique l'équation suivante (ou une de ses variantes) (E. Boizi, 1999).

k et E sont les données cinétiques de la dégradation thermique d'une matière carbonée. A titre indicatif, voici quelques valeurs du rapport E/R : 9500 K, 8810 K, 14700 K, 50946 K (BOIZI E., 1999).

Les valeurs de k varient avec des rapports de plus de 10²⁰. Cette variation des énergies d'activation est liée aux conditions expérimentales (mode d'évacuation des gaz, durée de traitement ...) et à l'échantillon utilisé (taille, forme, distribution spécifique de constituants).

III 2.2/- Caractéristiques principales du charbon de bois

Du point de vue de la composition élémentaire, un charbon végétal pur est principalement constitué de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène, avec des proportions plus ou moins importantes selon les conditions de carbonisation. Notons que le meilleur charbon à usage de gazéification est le charbon qui contient le maximum de carbone. A titre indicatif, le tableau qui suit donne quelques valeurs moyennes de a composition du charbon de bois en fonction de la température de pyrolyse:

Tableau n°3: Composition du charbon de bois en fonction de la température (GIRARD P., 1985)

L'analyse chimique révèle aussi des traces de cendres qui sont des composés inorganiques initialement contenus dans la matière première.

La masse volumique d'un charbon de bois massif peu varier de 0,14 à 0,60 t/m³. En comparant ces valeurs à celles du bois de départ vues précédemment, (0,25 à 1,2t/m³, on se rend compte que la densité du charbon de bois est fortement corrélée à celle du bois de départ, un bois dense donnant un charbon dense et un bois léger donnant un charbon léger, avec un coefficient massique de transformation de l'ordre de ¹/2 c'est-à-dire si ?b et ?_c sont respectivement les densités du bois de départ et du charbon, produit alors on a ?_c ¹/2 ?b

Un des premiers tests réalisés sur du charbon de bois est l'indice de matière volatile. En sortie de four, le charbon de bois est totalement sec. La reprise d'humidité au cours du temps est relativement faible (moins de 10% sur sec à l'équilibre) et dépend de la structure du matériau : un charbon riche en matière volatile aura un taux d'humidité moindre. On définit également le taux de carbone fixe qui est la proportion de matières autres que les matières volatiles.

Tout comme pour le bois, le pouvoir calorifique du charbon de bois est une fonction de l'analyse élémentaire en carbone hydrogène. En pratique il est fixé à une moyenne de 32 MJ/kg (contre environ 17 MJ/kg pour le bois initial).

La chaleur spécifique d'un charbon de bois varie entre 0,82 kJ.kg^-1.K^-1 et 1,25 kJ.kg^-1.K^-1. La conductivité thermique de la particule de charbon se situe aux alentours de 0,06 W.m^-1.K^-1.

Pour ce qui est des propriétés mécaniques, un charbon de bois est plus ou moins cher, plus ou moins favorable et plus ou moins résistant. Ces qualités mécaniques dépendent de la nature de l'espèce d'origine et des paramètres thermiques de fabrications (BOIZI E., 1999).

Dans tout état de cause pour la plupart des applications (chaleur, gazéification, etc.) les tests préliminaires standards nous intéressant sur le charbon de bois sont principalement :

- des tests physiques (densité, friabilité, reprise d'humidité, pouvoir calorifique)

- des tests chimiques (taux de cendre, taux de matières volatiles, taux de carbone fixe).

Notre objectif dans l'étude de la carbonisation est donc de pouvoir être capable de caractériser le charbon de bois pris sur le marché de Yaoundé, celui-là même qui nous permettra de faire des tests de gazéification en vue de la motorisation villageoise et de l'électrification rurale. Pour pouvoir atteindre cet objectif, il est important de connaître la technologie de fabrication de ce charbon de bois.

III 2.3/- Technologie de carbonisation

La carbonisation est un processus complexe de transformation thermochimique nécessitant une source de chaleur pour son déroulement. Cette transformation thermochimique nécessitant une source de chaleur pour son déroulement, les technologies employées aujourd'hui dans le monde pour la production du charbon de bois peuvent être classées en trois procédés selon le mode d'apport de l'énergie nécessaire au traitement : les procédés à combustion partielle, les procédés à contact de gaz chauds et les procédés à chauffage externe.

La carbonisation à chauffage externe a lieu en vase clos (réacteur cornue) et l'énergie de traitement est fournie à la charge par l'intermédiaire d'une surface d'échange. Outre la possibilité de carboniser sans un conditionnement important de la matière première végétale, les procédés à chauffage externe sont coûteux, facilement mécanisables et peuvent permettre

un bon contrôle des rejets gazeux vers l'atmosphère. Les capacités de production sont assez élevées (5000 à 6000 t/an et les rendements avoisinent les 30 % (sur sec).

Ici, l'énergie utilisée est fournie par un gaz chaud provenant d'un foyer externe (possibilité de valorisation des gaz résiduaires) et mis en contact avec la charge. Ce procédé est plus exigeant en terme de conditionnement préliminaire de la matière première.

III.2.4/- Influence des conditions de carbonisation sur les caractéristiques du charbon de bois.

* les fours doivent être bien étanches pour éviter les entrées d'air (le refroidissement ne se fait pas bien parce qu'une combustion lente continue à consommer le charbon de bois, d'où les rendements désastreux avec une qualité médiocre).

* les fours doivent être bien remplis pour plusieurs raisons, d'une part la carbonisation par cycle d'une grande quantité de bois anhydre augmente le rendement technologique du dispositif, ensuite, il diminue les charges en main d'oeuvre et enfin, minimise la qualité d'air dans le four, permettant une meilleure conduite du cycle ce qui par conséquent augmente le rendement pondéral.

En conclusion, les principaux facteurs qui règlent le rendement et la qualité du charbon de bois sont la qualité des bois à carboniser et la température finale de la carbonisation. La vigueur de la réaction dépend surtout de la teneur en humidité du bois enfourné, tandis que la teneur en carbone du charbon de bois dépend de la température finale de la carbonisation. D'autre part, toutes les techniques de carbonisation permettent d'obtenir un charbon de bois de qualité, pour autant que le personnel et les matières premières s'y prêtent. Les éléments de choix de matériel doivent donc plutôt tenir compte du prix de ce matériel, de la facilité de mise en oeuvre et de sa productivité.

III.2.5/- Charbon de bois dans les Pays en Développement (PED) : Cas de Yaoundé au Cameroun

Commencé par le bois de chauffe, le charbon de bois est utilisé de manière marginale à Yaoundé, capitale du Cameroun; mais il reste une source d'énergie importante pour la population. A Yaoundé, on retrouve l'usage exclusif du charbon de bois dans un certain

nombre de cuisson : grillade de poulets, poissons, viandes dans les plus grands restaurants de la ville.

Le charbon de bois consommé à Yaoundé provient de deux filières différentes :

- des charbonniers des environs de Yaoundé qui exploitent la forêt. Ce charbon est de qualité variable mais en général assez léger.

- des différentes scieries situées entre 50 et 200 km de la ville où on retrouve des équipes de charbonniers souvent d'origine malienne ou ivoirienne qui fabriquent du charbon à partir des déchets de bois de scierie. Ici l'utilisation de bois lourds permet d'obtenir un charbon dense de très bonne qualité (LIPS B. et al., 1999).

Les deux filières de production sont de type traditionnel, mais la matière première et les techniques sont très variables. Le procédé de fabrication le plus usuel est le procédé de carbonisation à combustion partielle dans des meules et fosses. La figure n°2 présente le schéma d'une meule à charbon dans la localité de Baba, située dans l'arrondissement de Soa, à une quinzaine de km de Yaoundé (LIPS B. et al., 1999).

Figure n°2: ..Schéma d'une meule artisanale dans la localité de Baba, près de Yaoundé m

Les meules ont généralement un volume variant entre 4,5 m3 et 8 m³ et ont généralement un taux de remplissage d'à peu près 70 % pendant la carbonisation. Le taux de carbonisation est généralement élevé (73,8 % par exemple). Le rendement pondéral ou rendement de production sur matière anhydre est donné par le rapport masse de charbon produit sur masse initiale anhydre de bois enfournée et vaut 11,5 % tandis que le rendement énergétique est de 19 % (LIPS B. et al., 1999). Le charbon de bois produit est commercialisé

dans les principaux marché de Yaoundé (Mokolo, Madagascar, Elig Edzoa ...). La production du charbon de bois issu de la forêt autour de Yaoundé est estimée à 1000 sacs de 40 kg environ par semaine, soit une production annuelle évaluée à 2000 tonnes. Ceci représente une consommation d'environ 2 kg par habitant de Yaoundé et par an. Ce chiffre est très faible comparé à celui d'autres villes africaines du Sahel (Nouakchott, Dakar, ...) où on a 100 à 200 kg/habitant/an (LIPS B. et al., 1999). Ceci s'explique par le fait que les habitants de Yaoundé utilisent très peu le charbon de bois pour la cuisson chez eux (le bois brut leur semblant meilleur marché) et l'essentiel de la consommation est dû aux ventes de grillades dans la rue (maïs, plantain, prune, poissons, viande,...).

A Yaoundé, le charbon de bois peut se retrouver commercialisé à un prix moyen de 75 Frs/kg. Soit environ 3000 FCFA par sac de 40 kg. Mais généralement on retrouve ces sacs chez des grossistes à un prix allant de 2500 Frs à 3000 Frs. Le charbon provenant des scieries est plus dense et les sacs peuvent avoir un poids de 50 kg. Le prix de vente de ces sacs est très homogène à 2500 Frs/sac et reste moins cher que le charbon artisanal provenant des charbonniers des villages voisins de Yaoundé (localité de Baba près de Soa). 3

Les possibilités de production sont nombreuses notamment avec la multitude de scieries qu'on retrouve à l'Est du pays. La valorisation de leurs déchets dans la carbonisation est une excellente idée, mais il faut faire face aux contraintes de transport si l'utilisation ne doit pas être faite sur place. C'est donc ici que se justifie l'excellente idée de gazéification du charbon de bois produit pour la production d'électricité et la force motrice dans ces localités qui ne sont pas électrifiées.

3 Ces informations ont été vérifiées au "marché charbon " du marché Mokolo à Yaoundé en Octobre 2001.

IV!- ASPECT TECHNOLOGIQUE DE LA GAZEIFICATION.

La gazéification d'un combustible solide est son oxydation partielle par l'air, l'oxygène, la vapeur d'eau, le gaz carbonique, seuls ou en mélange, conduisant à un produit gazeux combustible composé principalement d'hydrogène et de monoxyde de carbone. C'est une technique bien connue, la gazéification du charbon de bois ayant longtemps fourni le gaz de ville. Par rapport à l'historique, il faut noter que depuis le début du 20^e siècle, est apparu le premier gazogène sur véhicule en Europe ; cette époque constitue un véritable tournant pour la technologie de gazéification. Les gazogènes à bois et à charbon de bois sont alors développés partout en Europe et aux Etats Unis. C'est ainsi que suite aux problèmes d'approvisionnement en carburants pétroliers pendant la seconde guerre mondiale, on va compter en 1942 près de 300 000 unités de gazogènes installés sur véhicules en Allemagne et une centaine de mille chacun pour la France, le Japon et l'Union Soviétique. Après 1945, avec le retour des carburants pétroliers, on va assister à une chute de la gazéification qui va être redécouverte pendant la décennie 1974 - 1984 à l'occasion du choc pétrolier (TAGUTCHOU, 2000). D'après l'histoire, la gazéification est une technique éprouvée qui a fait ses preuves en situation difficile, jouant le rôle d'alternative d'approvisionnement en carburant. Avec un champ d'application vaste, c'est une technique qui devrait constituer une solution au problème difficile d'électrification rurale en centre isolé, surtout en zone forestière humide où la matière première est disponible et bon marché.

Notre préoccupation ici est donc d'analyser la gazéification du charbon de bois en vue de la production de l'électricité et de la force motrice en zone forestière humide. C'est ainsi que nous nous convenons de présenter la théorie de gazéification de la biomasse en générale et celle du charbon de bois ; nous essayerons de voir aussi les avantages et inconvénients de la gazéification du charbon de bois par rapport à celle du bois brut; il sera aussi succinctement présenté la technologie fondamentale de gazéification.

IV.1!- Technologie de la gazéification de la biomasse

IV.1.1!- Principe de fonctionnement des gazogènes

Le principe de fonctionnement des gazogènes part du principe fondamental du gazogène à lit fixe et à tirage inversé qui fut développé par l'Ingénieur IMBERT en 1921 et qui constitue la base des gazogènes aujourd'hui commercialisés (figure n° 3):

C'est un gazogène à bois comprenant deux axes concentriques : une cuve centrale cylindroconique constituant le réacteur et une cuve extérieure jouant le rôle d'échangeur de chaleur:

Dans la cuve centrale, cylindro-conique, le combustible traverse 4 zones successives : 1' Une zone de séchage entre 100°C et 200°C.

1' Une zone de pyrolyse entre 200°C et 800°C où la biomasse est transformée en charbon, gaz (CO, CO2, CH4, H2) et des goudrons.

1' Une zone d'oxydation entre 800°C et 1200°C où le carbone du charbon de bois et les produits volatiles dégagés dans la zone de pyrolyse sont craqués totalement ou partiellement en présence de l'air distribué par des tuyères.

1' Une zone de réduction où les molécules de carbones de CO2 et de H2O sont transformées en monoxyde de carbone, H2 et CH4.

Le gaz quitte ensuite la zone de réduction et entre dans la cuve extérieure; il remonte cette double enveloppe en se refroidissant par transfert de chaleur (conduction et convection) vers la cuve centrale et vers l'extérieur.

IV.1.2/- Différents types de gazogène

Suivant le mode de circulation dans le générateur du gaz produit (c'est-à-dire selon que le combustible et le gaz produit se déplacent dans le même sens ou dans le sens inverse), selon la granulométrie des particules à gazéifier, on distingue trois variétés de gazogènes dits à lit fixe, à lit mobile, et à lit fluidifié.

Si le principe de gazéification n'est pas nouveau, la technologie peut être améliorée en ce qui concerne la taille des appareils (et donc le coût d'investissement), leur rendement (absence de carbone dans les cendres, absence de goudrons dans le gaz) et leur facilité de conduite. Les gazogènes de petites puissances pour des besoins des petits groupements ont fait l'objet de travaux en Inde où des sociétés spécialisées commercialisent des gazogènes de petite et moyenne puissance. En fonction de leur taille on distingue :

> Des gazogènes de petite puissance allant jusqu'à quelques dizaines de kW. Ces gazogènes sont adaptés pour l'électrification rurale et la production de la force motrice dans les centres isolés.

> Des gazogènes de grande puissance environ 200kW à 500kW pour des besoins importants des industries.

Il faut noter que la gamme de puissances varie avec le coût d'investissement, les grandes puissances nécessitant de plus gros investissements. A titre d'exemple, le coût d'acquisition d'un gazogène de 5 kW peut être évalué à environ 2,5 millions de FCFA tandis qu'un groupe gazo-électrogène de grande unité d'environ 300 kW peut nécessiter un peu plus de 115 millions de FCFA (TAGUTCHOU J. P., 2000).

IV.1.3/- Utilisations et Contraintes

Les utilisations des gazogènes sont variées et vont de la production thermique à la production électrique en passant par la synthèse des produits chimiques.

Pour la production électrique, il nécessite la connexion d'un moteur pouvant fonctionner au gaz pauvre comme le moteur Diesel. Ici on peut avoir 2 options :

- Option tout-gaz où le moteur est un moteur à allumage commandé dérivé du moteur à essence ou à gaz et où on introduit un mélange carburé air-gaz de gazogène et dont l'ignition est effectuée par l'étincelle d'une bougie d'allumage.

- Option dual-fuel où le moteur est de type Diesel-gaz qui est un moteur Diesel standard dans lequel on introduit un mélange carburé air-gaz de gazogène et dont l'ignition du mélange est effectuée par une injection pilote de diesel représentant 10 à 20% de l'énergie totale.

Après la production de l'énergie mécanique par le moteur Diesel, les besoins de force motrice peuvent être satisfaits (motopompes, presse à huile, moulin, ...).

Pour la production thermique, un brûleur doit être connecté à la sortie et alimenté de gaz de gazogène.

- Contraintes liées au combustible (conditionnement). Ici le combustible (bois) utilisé doit respecter certaines normes de granulométrie, de taux d'humidité en fonction des usages qu'on fera du gaz. Par exemple, pour le bois, le taux d'humidité doit être inférieur à 20% et la granulométrie de l'ordre de 5%; de plus, le gaz produit ici doit être destiné aux brûleurs et moins conseillés pour les moteurs à moins qu'une bonne épuration soit faite car ce gaz contient beaucoup, de goudrons. Si le combustible est le charbon de bois, celui-ci doit être bien sec et le gaz produit pourra alors être adapté pour les moteurs pour la production électrique car le taux de goudrons dans le gaz est bien réduit.

IV.2/- paramètres influençant la qualité des gaz de gazéification.

Etant donné que nous nous préparons à gazéifier le charbon de bois, il est primordial de connaître les paramètres de gazéification sur lesquels on pourrait éventuellement jouer pour optimiser la production d'un gaz de bonne qualité pour la combustion dans les moteurs à combustion interne. Sans entrer en détail, les principaux facteurs qui influencent la composition des gaz sont :

- la température de gazéification ainsi que la cinétique de montée en température ; - la nature physique et chimique du produit à gazéifier ;

- la conception du gazogène, notamment pour ce qui concerne le système de cracking des goudrons ;

- la composition de l'atmosphère de réaction (la présence de vapeur d'eau enrichit le gaz produit en hydrogène).

IV.3/- Charbon de bois à usage gazogène.

Les propriétés les plus importantes d'un charbon de bois concernant son emploi dans les gazogènes sont:

- Le comportement au cours de la carbonisation en fonction du temps, de la température ainsi que du degré d'humidité et de la forme des diverses essences.

Dans le numéro 23 hors série de la revue "combustible et carburants forestier", il est recommandé pour la fabrication de charbon de bois à l'alimentation des gazogènes que ces caractéristiques principales se rapprochent des suivantes (GIRARD P., 1985):

Les résultats obtenus pour les essais faits sur les charbons de la ville de Yaoundé se trouvent dans le § III du chapitre 3 suivant.

Connaissant toutes ces propriétés, la question qu'on devrait logiquement se poser est celle de savoir comment peut-on faire pour obtenir un charbon de bois de toutes ces qualités. Sans revenir sur les parties précédentes concernant la carbonisation, rappelons simplement que pour obtenir un charbon de bois ayant toutes les caractéristiques énumérées ci-dessus, il faut:

Enfin, pour être employé dans le gazogène, le charbon de bois doit être exempt de morceaux trop gros et trop petits (le poussier est particulièrement nuisible); Avant son chargement dans le générateur du gazogène, le charbon de bois doit subir les opérations suivantes: concassage, criblage et dépoussiérage.

Avantages et inconvénients de la gazéification du charbon de bois par rapport à celle de la biomasse brute.

Il est important de noter ici les avantages et les inconvénients que l'on a en gazéifiant le charbon de bois plutôt que le bois brut.

? il a déjà perdu la quasi-totalité des matières volatiles du bois de départ;

? La combustion du charbon de bois comparée à celle du bois produit très peu de goudron, source de corrosion des chambres de combustion;

? Le charbon de bois est essentiellement constitué de carbone (plus de 80%) contrairement à la biomasse brute qui n'en contient que moins de 50%;

? Lors de son utilisation dans les gazogènes, le temps d'allumage est plus réduit.

? La gazéification du charbon de bois fournit des gaz propres et plus riches en énergie (ce gaz contient de moins en moins du CO2 et du N2);

? Le gaz produit par gazéification du charbon de bois contient moins de goudrons et est ainsi adapté pour les moteurs à combustion interne.

1' Pour ce qui est des inconvénients, on n'en note pas beaucoup, mais on peut quand même signaler:

? Le charbon de bois a perdu une bonne partie de son énergie au cours de la carbonisation;

? Par rapport au bois brut, le charbon de bois nécessite une transformation supplémentaire de la matière première, ce qui contribue à augmenter le coût de production finale de l'électricité;

? Le charbon de bois nécessite une contrainte supplémentaire de conservation, car il

reprend facilement l'humidité (à cause de la structure poreuse qui le constitue);

Les différentes réactions de gazéification sont encore mal maîtrisées et de nombreux travaux sont encore en cours pour mieux connaître les différentes réactions de gazéifications afin de pouvoir les orienter dans le sens d'une plus grande production de gaz à PCI élevé. Cependant il existe sur le marché du matériel ayant atteint un niveau de technologie qui peut être suffisant pour assurer l'approvisionnement en énergie de quelques sites très isolés non raccordés au réseau national d'électricité, surtout en zone forestière humide.

Après avoir fait le point sur la revue bibliographique concernant la biomasse et l'électrification rurale en générale et la technologie de gazéification en particulier, nous allons essayer de faire le points sur les expériences que nous retrouvons de part le monde à propos de la gazéification de la biomasse. C'est ce qui va faire l'objet du prochain chapitre.

CHAPITRE II
EXPÉRIENCES DE GAZÉIFICATION DANS LE MONDE

INTRODUCTION

Pendant que la combustion de la biomasse produit de la chaleur directement utilisable, la gazéification produit un gaz qui peut être utilisé pour des procédés thermiques plus contrôlés, pour faire fonctionner des moteurs à combustion interne ou des turbines à gaz et pour la synthèse des produits chimiques combustibles liquides (méthanol, ammoniac....). La biomasse reste le seul combustible renouvelable pour la gazéification.

En 1979 un des auteurs dans le domaine avait publié alors un article sur "Enquête sur la gazéification de la Biomasse" pour le compte de la SERI (Solar Energy Renewable Institute) aujourd'hui NREL (National Renewable Energy Laboratory). En ce moment les seules connaissances sur la gazéification restaient celles des archives de la 2^e guerre mondiale. Aujourd'hui une impulsion est donnée dans le domaine de la gazéification de la biomasse et plusieurs gazogènes ont été construits, mis en opération avant d'être abandonnés. Dans cette partie, nous nous proposons de présenter l'état actuel de la technologie de gazéification dans le monde, dans l'optique de donner quelques perspectives dans ce domaine très vaste car il y a plusieurs milliers de systèmes de gazéification de part le monde avec très peu de différence de conception les uns des autres. Ensuite nous essayerons de présenter un résumé de quelques projets de gazéification en cours dans ce domaine ainsi que l'état des recherches y afférant.

I/- ETAT ACTUEL DE LA TECHNOLOGIE DE GAZEIFICATION

I.1/ Bref historique de la gazéification

Le destin de la gazéification de la biomasse et du charbon s'est beaucoup contrarié dans un monde riche en pétrole, houille et autres réserves en combustibles fossiles. L'âge classique de la gazéification peut être considéré comme s'étendant entre les années 1800 et 1940. Jusqu'en 1920, plusieurs pays du monde avaient des "gasworks" où les producteurs de gaz (mélange primaire de CO, CO2, 112 C114 et N2) délivraient, stockaient dans des bonbonnes à gaz et fournissaient aux ménages et les industries. Avec le développement du transport du gaz naturel à travers des pipelines, ces industries et leur connaissances ont disparu. Aujourd'hui avec les menaces qui pèsent sur les gisements fossiles et les contraintes environnementales y afférant, nous avons encore besoin de ces connaissances. La 2^e guerre mondiale était l'âge d'or pour la gazéification de la biomasse avec plusieurs milliers de gazogènes utilisés en Europe. Avec l'embargo énergétique de 1970, plusieurs projets de

gazéification étaient mal conçus basés sur des technologies inappropriées de charbon. C'était alors l'âge noir de la gazéification de la biomasse. Certains de ces projets sont passés de la phase de conception à la phase de test pilot jusque totalement à l'échelle commerciale. C'est ainsi qu'en 1979, on retrouve plus de 81 projets et constructeurs de gazogènes reportés dans la première revue "Survey of Biomass Gazéifification " publiée en 1979 (REED T. B. and al, 1999).

La crise de l'énergie de 1974 - 1984 a été tempérée par la conception selon laquelle la crise était largement artificielle et politique et ne représentait pas la chute imminente du pétrole. La chute du prix du pétrole au milieu des années 1980 a causé le déclin de tous les projets de gazéification en cours qui avaient vu le jour avec la hausse du prix du pétrole. Depuis ce temps, avec l'entrée en jeu de plusieurs autres paramètres liés à la protection de l'environnement, des ressources naturelles et la peur de provoquer de brusques changements climatiques, on a assisté à la renaissance de l'intérêt de la gazéification comme la meilleure manière d'utiliser la source renouvelable que constitue la biomasse.

Durant la 2^e guerre mondiale, la gazéification de la biomasse était utilisée pour le transport civil des cars, autobus, locomotives, etc. Mais, aujourd'hui, cette gazéification est vue premièrement comme une source potentielle de production d'électricité. Cette vision est plus réaliste encore quand il s'agit de la production décentralisée de l'énergie électrique.

I.2/- Gaz et gazéification de la Biomasse

Depuis l'existence de l'homme, le bois et ses dérivés ont été brûlés pour la production de la chaleur. Depuis l'apparition de la gazéification dans les années 1800, il est apparu que le gaz était meilleur comme combustible pour plusieurs usages. Le gaz produit est un mélange de H2, CH4 et CO comme source d'énergie et CO2 et N2 comme composés inertes. Dans tous les cas, la gazéification a de nombreux avantages par rapport à la combustion directe du bois ou charbon :

v' le gaz est plus facile à distribuer dans les tuyaux pour une ville, dans des brûleurs ou lampes ou encore à injecter dans les cylindres des moteurs à combustion interne ;

v' la combustion des gaz est claire puisque les impuretés ont disparu au cours de la gazéification ;

v' le rendement de la combustion des gaz est élevé puisqu'on peut mélanger le gaz avec la proportion réelle d'air pour une combustion optimale ;

1' bon rendement pour la production de la force motrice : pour la production de la vapeur pour les turbines à vapeur avec le bois ou la houille, le rendement est faible et demande un espace plus large pour la condensation ; par contre, le gaz peut être utilisé dans des turbines à gaz et les moteurs à combustion interne avec un bon rendement et ce dans un espace plus réduit ;

Donc le gaz est utile pour la cuisson, la réfrigération (réfrigérateur à gaz) et l'éclairage, production de chaleur, les moteurs pour la production du travail et la force motrice, et pour la synthèse des produits chimiques. La révolution industrielle dépend de la logique d'avoir des combustibles contrôlables et efficacement utilisés.

Par ailleurs, le terme "biomasse" a été amené à usage courant par la première crise de l'énergie pour le bois et autres formes de matières organiques lorsque ceux-ci peuvent subvenir aux besoins énergétiques. La biomasse est une forme d'énergie renouvelable et peut potentiellement subvenir aux besoins énergétiques de l'humanité. Les récentes pressions environnementales sur la croissance des proportions du CO2 et autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère appellent à l'usage de la biomasse renouvelable comme source d'énergie non polluante étant donné que le CO2 produit est immédiatement recyclé (ou capté) pour la génération de nouvelles plantes. En effet, le cycle du carbone dans ce cas se présente comme indiqué sur la figure n° 4 ci-dessous.

Ainsi, il est possible de fabriquer des gazogènes de biomasse plus petits que ceux utilisant la houille pour des usages à petites échelles pour les PED (Pays en voie de développement) et les Communautés villageoises isolées.

Nous ne reviendrons plus sur le principe même de la gazéification étant donné que nous avons amplement exposé la théorie y afférant dans le chapitre précédant. Nous allons nous préoccuper dans la suite à faire néanmoins un état des lieux sur la technologie existante aujourd'hui dans le monde.

I.3/- Etat actuel de la Technologie de gazéification dans le monde

Les gazogènes les plus usuels aujourd'hui dans le monde sont des gazogènes dit à lit fixe. Ce nom commun donné aux gazogènes se rapporte à la manière dont le combustible circule et la manière dont il est supporté d'une part, et simultanément le mode de circulation du flux gazeux. Ainsi on distingue des gazogènes à tirage inversé ou descendant, à tirage direct ou ascendant, ou encore à contre-courant, à tirage transversal ou horizontal, à lit fluidisé. L'utilisation de ces noms aide dans la lecture ou la littérature sur les gazogènes, mais dérange (ou gêne) en même temps aujourd'hui dans la compréhension des opérations des nouveaux gazogènes. C'est donc des noms qu'il faudrait utiliser avec beaucoup de réservation. Dans le processus de gazéification, la chaleur nécessaire au procédé peut provenir de la combustion directe du gaz de pyrolyse (tirage descendant et co-courant) ou de la combustion du charbon de bois séparément (tirage ascendant) ou encore de la combinaison des deux combustions (lit fluidisé).

Chaque gazogène et dispositif de combustion utilise une forme de recyclage de la chaleur pour générer les 5 à 15 % de la chaleur nécessaire pour la pyrolyse comme le montre le tableau n°4 ci-dessous. Dans la conception des gazogènes, le principal problème est celui de s'arranger à fournir cette quantité de chaleur au combustible entrant, et est déterminant dans la grande variété des gazogènes.

Tableau n°4 : Répartition des différents types de gazogènes en fonction de la source de
chaleur nécessaire pour le procédé.

> Quelques paramètres important de l'aspect scientifique de la gazéification :

Nous allons essayer d'énumérer sans rentrer dans les détails quelques paramètres importants pour une étude minutieusement détaillée du fonctionnement d'un gazogène :

1' Rapport air combustible, le pouvoir comburivore et/ou le taux d'équivalence.

Le rapport air combustible est la masse d'air nécessaire pour la combustion complète d'une unité de masse de combustible tandis que le pouvoir comburivore est cette quantité en terme de volume

D'après la relation suivante, (TAGUTCHOU J. P., 2000), il ressort qu'on a besoin de 6,26 kg d'air pour brûler 1kg de bois sec.

Le taux d'équivalence quant à lui est le rapport entre la quantité d'air effectivement utilisée dans le procédé et la quantité d'air stoïchiométrique requise pour la combustion complète.

Les calculs thermodynamiques montrent que pour être converti en gaz, cette quantité d'1kg de bois sec a besoin de 1,56 kg d'air.

Dans tous les cas, l'apport en air est une donnée importante dont dépend la température de la réaction. L'apport en air doit donc être bien contrôler pour avoir une certaine gamme de température pour les différentes réactions comme le montrent les courbes de la figure n°5 cidessous (REED T. B., 1981).

Ici plusieurs calculs doivent être faits et les mesures prises sur les taux d'humidité, la pression, les températures et la composition des gaz et des imbrûlés à la sortie du gazogène.

* La vitesse superficielle des gaz (VSG) qui est le rapport entre le débit de gaz produit (m³/s) et la section interne du réacteurs (m²). Le terme superficiel réfère au fait que le VSG n'est pas encore une vitesse en soit, mais a juste la dimension d'une vitesse. La VSG est basée sur des mesures faites sur le gaz dans les CNTP⁴ et non à la Température du réacteur. La VSG est un paramètre de performance qui a longtemps permis de faire la différence sur les gammes de gazogènes longtemps commercialisés. De ce nombre peuvent en dériver un bon nombre de caractéristiques de gazogènes ;

* la production superficielle de gaz qui mesure le taux de production du gaz par

avec (h = hauteur du réacteur, A = section du réacteur ) hA= volume réacteur PSG (m³ gaz/s)/(m³ réacteur).

En fonction de leur composition et de leur pouvoir calorifique (énergie contenue dans le gaz), on distingue les gaz pauvres (4<PCI < 7 MJ/m³), les gaz à moyen PC (9 < PCI<15MJ/m³ et les gaz riches PCI>20MJ/m³.

De la conception à la mise en fonctionnement des gazogènes beaucoup de problèmes existent :

- problèmes d'utilisation de biomasse à taux de matière minérale élevé (balles de riz, coques d'arachides, ...).

I.4/- Vision globale de la gazéification dans le monde

On peut écrire tout un livre sur les gazogènes en se referant simplement aux récentes publications sur le sujet et des pareils livres sont publiés ou en cours de publication. Nous essayons de présenter ici l'état de quelques projets de gazéification tel qu'on a dans le monde.

Les pays comme les USA, le Canada, les Pays Scandinaves, la Finlande ont de grandes ressources forestières et des grosses installations industrielles dépendant de celles-ci. C'est évident qu'ils ont fondé leur intérêt pour la gazéification à grande échelle et étant donné que les gazogènes à lits fluidisés sont les plus appropriés pour les grandes productions (> 10

MW, 10 tonnes/heure), ce type de gazogène est partout le plus prisé. On retrouve dans ces pays et dans d'autres encore des installations qui peuvent être considérées comme ayant atteint un stade commercial et plusieurs d'autres approches comme objectifs.

Comme mentionné précédemment, il est perçu que depuis 1980, les gazogènes pour les utilisations thermiques et la production de la force motrice avaient déjà fait leur preuve en petite échelle. Mais jusqu'aujourd'hui les pays comme les Pays Bas, la Suisse, linde, la Chine et le Danemark ont encore un intérêt accru pour les petites installations, qui sont les plus appropriées pour l'utilisation de la biomasse dont les ressources sont dans la plupart des cas dispersées. Par tout dans le monde, beaucoup de travaux sont conduits sur les petites installations. La USDE (United States Development of Energy) a montré récemment son intérêt pour la distribution des gazogènes de petite puissance.

Il est possible maintenant de concevoir des petits gazogènes pour les besoins de cuisson domestique. Ceci se fonde sur le principe de gazogène à tirage inversé ou descendant, où l'ignition se fait au dessus d'une cuve cylindrique contenant la biomasse (pellets, briquettes, brindilles, ...) et l'air entrant par le bas et traversant la cuve de bas en haut par convection naturelle ou forcée. Les cuisinières à convection naturelle sont les plus simples à mettre en oeuvre et à opérer. Une excellente cuisinière peut être conçue à partir d'une cuve cylindrique nécessitant une cheminée-brûleur au-dessus du lit du combustible dans laquelle le gaz provenant de la pyrolyse brûle naturellement par inspiration d'air. Pour ce qui est des unités à convection forcée, elles nécessitent un petit ventilateur électrique (2W) et génèrent environ 3 à 5 kW de puissance thermique (REED, 1999). Tous ces deux types peuvent être chargés, brûlés et éteints à l'intérieur d'une maison sans qu'on soit exposé au problème d'odeur.

> Gazogène pour la production thermique de la force motrice et des carburants de synthèse.

Les gazogènes peuvent produire du gaz pour des applications thermiques (séchage, briqueterie et cimenterie, verrerie, cuisson opération dans les turbines à gaz pour l'énergie électrique, chaudières, ...).

Pour ces utilisations, la production de gaz est relativement simple nécessitant un minimum de réduction du taux de goudron, en s'assurant de maintenir le gaz assez chaud pour

empêcher la condensation des goudrons dans la tuyauterie et le brûleur. Malgré le peu de support qui a jalonné leur développement depuis 1970, ces gazogènes ont été lentement développés et représentent aujourd'hui la majorité des gazogènes en opération dans le monde.

Les gaz peuvent être aussi utilisés pour la production de la force motrice dans le moteur diesel, les moteurs à étincelle et gaz, les turbines à gaz, etc.

Dans cette seconde grande utilisation, il faut redouter les proportions importantes de goudrons dans les gaz produits, impuretés qui peuvent provoquer des corrosions dans les moteurs. Ainsi plusieurs succès commerciaux des gazogènes concernent aujourd'hui des productions thermiques. Un excellent effort est aujourd'hui fait en direction de la diminution des impuretés comme les goudrons dans le gaz produit par filtration ou catalyse.

Finalement, les gazogènes peuvent être utilisés pour la synthèse des produits chimiques à travers la voie de production des gaz de synthèse.

Il est donc clair que la technologie de gazéification est en plein essor partout dans le monde comme dans les années d'après seconde guerre mondiale. Malgré le fait qu'il est démontré que c'est une technologie de développement, on constate que c'est encore les pays du Nord qui pour la grande majorité se lancent dans le développement de celle-ci. Par souci d'utilisation des énergies vertes renouvelables pour ainsi contribuer à la réduction des émissions à effet de serre, et la maîtrise des changements climatiques, les pays du Sud devraient déjà embrasser cette dynamique globale, surtout avec la crainte d'épuisement des gisements pétroliers. Pour mieux appréhender les expériences de la technologie de gazéification dans le monde, nous nous proposons de présenter succinctement dans la suite les résumés de quelques projets de production des gaz en cours dans le monde.

II/- RESUME DE QUELQUES PROJETS DE GAZÉIFICATION DANS LE MONDE

Dans cette partie dans le souci de mieux cerner les contours de la gazéification de la biomasse dans le monde, nous essayons de présenter ici un petit résumé de quelques projets qui sont en cours. Nous ne pouvons pas faire le tour de toutes les activités, mais quelquesunes prises au hasard devraient apporter une clarté d'esprit sur la vision globale à propos du sujet. Il est fait aussi allusion ici aux fabricants de gazogènes.

II.1/- Projet de gazéification à grande échelle

II.1.1/- Burlington Electric (FERCO, Battelle) : Gazogène intégré à double lits fluidisés.

Durant les 15 dernières années, Battelle (Columbus) a développé une unité à double lit fluidisé qui produit un gaz à 18 - 22 MJ/m³ sans utilisation d'oxygène. La biomasse est

pyrolysée dans un lit de fluide sans oxygène, produisant du gaz, du charbon et des composés organiques. Le charbon et le sable sont séparés dans le cyclone et introduits dans l'autre lit qui brûle le charbon, réchauffant le sable à 1000°C et 1050 °C. Ensuite le sable chauffé est introduit dans le premier lit apportant ainsi la chaleur nécessaire pour la pyrolyse.

En 1984, "Burlington Electric" a été la plus large installation de bois dans le monde utilisant 85 tonnes/heure pour générer 50 MWe de puissance électrique. Politiquement, l'équipement et le nouveau projet sont supportés officiellement par l'Etat et le Sénateur local. (T. B. REED, 1999)

II.1.2/- Forster Wheeler - Pyroflow (Formerly Ahlestrom) Corporation : Gazogène à lit fluidisé mobile

Forster Wheeler est un fabricant en Finlande qui commercialise à la fois des gazogènes atmosphériques et à lit fluidisé. La biomasse utilisée pour la gazéification atmosphérique est constituée de bois, déchets de bois, charbon, etc.... Les Charges approximatives minimales et maximales pour les systèmes atmosphériques étaient 2000 kg/h et 27000 kg/h respectivement. Une unité pilote existe mais n'est plus utilisée depuis avril 1992.

Les recherches sont en cours sur l'unité à lit fluidisé. Forster Wheeler est une Compagnie Commerciale Multinationale spécialisée dans les chaudières et les gazogènes avec environ 12 années d'expériences dans la gazéification. En 1990, les ventes du groupe s'élevaient à plus 2300 millions de dollars avec environ 12000 employés.

II.1.3/- Institut Technologique du gaz : Gazéification à lit fluidisé

L'institut technologique du gaz est une institution basée au Sud de Chicago, conduisant des tests de gazéification sur le procédé "Renugas" depuis 1979. c'est une structure d'éducation et de développement qui conduit des recherches à but non lucratif dans l'intérêt du gaz naturel et de la force motrice des industries. Il a déjà 18 années d'expériences sur les technologies de gazéification de la biomasse.

Le but du procédé qu'il développe est d'arriver à la gazéification de 11 tonnes /jour de biomasse à l'échelle pilote pour produire un gaz à moyen PCI pouvant être utilisé comme combustible gazeux dans les industries ou pour substituer le gaz naturel ou de synthèse. Le gazogène peut opérer avec de l'air ou l'oxygène à la pression de plus de 32,7 bars et à la température de 850°C à 900°C.

Tableau n°5 : composition du gaz produit par l'Institut Technologique du gaz

II.1.4/- "Lurgi Energie" Und Umweltlechnik" : gazogène à lit mobile pour la production de la force motrice.

L'objectif principal de ce projet mis en oeuvre à Francfort en Allemagne est la gazéification du bois, RDF et charbon de bois pour la production d'un gaz à moyen PCI dans un gazogène à lit fluidisé circulant. La charge de l'installation commerciale est approximativement 8030 kg/h à 15 % d'humidité et 5 % de taux de cendre ; il y a une installation pilote fonctionnant à la pression atmosphérique avec l'air ou l'oxygène. Un système modifié opérant avec l'oxygène et la vapeur peut produire un gaz de synthèse pour la conversion en méthanol et les autres produits chimiques.

"Lurgi" a une installation pilote de gazéification à Frankfort. Celle-ci utilise comme matière première le RDF (Refuse Derived Fuel) et produit un gaz d'environ 3,1 kg/kg de combustion. Les données de composition des gaz de gazéification du RDF de cette installation sont :

8,27 % H2, 9,76 %CO, 9,30 % CO2, 1,55 %CH4, 0,64 % C2⁺, 0 %,O2, 43,06 % N2, 0,07 %, H2S, 27,35 %.H20 (REED T. B., 1999).

Cette installation fait habituellement des contrôles de pollution sur la base des taux d'émission officiels admis par la norme allemande en la matière.

Le coût d'un système de gazéification comme celui de Lurgi CFB, dépend d'un certain nombre de facteurs incluant le type de biomasse utilisée et le procédé utilisé. En excluant la charge de site d'installation, une installation comme celle de Frankfort en design et en taille peut avoir un coût de l'ordre de 21 millions de Deutschemark allemand (environ 7,5 millions de £, ⁵soit environ 7.1milliards de FCFA).

Les installations de gazéification de Pols et l'équipement de gazéification à l'échelle pilote de Frankfort sont encore opérationnels. Les deux équipements ont été vendus pour un montant total de 90,1 millions de Deutschemark allemand (environ 30,2 milliards de FCFA) et seront les plus grandes centrales électriques utilisant la biomasse d'Europe.

II.1.5/- Thermochem Inc. (Manufacturing and Technology Conversion International (MTCI)

Avec la coopération du département de l'Energie des Etats Unis, la commission d'Energie de Californie, l'Agence de production de l'environnement et les compagnies privées, la MTCI et sa filiale Thermochem, Inc, ont développé une technologie de transformation de la vapeur qui est uniquement capable de transformer la matière organique pour produire un gaz à moyen PCI, riche en hydrogène. La « MTCI/Thermochem Steam Reformer » peut utiliser pour la conversion de l'énergie des matières premières telles que RDF (Refuse Derived Fuel), déchets de céréale, déchets ménagers, charbon et toute autre matière contenant des substances organiques. MTCI est une compagnie américaine de développement des technologies basée à Baltimore, Maryland qui a plusieurs références dans la conversion de l'énergie, le traitement des déchets et les procédés de contrôle de pollution de l'air. Thermochem Inc, est aussi situé à Baltimore et assure les marchés et les commissions des systèmes développés par MTCI.

Les premières installations de démonstration de MTCI/Thermochem ont été construites en 1992 à la "Inland Container Corporation", usine de recyclage de papier à Ontario en Californie et opérait avec des excrétas contenant des petites fibres et des plastiques. Cette installation de démonstration avait une capacité de 12 tonnes par jour. En 1995, MTCI a conduit une excellente démonstration de capacité de 50 tonnes/jour ("Pulse Enhance Black Lipror Steam Reformer) à New Bern en Caroline du Nord. Thermochem et MTCI ont aussi excellemment conduit plusieurs campagnes de démonstrations avec les mélanges de déchets à bas-niveau (MDBN) autour du procédé de développement des unités de transformation de vapeur, ceci avec 750 heures de tests continus. Les résultats de ces tests ont indiqué essentiellement la destruction totale des halogénures organiques, et la rétention des radio nucléides dans les résidus solides du volume réduit.

Le système global est peu coûteux et offre une sécurité environnementale non incinérable, et est facilement acceptable par le public comme méthode pour les mélanges de déchets à bas niveaux. Une évaluation commandée par la zone "Mixe Waste Focus Area" du département de l'Energie des Etats Unis, a quotté cette technologie comme la première des 23

technologies en liste pour l'alternative d'incinération pour la destruction des déchets organiques (SCHWINKENDORF, 1997).

Les résultats des compositions de gaz provenant des différents types de biomasse sont dans le tableau n°6 suivant : le méthane apparaît comme étant relativement constant (5 à 12%).

Tableau n°6: Composition des gaz produits pour différents types de biomasse par la MTCI

II.1.6/- Wellman process Engineering LTD: Gazogène à tirage ascendant avec craquage catalytique pour la génération de la force motrice

La compagnie Anglaise Wellman conçoit des gazogènes pour le charbon et le bois depuis 75 ans. Elle manufacture aussi des chauffe-eau et autres équipements thermiques. Ils ont conçu une centaine de gazogènes qui produisaient du gaz pour les villes du monde pendant la période 1923-1950. En 1990 ils ont conclu à la suite d'une étude de marché qu'il y avait des possibilités de génération de l'énergie électrique à base du bois dans la gamme 2,5 à 20 MW c'est à dire (2,5 à 10 tonnes par jour) en utilisant des gazogènes à tirage ascendant. Le gaz qui à la sortie du gazogène a un PCI d'environ 5,53 MJ/Nm³ et à la composition suivante : 6,9 % de 112 , 22,2 % de composés hydrocarbonés, 29,5 % de CO, 55,3 % de N2 et 6,1 % de CO2.

II.2/- Projets de gazéification à petite échelle

Le monde des gazogènes à petite échelle est en perpétuel bouleversement avec des hommes, des compagnies et des installations qui viennent et disparaissent à tout moment. Certains gazogènes sont développés pour des petites échelles, d'autres sont largement vendus

et certains disparaissent tout simplement. Les petites unités peuvent être utilisées pour approvisionner des procédés ou des besoins thermiques domestiques.

La production du gaz pour les besoins électriques et de la force motrice sont encore plus difficiles. Mais les petits gazogènes seront dans tous les cas la clé pour le développement et l'industrialisation des PED. Les pays développés dépendent des infrastructures établies sous forme de réseaux (réseaux de communication, de télécommunication, d'assainissement, d'eau, d'électricité, de gaz,...) installés durant les 100 dernières années. Mais pour avoir accès à ces réseaux, il faut se rapprocher des grandes villes. Les zones reculées se trouvent négligées et ont donc besoin des installations localisées pour atteindre les consommateurs. L'exemple qui frappe aux yeux dans ce sens est celui des téléphones cellulaires qui rend possible la communication sans ligne téléphonique naturelle. Dans le même sens, les gazogènes de faible puissance (10 - 100 KW) peu coûteux pour la génération de l'énergie mécanique et électrique pourraient contribuer à rendre disponible partout où besoin sera l'énergie électrique, l'eau et le gaz ménager.

Dans les paragraphes suivant, il est question de présenter quelques petits projets de gazéification à petite échelle qui ont été réalisés ou sont en cours de réalisation dans le monde.

II.2.1/- AEW Associated Engineering Works

C'est une compagnie indienne qui est en service depuis 1986 et qui fabrique les gazogènes pour l'énergie thermiques (0,1-1 CW/h) et les applications électriques. Ces gazogènes utilisent les bois, les plaquettes de bois, copeaux, charbon de bois, balle de riz,... et peut être facilement adapté aux autres combustibles biomasse.

Ces gazogènes sont disséminés un peu partout dans le monde et sont spécialisés dans des applications localisées comme l'électrification rurale à petite puissance.

A propos, il faut noter que c'est cette compagnie qui est le fabricant de l'unité qui nous permet de faire des tests pour sou tendre l'étude objet de notre travail ici. C'est donc sur un gazogène AEW que nous avons focalisé notre étude et dont les résultats des premiers tests sont présentés dans le chapitre suivant.

II.2.2/- The Biomass Energy Foundation

Biomass Energy Foundation (BEF) est une organisation qui travaille sur le terrain depuis 1983 sur la gazéification de la biomasse. Depuis 1989, avec l'arrivée dans cette structure de nouveau spécialistes du domaine, (Thomas REED par exemple), plusieurs livres et articles scientifiques ont été publiés dans la presse de la BEF sur l'énergie, la biomasse et la

gazéification. Actuellement, T.B. REED a développé une cuisinière turbo fonctionnant au gaz du bois et qui brûle le plus de biomasse avec un bon rendement sans émission. Elle utilise un ventilateur électrique de 3 W pour produire environ 3 _KWth d'énergie thermique pour la cuisson.

Thomas B; REED travaille aussi dans le développement des micro-utilisations à travers de petits programmes du département américain de l'Energie (DOE). A ce propos, un gazogène automatique de 12 KW est actuellement en cours de développement (REED T. B., 1999).

II.2.3/- HTV Energy

HTV Energy est une structure de recherche suisse qui oeuvre dans la valorisation énergétique de la biomasse. Depuis 1985 pratiquement, ce développement a été lancé par Mr Helmut Juch, qui démontrait quelques 6 années plus tard que leur système pouvait produire un gaz pouvant être utilisé dans les engins sans les problèmes usuels, de corrosion par le goudrons et phénol. En octobre 1996, date d'une visite effectuée sur le site basé à Mittelgaustrasse en Suisse, leur installation était encore en opération. Le gazogène à tirage descendant utilisé opérait avec un générateur électrique de 750 kW. Au jour d'aujourd'hui, le gazogène a déjà opéré pendant 3500 heures et le moteur 250 heures environ sur le site de Kestenholz. Le gaz produit ici avec un rendement de 75 - 95 % a un PCI de 5 à 6,5 MJ/Nm³. Toutes les émissions sont dans les limites des normes allemandes pour ce qui est de l'impact environnemental.

II.2.4/- Université de Cardfiff aux Pays de Gales

Le Département de Mécanique et des Etudes Energétiques de l'Université de Cardiff travaille depuis longtemps dans le domaine de la gazéification sous la houlette du Prof. N.Syred. C'est ainsi que sous sa direction plusieurs recherches sont conduites dans le domaine

de la caractérisation et du contrôle et de la modélisation de la gazéification de la biomasse. ^Iiconduit maintenant une recherche sur l'analyse et l'amélioration des opérations de charge

manuelle de la biomasse dans des unités de chauffage à l'air. Un gazogène à lit fixe de 200 kW thermique intégré d'un échangeur gaz-air a été conçu et construit par un projet monté conjointement entre l'Université de Cardiff et l'Université Technologique de Malaisie. Ce système utilise les déchets agricoles et les résultats des différents tests ont fait l'objet de la thèse du Dr David BEEDIE de la Division d'Electronique de l'Ecole d'Ingénierie de l'Université de Cardiff basée aux Pays de Galles (United Kingdom) .

Parallèlement des recherches sont menées ici sur la valorisation de la biomasse en vue de la production de l'électricité. Le contexte de ces recherches est la nécessité de développer efficacement la production d'électricité a partir de la biomasse et ceci, a coût réduit et a petite échelle. Ces études sont fondées sur les directives de l'Union européenne de mai 2000 qui invite les Etats membres a adopter des priorités pour l'énergie renouvelable pour que la commission puisse atteindre ses objectifs de 12 % d'énergie et 22,1 % d'électricité a partir des sources renouvelables a l'horizon 2010.

Pour les Royaumes Unis, ceci signifie atteindre les 10 % d'électricité a partir des sources renouvelables a cette date. Les récents résultats d'études dans le domaine ont été atteints avec le soutien financier de l'Union Européenne.

II.2.5/- Institut National des Industries Extractives (INIEX)

Depuis une vingtaine d'années, l'INIEX basée a Liège en Belgique, conduit une étude expérimentale sur la valorisation énergétique de la biomasse par gazéification au Rwanda. C'est ainsi qu'en 1985 il a publié un rapport sur le thème "Intégration de générateurs de gaz dans un système de valorisation énergétique du papyrus au Rwanda (PLATIAU D. et al, 1986). Le projet avait pour objet de démontrer le bon fonctionnement du gazogène de la firme W. EVRARD dans une unité de compactage de Papyrus des marais au Rwanda. L'intérêt principal du recours a la technique de gazéification dans ce cas étant de rendre autonome sur le plan énergétique, l'unité de compactage grâce a l'intégration d'un ensemble gazogènegroupe électrogène utilisant comme combustible une partie de Papyrus récoltée.

Le Papyrus est une plante a grande tige nue, haute de 2 a 4 mètres, a section triangulaire se terminant par des ombrelles. A sec le papyrus a un PCI égale a 16,86 MJ/kg contre 17,87 MJ/kg et 14,42 MJ/kg pour le bois de chêne et les parches de café respectivement (Platiau D. et al, 1986). Par ses propriétés physiques et chimiques le papyrus mérite une place de choix dans la liste des biomasses valorisables a des fins énergétiques. L'unité de compactage de Kigali permet la production de 1,5 tonne/jour de briquette de papyrus en moyenne. Avec le groupe électrogène correctement chargé, la production de 1 tonne de briquettes de papyrus nécessite la consommation énergétique de 105 kg de papyrus a 20 % d'humidité et 8,5 litres de gasoil.

Après ce point sur ces expériences, nous allons dans le chapitre suivant présenter les résultats de la phase expérimentale que nous avons effectuée sur un gazogène indien de type AEW.

CHAPITRE III:
CHOIX TECHNOLOGIQUES, PROCEDURES, RESULTATS
DE L'ETUDE EXPERIMENTALE, ANALYSE ET
CONCLUSION

INTRODUCTION

En vue d'envisager une contribution exemplaire de la biomasse dans le processus d'électrification rurale décentralisée en cours dans notre pays, nous avons opté pour la gazéification du charbon de bois en vue de l'approvisionnement des groupes électrogènes pour la production d'électricité dans les centres isolés. L'installation utilisée à cet effet se trouve actuellement à Yaoundé en provenance de l'IRSAT (Institut de Recherche en Sciences Appliquées et Technologies) de Ouagadougou au Burkina-Faso d'où elle a été transférée après des tests de faisabilité non concluant (à cause semble-t-il de la qualité et de la disponibilité de la biomasse utilisée à cet effet). Ce n'est donc qu'après les présentes études que l'installation devra être transférée sur site pilote dans un village de la province du Centre.

Pour bien mener ces tests de gazéification du charbon de bois, nous avons commencé par rechercher au cours des expériences pratiques les différentes caractéristiques du charbon de bois provenant d'un des marchés de Yaoundé, en occurrence le marché Mokolo. Nous nous sommes limités aux caractéristiques qui sont les plus importantes et qui sont à notre portée compte tenu du matériel que nous disposons (taux de carbone fixe, PCI, taux d'humidité, taux de matières volatiles taux de cendre).

La première phase des tests sur l'installation a porté sur la maîtrise même du phénomène de gazéification. Il s'agit donc de savoir comment le gaz pouvait être produit et sous quelles conditions on pouvait avoir un gaz de meilleure qualité ; c'est-à-dire dans le cas précis, un gaz dépourvu de composés inertes (N2, CO2, ...) et riche en éléments combustibles (H2, CO, CH4, ...). Ainsi il a été question pour nous de faire une étude thermodynamique théorique du phénomène même de gazéification de l'installation, le gaz produit devant être testé sur un brûleur. Ceci devrait permettre de voir les différents problèmes de l'installation en général et du gazogène en particulier afin de proposer des solutions pour l'amélioration de la qualité des gaz produits. Pour ce faire nous avons opté pour le suivi d'un paramètre important du phénomène. Pour arriver à notre dessein, il est important d'appréhender les différents phénomènes qui ont lieu dans le réacteur lors de la production des gaz. Ceci ne peut se faire que par une modélisation mathématique des réactions chimiques et des transferts thermiques dans le lit de charbon de bois. La température apparaît donc ainsi comme un paramètre

important qu'il faut suivre en des points particuliers pour avoir une idée des conditions au limites en vue d'une modélisation complète et le dimensionnement des appareils dans la suite des études. C'est pourquoi nous avons opté pour la prise des températures au niveau de la paroi du réacteur. Ainsi, les mesures ont été prises au cours du temps en continu sur une durée d'à peu près 2 heures avec des valeurs décalées de quelques secondes seulement.

It MATERIEL.

L'installation que nous avons utilisée pour notre étude est une installation de gazéification de la biomasse en vue de la production thermique et électrique, installation située à ERA-Cameroun, une ONG camerounaise basée à Yaoundé. Ce matériel est une oeuvre indienne de la société AEW (Associated Engeneering Works) basée dans la localité indienne de TANUKU et qui est spécialisée depuis plusieurs années dans la conception et la fabrication des gazogènes à petite échelle pour des applications thermiques et électriques. Quelques photos de l'installation se trouvent en annexe n°2.

Des thermocouples d'une précision, ?T = #177;1°C ont été utilisés pour la prise des températures.

I.1/- description des équipements

L'installation d'expérimentation est un ensemble de matériels soudés sur une plate-forme de superficie 12 m² (3m x 4m) environ. Pour que cette plate-forme puisse supporter tout cet ensemble de matériel sans problème, elle a été constituée de poutres et de poteaux en béton armé. L'installation comporte un gazogène (générateur à gaz), un dispositif d'épuration et de filtrage, un moteur diesel, un alternateur, des accessoires de motorisation (pilon, moulin, pompe à eau...) et un ventilateur électrique pour l'alimentation en air (voir photo n°1).

C'est un gazogène indien à tirage inversé (co-courant) de puissance électrique d'environ 158 kW et dont les caractéristiques théoriques sont les suivantes:

Ce gazogène est constitué d'un réacteur à double enveloppe, avec à l'intérieur un cône rétréci à la base et qui comporte une grille au travers duquel transitent les cendres et les fines particules de charbon avant de se retrouver dans le cendrier. Ce dernier est un parallélépipède de 0,1 m³ (0,5m x 0,5m x 0,4m) qui sert à la fois à recueillir les cendres et de dispositif tampon qui empêche la fuite des gaz à la sortie du réacteur ; raison pour laquelle on le remplit entièrement d'eau.

A l'intérieur du cendrier est fixé un agitateur qui débouche directement dans la zone de réduction; il supporte la grille fixée immédiatement en dessous de la zone de réduction .

Sur le réacteur est fixé un ventilateur manuel centripète qui assure l'allumage du gazogène. Le générateur a 2 ouvertures de chargement, l'une au dessus et l'autre sur sa partie latérale.

Un brûleur de grande puissance est associé au gazogène est nécessite d'être déconnecté de l'installation si on veut utiliser le gaz produit dans un moteur.

L'alimentation en air du gazogène et du brûleur se fait à travers un ventilateur électrique de 0,75 kW. Pour ce faire, deux vannes sont utilisées, l'une débouchant au coeur du réacteur et apportant l'air par le sommet et l'autre sur le brûleur pour apporter l'air nécessaire à l'inflammation des gaz.

Pour l'utilisation de l'installation en vue de la production électrique et de la force motrice, dispositif plus ou moins complexe est mis en place :

Il est constitué d'un filtre et d'un refroidisseur. Le gaz qui sort du réacteur à haute température entre d'abord dans un refroidisseur à eau, puis dans un filtre fait de granulats et d'eau avant de ressortir refroidi et épuré pour le moteur Diesel.

Il est de marque Kirloskar de 7,4 kW de type DM10 sur lequel on peut lire les caractéristiques suivantes: rpm =1500; bhp =10.

Il est de marque Kirloskar, type 4DL 2/4, de 6,0 kVA délivrant un courant alternatif de 240 V, 25A, 50 Hz.

C'est un appareil électrique de 0,75 kW fonctionnant au courant alternatif (220/230 V, 6,1A, 50 Hz).

Deux courroies assurent la transmission du mouvement de rotation du moteur à un arbre qui lui, transmet son mouvement à travers d'autres courroies pour les autres besoins de motorisation (Moulin à écraser, presse à huile, décortiqueuse à café, pilon pour les produits agricoles durs, pompe à eau).

Pour l'utilisation électrique, l'arbre est relié à l'alternateur par deux courroies.

La figure n° 6 ci-dessous représente le schéma de l'installation telle qu'elle se trouve sur place à ERA-Cameroun.

48 CHAPITRE 3 : Choix Technologiques, Procedures , Resultats De L'etude Experimentale, Analyse et conclusion

Figure n° 6: Schéma de l'installation de Gazéification avec le gazogène Indien AEW

I.3/ Description des matériels de mesure

v' La balance

Nous avons eu à notre disposition une balance de 20 kilogrammes de portée avec une précision de 50 grammes.

- Un thermomètre à affichage digital (modèle 305 thermometer) que nous avons acquis du Laboratoire d'Energétique (LAEN) de l'ENSP de Yaoundé ; il effectue des mesures rapides des hautes températures (pouvant atteindre 2000°C) à lui envoyer par un thermocouple avec une précision ? T = #177;1°C.

- Deux autres thermomètres appartenant l'un à ERA-Cameroun et l'autre au Laboratoire Environnement et Science de l'Eau (LESEAU) de l'ENSP ont été utilisés pour la circonstance.

Notons que les températures sont prises au même moment que le temps en vue de répliquer l'évolution de la température en fonction du temps.

Pour assurer le bon fonctionnement du gazogène, plusieurs paramètres (débit d'air, pression de l'air et des gaz, excès d'air, température du réacteur et des gaz ...), doivent être suivis ; ceci nécessite alors un appareillage tout à fait diversifié. D'après l'INIEX (Institut National des Industries Extractives) de Liège en Belgique, une installation de gazéification peut être dotée :

La connaissance du débit et de la composition des gaz permet de déduire la puissance thermique du générateur de gaz et le pouvoir calorifique des gaz produits.

En récapitulatif, le tableau n°5 suivant donne la composition du petit matériel nécessaire pour une bonne étude de fonctionnement d'une installation de gazéification destinée à la production électrique et thermique (PLATIAU D., 1986).

Tableau n°7 : composition du petit matériel de suivi d'une installation de gazéification .

II/- BIOMASSE UTILISÉE

Cette étude a été précédée par une identification des possibilités qu'offre la biomasse

pour l'approvisionnement en énergie. C'est ce qui a fait l'objet des études antérieures faites dans le cadre du mémoire de maîtrise. Dans cette étude, il a été question de faire un inventaire de toutes les ressources en biomasse qui pouvaient être utilisées à des fins énergétiques. Il en ressort que le charbon de bois est une matière première qui peut avoir beaucoup d'avantages dans la gazéification en vue de la production de la force motrice à travers des moteurs à combustion internes (§ IV.3/- du chapitre I), notre choix a porté pour les présents tests sur le

charbon de bois que nous nous sommes procurés au marché Mokolo à Yaoundé. Nous y avons trouvé deux types de charbons, un de type artisanal et l'autre de type industriel.

La matière première utilisée ici est le charbon de bois qui provient du marché Mokolo à Yaoundé. Nous avons opté pour deux types de charbon de bois:

Avant de passer à l'utilisation de ces deux types de charbon, nous avons procédé à l'estimation des caractéristiques les plus importantes de ce combustible. Les essais préliminaires ont tour à tour porté sur:

Nous avons fait un test de densité de ces échantillons et nous avons eu comme densité pour le charbon industriel, 280 #177;11 kg/m³. Le charbon artisanal quant à lui reste moins dense et sa densité est d'environ 260 #177;11 kg/m³. ceci nous donne une incertitude de l'ordre de 4% sur ces mesures.

Par définition ce rapport est défini par la formule suivante et détermine la quantité d'air nécessaire pour la combustion complète stoechiométrique d'une unité de masse de combustible:

La composition du charbon de bois étant: 95,8%C, 1,0%H2, 3,2%O2, on trouve donc A/F=2,77 kg air/kg.

Le taux de cendre correspond à la quantité de résidus obtenus après la combustion du charbon. Pour avoir une idée de la valeur de ce paramètre, nous avons fait le test suivant:

Le résidu que nous avons eu après gazéification a été séché et pesé; la masse obtenue après cette opération est considérée comme étant constituée des cendres et des imbrûlés. Nous avons constaté que les imbrûlés représentaient environ 40% de ce résidu en poids (cette valeur élevée s'explique par le fait que la grille destinée à filtrer les cendres dans le générateur laisse passer beaucoup de petits morceaux de charbon non brûlés, mais qui auraient pu être brûlés

s'ils n'étaient pas entraînés par gravité dans le cendrier); ceci signifie que les 60 % de ce résidu comme est constitué des cendres de notre matière première. Partant de ce principe, sur 80 #177;0,5 kg de charbon gazéifié, on a eu 3.8 #177;0,5 kg de cendres + "imbrûlé". On a alors:.

mt = 80 kg = masse totale de la matière première; m_c + mi = 3.8 = masse de cendre et d'imbrûlés. On a lors mc = (m_c + mi) x 60% = 2.48 #177;0,3 kg;

Comme on peut le constater, cette mesure est faite avec une incertitude relative de 8,6% qui paraît assez élevé pour ce genre de mesure. Ceci s'explique par le mode opératoire et le défaut de matériel adéquat. Dans tous les cas, elle nous donne une idée assez claire de ce que pourrait être la valeur exacte. Pour ce qui est de la procédure expérimentale pour la détermination du taux de cendre du charbon de bois, selon la norme AFNOR NF B 55 - 101 il faut se référer à l'annexe n°3.

Le taux d'humidité a été mesuré au département de Génie Civil de l'ENSP par dessiccation dans des fours. En effet en pesant un échantillon avant et après dessiccation dans le four, on peut déduire la quantité d'eau contenue dans l'échantillon initial par calcul de la perte de masse. Ainsi on peut exprimer l'humidité du charbon de bois en pourcentage massique par la formule:

m3 = masse de la tare + masse d'échantillons après étuvage et refroidissement.

Les mesures ont été faites au Laboratoire de Géotechnique et de Matériaux (LGM) de l'ENSP ; après les différents calculs, les résultats obtenus sont : W1 = 9.8 #177;0,2% de taux d'humidité pour le charbon artisanal et W2 = 12.1 #177;0,6% de taux d'humidité pour le charbon industriel. La procédure de détermination du taux d'humidité selon la norme AFNOR NF B 55 - 101 se trouve à l'annexe n°3 du présent document. Au regard de ce résultat sur le taux d'humidité des deux types de charbon commercialisé au marché Mokolo, on remarque que le charbon artisanal a un faible taux d'humidité par rapport au charbon industriel. Ceci peut s'expliquer par plusieurs raisons:

- il faut tout d'abord noter que ce paramètre dépend fortement de l'espèce de bois qui a

- le charbon de bois artisanal est obtenu à partir de plusieurs échantillons de bois, (car les

charbonniers utilisent pour la circonstance tous les types de bois qu'ils trouvent à leur disponibilité) alors que le charbon industriel provenant des déchets des scieries peut provenir des échantillons plus réduits. Et puis par souci de commercialisation rapide toutes les conditions de carbonisation ne sont pas toujours respectées (voir §III.2.4/- du chapitre 1) . C'est pourquoi on retrouve très souvent dans les sacs de charbon industriel des morceaux de bois non carbonisés.

Dans tous les cas, il faut noter que ces valeurs sont susceptibles de varier d'un échantillon à un autre et des essais sur des échantillons variés étalés dans le temps sont les bienvenus pour arriver à des résultats rigoureux afin de généraliser les conclusions.

C'est la perte de masse exprimée en pourcentage, obtenue dans des conditions normalisées, après pyrolyse du charbon chauffé à l'abri de l'air, abstraction faite de la perte de masse due à l'humidité. Le principe de mesure part du fait qu'un échantillon de charbon anhydre est constitué de carbone fixe, de matières minérales (cendres) et de matières volatiles. Nous n'avons pas pu faire des essais de détermination faute de matériel adéquat, mais dans tous les cas pour le charbon de bois, le taux de matières volatiles peut être considéré comme étant d'environ 5.5%. (PLATIAU D., 1986) La procédure de détermination de ce paramètre pour un échantillon donné se trouve en annexe n°3.

Le taux de carbone fixe est la proportion de matières carbonées autre que les matières volatiles contenues dans l'échantillon de charbon. Selon la norme NF B551010, il se calcule après la détermination du taux d'humidité, du taux de cendre et de l'indice de matières volatiles. Ainsi le taux de carbone fixe exprimé en pourcentage massique par rapport à l'échantillon brut est donné par la formule :

H, W et C désignant respectivement le taux d'humidité, de matières volatiles et de cendres. Avec nos échantillons et les mesures précédentes, on a:

- pour le charbon artisanal, W = 9.8%, MV = 5.5%, C = 4.56%, on a : CF = 80.2 #177;0,3% - pour le charbon industriel, W = 12.1%, MV= 5.5%, C= 3.05%, on a: CF = 79.4 #177;0,7% > Pouvoir calorifique:

Par définition, on retiendra que le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de masse du combustible; il est supérieur lorsque l'eau produite est entièrement condensée et les autres produits de la combustion sont

ramenés à la température initiale; il est inférieur lorsque l'eau produite demeure à l'état vapeur et les autres produits de la combustion sont ramenés à la température initiale.

Le principe de sa détermination réside sur le principe selon lequel la combustion d'une quantité déterminée de combustible en présence d'oxygène dans une bombe calorimétrique plongée dans un volume connu d'eau élève la température de celle-ci; le PCS se détermine dans ces conditions à partir de l'élévation constatée de la température du volume constant d'eau. Le PCI se détermine à partir du PCS par calcul selon la formule:

Où W représente le taux d'humidité, 2,508 la valeur de la chaleur latente de vaporisation de l'eau à 0°C et H2 la teneur massique en Hydrogène du combustible.

La procédure complète de détermination de ce paramètre selon la norme AFNOR NF B 55-101 se trouve en annexe n°3.

Nous n'avons pas pu effectuer cette mesure sur bombe calorimétrique, mais le PCS de notre combustible a pu être déduit des autres paramètres qui ont été déterminés. Si nous considérons la composition suivante pour le charbon anhydre, 95.7%C, 1.1% H2, 3.2% O2, alors on a d'après la formule de Dulong .

On remarque donc qu'en tenant compte de l'effet cumulé de la teneur en humidité (W) et de la teneur en cendre ou en matières minérales (M_m), d'après la formule suivante:

On a donc pour le charbon artisanal un PCS de 28.4 #177;2,9MJ/kg et pour le charbon industriel un PCS de 27,8 #177;2,9MJ/kg. La légère différence qu'on a sur ces deux valeurs provient évidemment de la teneur en humidité et de la teneur en matières minérales.

Tableau n°8 : récapitulatif des caractéristiques des deux échantillons de charbon de bois:

III/- ASPECTS THEORIQUE ET THERMODYNAMIQUE DE LA GAZEIFICATION

III.1/- Théorie de la gazéification du charbon de bois

La gazéification d'un combustible de type _CxHyOz est assez complexe et mal connue. De nombreux composés intermédiaires peuvent en effet se former au cours des réactions. On peut néanmoins considérer les réactions fondamentales suivantes :

On admet que le bois type a pour formule brute C3H5O2 ; sa gazéification théorique suit alors la réaction suivante :

En calculant l'enthalpie de cette réaction, on se rend compte que c'est une réaction légèrement endothermique (ÄH = 2 MJ / kg).

Pour ce qui est de la gazéification du charbon de bois, il faut noter que l'oxydation de celui-ci par l'oxygène de l'air commence à des températures plus basses que l'on ne pense généralement. Le charbon de bois subit une combustion lente déjà à température ordinaire. A 100°C, la vitesse de cette combustion croît rapidement, mais, ce qui est déjà particulièrement important, l'oxydation se passe déjà à basse température. Par ailleurs, après défournement du charbon de bois, celui-ci absorbe les gaz de l'atmosphère (O2 et N2) et ceci se fait avec dégagement de chaleur. Donc le seul contact du charbon de bois avec l'oxygène et même avec l'azote de l'air échauffe le charbon fraîchement carbonisé. C'est ainsi que vers 100°C et même au-dessous de cette température, l'oxygène absorbé commence son rôle d'agent d'oxydation, phénomène qui, lente au début dégage encore de la chaleur. On assiste donc à un double phénomène exothermique d'absorption et d'oxydation qui peut alors se répéter

indéfiniment au point d'élever considérablement la température de la masse de charbon jusqu'à son inflammation spontanée.

En fait, le mécanisme de la combustion du charbon de bois dépend de la quantité d'oxygène disponible. En présence d'une quantité insuffisante d'oxygène, le charbon de bois se transforme en monoxyde de carbone. C'est le principe même de la gazéification. La gazéification du charbon de bois n'est donc autre que la combustion de celui-ci dans un milieu pauvre en oxygène. On a donc la réaction principale suivante :

Mais en présence d'un excès d'oxygène, on a une combustion complète suivant la réaction :

Lorsqu'un foyer de charbon de bois est incandescent, il peut y avoir dissociation des deux produits de combustion précédents : le monoxyde de carbone se dissocie en carbone et en CO2.

tandis que l'anhydride carbonique se dissocie en monoxyde de carbone et en oxygène :

La réaction la plus intéressante du CO2 formé est sa réduction en présence d'un excès de charbon incandescent :

Même si cette réaction absorbe une grande quantité de la chaleur du foyer, elle fournit du CO dont la production est recherchée pour l'utilisation dans les moteurs.

Enfin en présence d'eau, il peut aussi y avoir dissociation de l'eau par le carbone porté à haute température :

Cette réaction a pour effet d'enrichir le gaz pauvre en hydrogène dont le pouvoir calorifique est très élevé ; cette opération nécessite également de grosses quantités d'énergie.

Il est important de noter que plus la teneur en carbone fixe du charbon végétal est élevé, plus simples sont les réactions de gazéification. En effet, la gazéification du charbon de bois se rapprochant de celle du carbone pur, limite ainsi les réactions intermédiaires qui se produisent avec un composé complexe comme le bois brut.

III.2/- Caractérisation des échanges thermiques au sein de la charge et du réacteur.

Le mécanisme de transfert dans un lit fixe de particules portées à haute température comme dans le cas du réacteur pendant la gazéification sont complexes et font appels à la fois à des phénomènes de transfert de chaleur et de masse et à des réactions cinétiques. Dans le dispositif qui fait l'objet de notre étude, ces phénomènes sont d'autant plus complexes qu'il serait important de penser à les modéliser. Une modélisation fine de ces problèmes imposerait un travail important qui n'est pas l'objet de cette étude. Néanmoins, la connaissance des températures exactes de certains endroits précis du réacteur nous donne une idée assez claire des conditions limites qui devront à l'avenir aider à la modélisation de ces phénomènes ou même le dimensionnement des pareils réacteurs. Dans le même ordre d'idées, ces mesures expérimentales devraient nous permettre de vérifier les éventuels modèles mis au point à ce sujet. Si nous nous intéressons uniquement aux échanges thermiques qui ont lieu dans le réacteur, nous pouvons mettre d'ores et déjà les bases d'une modélisation des transferts thermiques en vue du dimensionnement d'un réacteur de gazéification du charbon de bois. Pour envisager un tel modèle, nous pouvons considérer les hypothèses suivante :

v' Le réacteur est cylindrique et le lit de charbon est supposé être chauffé à partir de l'axe
du cylindre ;

v' Les échanges de chaleur sont supposés globalement conductifs et l'ensemble et

l'ensemble des transferts thermiques dans le lit de charbon sont exprimés au moyen d'une conductivité thermique effective englobant à la fois la conduction, la convection et le rayonnement ;

Dans ces conditions, le système qu'il convient de résoudre dans ce cas là s'établit comme suit :

La résolution de l'équation ci-dessus se réduit donc à (oil ß est une constante):

La solution de l'équation (18) est donnée par G(t) = A exp [-aß²t] (32).

tandis que l'équation (19) représente l'équation de Bessel d'ordre zéro dont les solutions sont données par : R(r) = C1J0(ßr) + C2Y0(ßr) (33).

Oil J0 et Y0 sont respectivement les fonctions de Bessel de première et de seconde espèce d'ordre zéro. La solution complète du problème s'obtient à partir des méthodes de Green ou du théorème de Duhamel (DE VRIENDT A. B. 1982). Mais, comme dans tout problème physique, la plus grande difficulté ici consiste à bien définir les conditions limites, notamment

les valeurs des fonctions ? 1(t) et ? 2(t). Nous ne nous préoccupons pas ici de la solution de ce problème, mais nous allons nous atteler dans le paragraphe suivant à procéder à la détermination expérimentales des valeurs discrètes d'une de ces fonction, la fonction ? 2(t). C'est ce qui va faire l'objet de la phase expérimentale de cette étude.

Par ailleurs, le paramètre le plus important qu'il faut pour la modélisation de ce problème est la diffusivité thermique a du lit de charbon. En supposant que les particules de charbon ont un faible diamètre, on peut estimer cette diffusivité de la manière suivante :

Nous avons vu au § III.2.2 du chapitre 1 que la chaleur spécifique Cp d'un charbon de bois était d'environ 0,82 #177;0.01kJ.kg^-1.K^-1 et que la conductivité thermique de celui-ci se situait aux alentours de 0,06.10^-3 #177;0.01.10^-3 kW.m^-1.K^-1. par ailleurs, le charbon de bois du

marché Mokolo que nous utilisons dans cette étude a pour masse volumique 280 #177;11kg/m³ ;
sachant que la diffusivité thermique a est définie par la relation, a = Cp k , on peut estimer

que pour le charbon de bois de Yaoundé, a= 2,61.10^-7 #177;0,57.10^-7 m^-2.s^-1.

Avec toutes ces données, il est possible de trouver un modèle mathématique pour les phénomènes très complexes qui ont lieu dans le réacteur au cours de la gazéification du charbon de bois.

VI!- METHODOLOGIE DES TESTS DE GAZEIFICATION DU CHARBON DE BOIS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX

III.1!- Procédure expérimentale de la gazéification

Avant de lancer la phase d'expérimentation, un test d'étanchéité a été fait sur toutes les jointures du gazogène et de la tuyauterie. Ce test consistait à imbiber du savon sur toutes ces jointures, fermer toutes les vannes, mettre l'intérieur du gazogène sous pression (avec le ventilateur électrique) et voir si on a des bulles de savon au niveau des jointures. Ceci nous permettait de savoir s'il peut avoir fuite de gaz. Ce test a donc été négatif, ce qui nous a assuré que tous les joints étaient en bon état.

La biomasse utilisée est comme nous l'avons annoncée du charbon de bois acquis au marché Mokolo à Yaoundé. Celui-ci avait une granulométrie faible adaptée aux gazogènes.

Avant de commencer on prépare les appareils de mesures et les blocs notes préalablement tracés pour le relevé des mesures.

Au début de chaque essai, il faut commencer par vérifier que toutes les vannes sont fermées, que la cuve qui sert en même temps de cendrier est entièrement pleine d'eau. Après ces vérifications préliminaires, le charbon est pesé et on procède au chargement du générateur par une des ouvertures prévues au-dessus ou sur le côté du générateur. Ce dernier est chargé jusqu'au niveau de l'orifice d'allumage ; la mise en flamme de cette quantité de charbon est facilitée par l'utilisation du pétrole lampant ; on utilise le souffleur manuel pour ventiler jusqu'à ce que les braises aient pris le charbon de bois ; le gazogène est alors allumé ; A ce moment on fait le plein du générateur puis on met le ventilateur électrique en marche en ouvrant en même temps la vanne qui débouche au réacteur. Le générateur étant hermétiquement fermé, après à peu près 10 à 15 minutes, le gaz commence à sortir au niveau du brûleur. On peut alors y approcher une torche en coton pour l'allumage. Pendant la mise à feu on ouvre lentement la deuxième vanne d'air destiné à alimenter le brûleur. Il faut noter que l'inflammation ne se fait que lorsque le mélange air/gaz est optimal (rapport air/combustible optimal).

Pour ce qui est des prises de températures les thermocouples sont placés aux différents endroits (parois du réacteur, brûleur, etc.) et les relevés se font avec l'aide d'au moins trois opérateurs dont l'un est chargé de la lecture et les deux autres chargés de l'enregistrement des différentes valeurs avec les temps correspondants. C'est ainsi que les valeurs sont prises à intervalle de 10 secondes au plus. Certaines valeurs brutes enregistrées se trouvent en annexe n°1. La figure n°7 présente l'organigramme de la procédure générale d'expérimentation.

III.2/- Sécurité et Environnement

Pour pouvoir travailler dans des conditions saines et sûres avec un gazogène, il faut avoir reconnu les sources de danger et leur nature. Les différentes sources de danger sont récapitulées dans le tableau n°9.

Au cours de la période de chauffage du gazogène, il y a rejet de gaz vers l'atmosphère. On veillera toujours à disperser ce gaz vers l'atmosphère, hors de portée du personnel et de l'enflammer si possible.

Les gaz d'échappement du moteur doivent également être rejetés hors de portée du personnel.

Au moment de l'ouverture de la fenêtre de chargement, il peut y avoir inflammation spontanée des gaz qui se trouvent à l'intérieur (voir photo n°3 en annexe n°2). Ce danger peut être prévenu en jetant, en se tenant hors de portée, une torche enflammée dans le gazogène.

Les goudrons et les eaux de lavage doivent être traités comme des polluants. On évitera tout contact avec les eaux à usage domestique. Les parois du foyer sont très chaudes en fonctionnement. Le port des gants est indispensable pour limiter les risques de brûlure.

Même après un arrêt prolongé, le foyer du gazogène et le circuit de refroidissement peuvent contenir un gaz encore inflammable. On évitera la présence de toute flamme ou arc électrique avant d'avoir vérifié que toutes les conduites et les volumes ont été correctement ventilés.

Toutes ces précautions doivent être prises même quand le gazogène sera déporté en site pilote.

L'expérience montre que les accidents surviennent généralement avec les gazogènes lorsque des actes dangereux ont été commis. Une prévention efficace des accidents passe donc par une bonne formation du personnel d'exploitation.

III.3/- Production des gaz, essai d'inflammation, difficultés et quelques éléments d'explication.

Une dizaine de minutes après le démarrage du gazogène, on voit le gaz sortir à un débit plus ou moins important. Malheureusement nous n'avons pas eu de matériel adéquat pour avoir une idée de ce que vaut ce débit. Ce gaz sort de manière continue pendant toute la durée de fonctionnement du gazogène. Il faut noter que la durée de fonctionnement dépend de la quantité de charbon chargée.

Durant tous les tests, le gaz a effectivement été produit sans problème ; nous avons remarqué que ce gaz était très toxique, raison pour laquelle les opérateurs étaient obligés de porter des masques nasaux au cours de la manipulation et essayaient de prendre une cure de lait à la fin des travaux.

Nous avons été confrontés au problème d'inflammation du gaz produit en continu. En effet, les flammes que nous essayions d'avoir pendant les tests ne se maintenaient que pendant quelques secondes. Mais pendant cette courte durée, nous pouvions apprécier la qualité du gaz par la couleur de la flamme éphémère. Celle-ci avait néanmoins une couleur tirant au bleu, preuve qu'on avait un gaz de bonne qualité. Mais de prime abord, plusieurs raisons peuvent être à l'origine de ce problème de l'ininflammabilité des gaz produits.

Pour essayer d'apporter des éléments d'explication sur les difficultés rencontrées au niveau de l'inflammation du gaz produit, plusieurs hypothèses peuvent être émises. Il faut noter que comme dans tout travail scientifique, une hypothèse est une éventualité qu'il faut vérifier avant de confirmer ; c'est ainsi que dans notre cas précis, au regard de certaines observations, nous pouvons déjà dire un mot sur ce qu'il pourra être nécessaire de regarder avec plus d'attention pendant les autres essais :

- Les vannes d'alimentation en air provenant du ventilateur électrique ne fonctionnent pas et il est impossible de contrôler la quantité d'air entrant au réacteur ; ce qui fait que la quantité d'air peut être insuffisante tout comme elle peut être en excès, ce qui n'est pas bon pour les différentes réactions de gazéification qui ont besoin d'une quantité d'air bien contrôlée.

Mémoire de DEA de physique, option Energétique / Laboratoire de Thermique 63

- Dans le générateur, l'air n'est pas uniformément reparti, car la seule tuyère qui conduit l'air débouche au coeur du réacteur ; il serait judicieux qu'au moins une tuyère soit installée dans le générateur pour assurer l'apport d'air suffisant pour les différentes réactions.

- Il est possible qu'une partie de gaz se brûle avant la sortie du réacteur de façon qu'on retrouve au niveau du brûleur un gaz qui est trop dilué pour s'enflammer.

- Une autre raison et celle qui nous paraît plus réaliste est que le brûleur tel qu'il est conçu actuellement soit très gros pour pouvoir délivrer un gaz assez concentré pour s'enflammer. Toutes ces raisons ne sont que des hypothèses qu'il faudrait vérifier. Dans tous les cas, une analyse des gaz produits est nécessaire pour pouvoir arriver à des conclusions plus formelles.

III.4/- Mesure des températures, résultats et analyse.

Le fonctionnement d'un petit gazogène est toujours très difficile. Pour obtenir des données exploitables sur ce fonctionnement, il faut soit enregistrer des mesures horaires, journalières et hebdomadaires et les intégrer sur des périodes de plusieurs mois, soit chercher à s'approcher le plus près possible d'une analyse en continu en augmentant au maximum la fréquence des mesures. Compte tenu des contraintes de temps, nous avons adopté cette seconde procédure pour l'enregistrement des températures.

A l'aide de thermocouples et de chronomètres, nous avons mesuré les températures de certaines parties du gazogène au cours de son fonctionnement et ce dans le temps. Des résultats bruts de l'expérimentation figurent en annexe n°1 où nous pouvons voir l'évolution dans le temps de ces températures. Les photos n°2 et 3 présentent quelques opérations d'enregistrement des températures.

Les résultats obtenus pour ce qui est par exemple des températures du réacteur et des gaz d'échappement sont consignés sur la figure N°8. Sur la figure N°9 nous avons reporté les courbes de tendance correspondant à ces valeurs.

On remarque sur ces courbes que durant les 15 premières minutes, on assiste à une croissance considérable des deux températures qui partent de la température ambiante pour atteindre 450°C pour le réacteur et un peu plus de 300°C pour les gaz d'échappement. C'est cette période qui est la période d'échauffement préliminaire au début de la gazéification. Après cette période c'est le début de la gazéification et c'est à ce moment qu'on remarque l'arrivée des gaz au brûleur.

Par ailleurs, la courbe de tendance nous permet de noter que la différence de température entre le réacteur et le brûleur varie très peu, c'est-à- dire entre 150°C et 200°C, ce

qui nous permet d'avoir une idée des pertes de chaleur qui ont lieu dans les tuyères qui conduisent au brûleur.

Cependant il faut noter que les températures obtenues restent inférieures à celles auxquelles on se serait attendu d'après la littérature. Ceci pourrait être dû aux différentes raisons citées précédemment ; il s'agit des paramètres influençant le phénomène même de gazéification comme l'apport en air, du taux d'humidité du gaz, de la taille du brûleur que nous jugeons assez costaud, de la possibilité de combustion des gaz dans le réacteur, de l'extrême pauvreté du gaz d'échappement. Ceci est d'autant plus vrai que pendant notre manipulation, nous avons remarqué la température grimper considérablement pendant les courts moment de passage de vent (apport supplémentaire d'air). Dans tous les cas, il est clair que même si ces températures sont encore un peu basses, leur tendance d'évolution est quasiment la même que celle obtenue en 2001 sur un gazogène à lit fixe à tirage descendant par l'équipe de recherche conduite par le Prof N. SYRED du Département de Mécanique et des Etudes Energétiques de l'Université de Cardiff en Grande Bretagne (SYRED N., 2001) (voir figure n°10 suivant).

Evolution des températures du réacteur et des gaz
d'échappement au cours de la gazéification

Figure n°8 : évolution de la température du réacteur et des gaz d'échappement avec le temps⁶

⁶Les températures ont été normalisées en prenant la valeur maximale d'une série de valeurs enregistrées pendant une période de 30 secondes.

Mémoire de DEA de physique, option Energétique / Laboratoire de Thermique 65

Evolution des températures du réacteur et des gaz
d'échappement au cours de la gazéification

z/De=1.83 (IN) z/De=1.83 (OUT) z/De=0.83 (IN) z/De=0.83 (OUT) z/De=-0.33 (IN) z/De=-0.33 (OUT)

Figure n°9 : courbe de tendance de l'évolution de la température du réacteur et des gaz d'échappement avec le temps

Figure n°10 : évolution dans le temps des températures au cours de la gazéification (SYRED N., 2001)

III.4/- Autre essai : autonomie de fonctionnement en fonction du débit de charbon

Pendant les différentes séries de tests que nous avons faits, nous avons essayé de mesurer parallèlement la durée de fonctionnement du gazogène avec différents chargements. La durée de fonctionnement ici est en fait le temps nécessaire pour que la biomasse soit consommée complètement. C'est ainsi que les résultats obtenus sont récapitulés dans le tableau n°10 et la courbe obtenue est représentée sur la figure n°

Tableau n°10 : Durée de fonctionnement en fonction de la quantité de charbon chargée.

Nous constatons que cette courbe est presque linéaire avec une pente d'à peu près 60 min / 10kg. Ceci nous permet de déduire la capacité du gazogène qui est d'environ 10 kg / heure.

Beaucoup d'autres tests pour la mesure de certains paramètres sont encore nécessaires pour mieux comprendre le fonctionnement du gazogène indien AEW. Dans tous les cas, les tests vont se poursuivre pour apprécier toutes les difficultés. Une analyse des gaz produits reste incontournable pour mieux cerner le fonctionnement de cette installation.

Mémoire de DEA de physique, option Energétique / Laboratoire de Thermique 67

CONCLUSION GENERALE

Il ressort de ce travail que la décentralisation de la production d'électricité semble s'être imposée avec des techniques nouvelles et modernes de conversion des sources renouvellables. Au Cameroun, cette conviction semble traîner encore les pas alors qu'on est en zone forestière par essence où les ressources en biomasse sont abondantes. Parmi les techniques de production, la production du gaz de substitution des carburants fossiles dans les moteurs à combustion interne par gazéification du charbon de bois a focalisé notre attention. C'est ainsi qu'après avoir fait le tour sur la technique et la technologie de production de ce gaz, sur la caractérisation de la matière première (charbon de bois), ainsi que sur les différentes expériences dans le monde, nous avons procédé au lancement d'une phase de tests de production sur une installation grandeur nature. Au cours de ces tests sur un gazogène indien de type AEW (Associated Engineering Works), notre préoccupation a porté sur la production, des tests d'inflammation du gaz produit sur un brûleur et la mesure des températures du réacteur et des gaz à l'échappement pendant le processus de gazéification du charbon de bois commercialisé dans la ville de Yaoundé. Il est apparu notamment que pour une modélisation mathématique des phénomènes physico-chimiques qui ont lieu au cours de la gazéification, la connaissances de l'évolution de ces températures dans le temps reste incontournable car fait partie intégrante des conditions aux limites du problème pour ce qui est des transferts thermiques dans le lit du charbon. Ces tests ont eu un résultat assez concluant dans la mesure où les gaz ont effectivement été produits, malgré le fait que les flammes au niveau du brûleur ne se sont pas maintenues assez longtemps. Par ailleurs, nous avons enregistré les maximums de température de l'ordre de 650°C alors qu'on s'attendait à avoir une gamme de 800°C à 1000°C. Plusieurs raisons ont expliqué ce phénomène, notamment l'apport en air qui doit être suffisamment contrôlé et dont il faudrait suivre à l'avenir. C'est le lieu ici de noter que malgré les valeurs un peu basses de la température du réacteur, les courbes d'évolution au cours du temps que nous avons obtenues sont semblables à celles obtenues cette année même par l'équipe de recherche du Prof. N. SYRED du Département de Mécanique et des Etudes Energétiques de l'Université de Cardiff en Grande Bretagne (N. SYRED, 2001). D'autres tests d'autonomie de fonctionnement ont été faits et les résultats obtenus pour notre installation et pour le charbon de bois de Yaoundé ont donné 10 kg/heure comme autonomie de fonctionnement.

Pour ce qui est des perspectives pour ce travail, on devrait à l'avenir faire une analyse technico-économique de l'installation et envisager la possibilité d'installation en site pilote

dans les villages pré-sélectionnés dans le cadre des études précédentes (TAGUTCHOU J. P., 2000). Dans le contexte de l'approvisionnement en électricité des zones rurales, nous avons remarqué que notre installation avait besoin d'une source d'énergie (ventilateur électrique) ne serait-ce que pour le démarrage, énergie pas du tout disponible en zone rurale, raison pour laquelle il serait important d'envisager une autre source d'énergie pour le démarrage de l'installation (cellule photovoltaïque par exemple). Ceci devrait être pris en compte pour l'optimisation de la filière. Par ailleurs l'allure de l'évolution des températures de paroi telles que nous avons obtenues constitue une base pour des simulations numériques et la modélisation mathématique de la complexité des phénomènes qui ont lieu dans les réacteur des gazogènes au cours de la gazéification, travail qui devra constituer notre cheval de bataille dans les prochaines recherches.

Mémoire de DEA de physique, option Energétique / Laboratoire de Thermique 69

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Mémoire de DEA de physique, option Energétique / Laboratoire de Thermique 71

⁷ Température normalisée en prenant la valeur max. des valeurs enregistrées pendant 30 secondes

45.							253
46.							240
47.							242
48.		13h21'00"			15,00		250		253	34
49.							265			38
50.							275			88
51.							285			89
52.		13h21'25"					293			90
53.					15,50		297		297	95
54.							303
55.							307
56.							310
57.							315
58.							325
59.					16,00		330		330	125
60.							333
61.							340
62.							345
63.							349
64.							350
65.							355
66.							362
67.		13h22'25"					363
68.					16,50		363		363	168
69.							365
70.		13h22'35"					369
71.							367
72.							368
73.		13h22'45"					365
74.							362
75.		13h22'50"					360
76.					17,00		355		369	220
77.							350
78.		13h23'05"					362			269
79.							375			270
80.							382			275
81.		13h23'20"					390			280
82.							395
83.					17,50		400		400	280
84.							402
85.							405
86.		13h23'50"					407
87.							410
88.							412
89.		13h24'00"			18,00		413		413	280
90.							415
91.		13h24'15"					420
92.					18,50		425		425	290
93.		13h25'15"					426
94.							427
95.							429
96.					19,00		431		431	302
97.							431
98.							432
99.		13h25'30"			19,50		430		432	308
100.							429
101.							430
102.		13h25'40"					431
103.					20,00		430		431	310
104.		13h26'05"					430
105.							428			312
106.							425			315
107.							420			317
108.							415			318
109.							412
110.							415
111.		13h26'30"			20,50		417		430	318
112.							436
113.							444
114.							433
115.							428
116.		13h27'00"			21,00		430		444	320
117.							428
118.							431
119.							432
120.							434
121.							431
122.							435
123.		13h27'30"			21,50		440		440	320
124.							445
125.							446
126.							446
127.							445
128.							448
129.							449
130.							458
131.							470
132.		13h28'00"			22,00		475		475	320
133.							485
134.							490
135.							495
136.							500
137.							502
138.							505
139.							513
140.		13h28'30"			22,50		515		515	330
141.							520
142.							520
143.							518
144.							527
145.							516
146.							509
147.							505
148.							505
149.							499
150.							502
151.		13h29'00"			23,00		502		527	335
152.							494
153.							490
154.							477
155.							475
156.							473
157.							473
158.	13h29'30"			23,50			477	494		342
159.							476
160.							474
161.							477
162.							475
163.							475
164.	13h30'00"			24,00			488	488		355
165.							495
166.							498
167.							498
168.							501
169.	13h30'30"			24,50			503	503		362
170.							498
171.							490
172.							485
173.							484
174.							480
175.							477
176.	13h31'00"			25,00			475	498		377
177.							470			378
178.							468			375
179.							478			378
180.							479			382
181.							470			382
182.							468
183.							469
184.	13h31'30"			25,50			469	479		382
185.							470
186.							471
187.							471
188.							470
189.							470
190.	13h32'00"			26,00			470	471		380
191.							469
192.							468
193.							473
194.							479
195.							480
196.							481
197.	13h32'30"			26,50			482	482		380
198.							480
199.							479
200.							476
201.							475
202.							477
203.							480
204.	13h33'00"			27,00			482	482		380
205.							484
206.							487
N° de						temps t			T1	n ^T1orm⁷.	T2 (°C)
mesure			*Heure*			(min)			(°C)	(°C)

207.			488
208.			490
209.			490
210.	13h33'30"	27,50	485	490	380
211.			487
212.			489
213.			490
214.			490
215.	13h34'00"	28,00	489	490	382
216.			487
217.			485
218.			482
219.			479
220.	13h34'30"	28,50	477	487	388
221.			476
222.			472
223.			470
224.			469		399
225.	13h35'00"	29,00	465	476	400
226.			465		400
227.			465		400
228.			465
229.			466
230.			470
231.	13h35'30"	29,50	471	471	400
232.			470
233.			468
234.			466
235.			464
236.			462
237.			460
238.			459
239.	13h36'00"	30,00	458	470	398
240.			457
241.			456
242.			455
243.			456
244.			456
245.			456
246.			456
247.	13h36'30"	30,50	456	457	390
248.			454
249.			455
250.			458
251.			455
252.			458
253.			455
254.	13h37'00"	31,00	459	459	390
255.			462
256.			472
257.			479
258.	13h37'30"	31,50	481	481	392
259.			474
260.			472
261.			471
262.			485
263.	13h37'45"		495
264.			505
265.	13h38'00"	32,00	515	515	395
266.			525
267.			536
268.			533
269.			530
270.	13h38'30"	32,50	530	536	396
271.			530
272.			515
273.			505
274.			505
275.			495
276.	13h39'00"	33,00	490	530	396
277.			487
278.			485
279.			478
280.			475
281.			470
282.	13h39'30"	33,50	470	487	394
283.			486
284.			485
285.			480
286.			479
287.			475
288.	13h40'00"	34,00	476	486	370
289.			482
290.			490
291.			485
292.			489
293.			495
294.			498
295.	13h40'30"	34,50	495
296.			490
297.			486
298.			478
299.			476
300.			478
301.	13h41'00"	35,00	479	490	360
302.	13h41'30"	35,50	463	463	357
303.			465
304.			464
305.			470
306.			467
307.			480
308.			478
309.			476
310.			480
311.			486
312.			485
313.			482
314.			477
315.			470
316.			480
317.	13h42'00"	36,00	522	522	358
318.			536
319.			541
320.			546
321.			551
322.			555
323.			558
324.			560
325.			562
326.			562
327.			567
328.			563
329.			560
330.			559
331.			561
332.			570
333.			572
334.		36,50	573	573	365
335.			572
336.			573
337.			572
338.			573
339.			574
340.			579
341.			581
342.			579
343.			580
344.			578
345.			574
346.			572
347.		37,00	572	581	370
348.			575
349.			578
350.			580
351.			584
352.			583
353.			587
354.			593
355.			597
356.			596
357.		37,50	595	597	375
358.			594
359.			592
360.			591
361.			591
362.			590
363.			589
364.			588
365.			585
366.			583
367.			582
368.		38,00	578	594	375
369.			575
370.			573
371.			572
372.			573
373.			578
374.			579
375.			577
376.			573
377.			572
378.			569
379.		38,50	552	579	375
380.			544
381.			539
382.			534
383.			530
384.			532
385.			526
386.			520
387.			514
388.		39,00	511	544	374
389.			510
390.			507
391.			506
392.			508
393.			513
394.			512
395.			510
396.			509
397.			509
398.			507
399.		39,50	508	513	372
400.			510
401.			506
402.			508
403.			512
404.			515
405.			521
406.			522
407.			523
408.			524
409.		40,00	528	528	373
410.			535
411.			532
412.			531
413.			533
414.			536
415.			536
416.			541
417.			544
418.			546

419.	13h46'30"	40,50	556	556	374
420.			572
421.			575
422.			575
423.			575
424.		41,00	575	575	375
425.			575
426.			569
427.			570
428.			566
429.			568
430.		41,50	565	575	375
431.			563
432.			561
433.			562
434.			557
435.		42,00	560	563	375
436.			563
437.			565
438.			563
439.			564
440.		42,50	561	565	376
441.			461
442.			563
443.			564
444.			562
445.			564
446.		43,00	566	566	375
447.			565
448.			570
449.			575
450.			580
451.			585
452.			580
453.		43,50	575	585	378
454.			580
455.			585
456.			585
457.			585
458.			584
459.		44,00	585	585	380
460.			582
461.			591
462.			583
463.			584
464.			591
465.		44,50	600	600	390
466.			600
467.			598
468.			602
469.			604
470.		45,00	605	605	395
471.			603
472.			599
473.			585
474.			590
475.			585
476.		45,50	580	603	395
477.			576
478.			570
479.			574
480.			575
481.			50
482.			578
483.		46,00	580	580	390
484.			577
485.			574
486.			575
487.			572
488.			572
489.			568
490.		46,50	567	577	390
491.			565
492.			560
493.			555
494.			560
495.			565
496.			573
497.	13h53'00"	47,00	575	575	390
498.			572
499.			574
500.			575
501.			574
502.			584
503.	13h53'30"	47,50	586	586	390
504.			594
505.			597
506.			600
507.	13h53'45"		603
508.			604
509.			595
510.	13h54'00"	48,00	575	604	395
511.			558
512.			559
513.	13h54'30"	48,50	550	559	370
514.			517
515.			510
516.			481
517.	13h55'00"	49,00	481	517	368
518.			481
519.			480
520.			479
521.	13h55'30"	49,50	480	481	365
522.			480
523.			480
524.	13h56'00"	50,00	480	480	368
525.			477
526.			477
527.			477
528.	13h56'30"	50,50	477	477	365
529.			470
530.			466
531.			463
532.			461
533.	13h57'00"	51,00	460	470	365
534.			459
535.			460
536.	13h57'30"	51,50	461	461	365
537.			460
538.			460
539.			459
540.			461
541.	13h58'00"	52,00	460	461	360
542.			459
543.			458
544.			457
545.	13h58'30"	52,50	452	459	355
546.			455
547.			456
548.			456
549.			458
550.	13h59'00"	53,00	459	459	355
551.			460
552.			463
553.			464
554.			465
555.			465
556.			465
557.			465
558.	13h59'30"	53,50	465	465	350
559.			464
560.			463
561.			462
562.			462
563.			461
564.	14h00'00"	54,00	461	464	335
565.			461
566.			461
567.			461
568.			460
569.			460
570.			460
571.	14h00'30"	54,50	461	461	310
572.			460		305
573.			458		304
574.	14h01'00"	55,00	456	460	304
575.			453		304
576.			454		304
577.			451
578.	14h01'30"	55,50	452	454	305
579.			450
580.			449
581.			450
582.			451
583.	14h02'00"	56,00	452	452	305
584.			452
585.			452
586.			452
587.			453
588.			454		305
589.	14h02'30"	56,50	455	455	306
590.			456
591.			455
592.			457
593.			458
594.			458
595.	14h03'00"	57,00	458	458	308
596.			460
597.			460
598.			460
599.			450
600.			457
601.	14h03'30"	57,50	455	460	306
602.			450
603.			448
604.			447
605.			447
606.			444
607.	14h04'00"	58,00	444	450	304
608.			444
609.			446
610.			447
611.			450
612.			452
613.			455
614.			456
615.			458
616.	14h04'30"	58,50	459	459	304
617.			462
618.			464
619.			465
620.			465
621.			465
622.			465
623.			465
624.			465
625.	14h05'00"	59,00	465	465	304
626.			465
627.			465
628.			465
629.			466
630.			466

631.			466
632.			467
633.			466
634.	14h05'30"	59,50	465	467	305
635.			461
636.			460
637.			459
638.			459
639.			458
640.	14h06'00"	60,00	458	461	308
641.			457
642.			455
643.			456
644.			457
645.	14h06'30"	60,50	456	457	301
646.			457
647.			456
648.			457
649.			456
650.			455
651.			454		314
652.	14h07'00"	61,00	455	457	313
653.			456		313
654.			454		313
655.			462		312
656.	14h07'30"	61,50	465	465	312
657.			470
658.			470
659.			468
660.			471
661.			462
662.			471
663.	14h08'00"	62,00	462	471	313
664.			471
665.			469
666.			470
667.			468
668.	14h08'30"	62,50	467	471	314
669.			466
670.			465
671.			464
672.			463
673.			463
674.			464
675.			464
676.	14h09'00"	63,00	463	466	315
677.			462
678.			463
679.			465
680.			464
681.			464
682.	14h09'30"	63,50	464	465	315
683.			461
684.			461
685.			461
686.			460
687.			461
688.	14h10'00"	64,00	462	462	316
689.			463
690.			464
691.			464
692.			464
693.			464
694.	14h10'30"	64,50	464	464	320
695.			465
696.			465
697.			470
698.			473
699.	14h11'00"	65,00	472	473	318
700.			469
701.			469
702.			467
703.			463
704.			469
705.	14h11'30"	65,50	459	469	318
706.			457
707.			457
708.			460
709.			460
710.			461
711.	14h12'00"	66,00	462	462	316
712.			462
713.			462
714.			461
715.			460
716.	14h12'30"	66,50	459	462	315
717.			458
718.			457
719.			454
720.			453
721.			453
722.	14h13'00"	67,00	451	458	315
723.			450
724.			451
725.			451
726.			451
727.			449
728.	14h13'30"	67,50	448	451	316
729.			450
730.			450
731.			451
732.			451
733.	14h14'00"	68,00	453	453	317
734.			460
735.			464
736.			466
737.			465
738.	14h14'30"	68,50	465	466	317
739.			464		317
740.			468		316
741.			465		315
742.	14h15'00"	69,00	456	468	316
743.			455
744.			457
745.			457
746.			453
747.			455
748.	14h15'30"	69,50	451	457	315
749.			451
750.			451
751.			453
752.			454
753.			453
754.	14h16'00"	70,00	454	454	315
755.			453
756.			454
757.			455
758.			453
759.	14h16'30"	70,50	454	455	318
760.			455
761.			454
762.			455
763.			455
764.	14h17'00"	71,00	458	458	322
765.			459
766.	14h17'30"	71,50	465	465	324
767.			458
768.	14h18'00"	72,00	463	463	327
769.			462
770.	14h18'30"	72,50	470	470	330
771.			498
772.	14h19'00"	73,00	498	498	328
773.			500
774.	14h19'30"	73,50	505	505	327
775.	14h20'00"	74,00	490	490	326
776.			480
777.	14h20'30"	74,50	475	480	323
778.			473
779.			471		321
780.			475
781.	14h21'00"	75,00	478	478	322
782.			485		322
783.	14h21'30"	75,50	490	490	323
784.			495		321
785.	14h22'00"	76,00	494	495	319
786.			498
787.			502		317
788.	14h22'30"	76,50	498	502	315
789.			496		316
790.	14h23'00"	77,00	494	496	318
791.			490
792.			485
793.	14h23'30"	77,50	476	490	320
794.			470		324
795.	14h24'00"	78,00	465	470	319
796.	14h24'30"	78,50	457	457	321
797.	14h25'00"	79,00	458	458	320
798.			455
799.			454
800.	14h25'30"	79,50	454	455	320
801.	14h26'00"		452		320
802.			452
803.	14h26'30"	80,00	450	452	318
804.			448
805.			446		316
806.	14h27'00"	80,50	445	448	316
807.	14h27'30"	81,00	450	450	317
808.			452		318
809.	14h28'00"	81,50	456	456	320
810.			450		318
811.	14h28'30"	82,00	442	450	315
812.	14h29'00"	82,50	445	445	313
813.			448		314
814.	14h29'30"	83,00	453	453	315
815.			462		316
816.			465		314
817.	14h30'00"	83,50	470	470	314
818.			474		314
819.			474		317
820.	14h30'30"	84,00	470	474	317
821.			463		318
822.	14h31'00"	84,50	465	465	316
823.			468		316
824.	14h31'30"	85,00	467	468	312
825.	14h32'00"	85,50	470	470	310

ANNEXES n°2 : Quelques photos

ANNEXES n°3 : PROTOCOLES DE CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DU CHARBON DE BOIS.

Connaître la teneur en eau d'un échantillon de bois. Cette analyse accompagne toute détermination de PCS, taux de cendre et indice de matières volatiles à effectuer sur le charbon de bois.

Séchage à 105°C #177; 1°C d'une prise d'essai pendant 1 à 1 heures 30 dans une étuve à air chaud (1) calcul de l'humidité à partir de la perte de masse par rapport à la masse initiale.

3/- Echantillonnage

? 2 à 3g (pesés à 0,1mg près) de charbon (ml) sont introduits dans une boîte à tare préalablement séchée à 105°C, refroidie et pesée.

? Répandre uniformément le charbon dans le récipient, et le placer dans l'étuve chauffée à 105°C pendant 1 à 1 heure 30. Sortir et placer l'ensemble dans le dessiccateur pendant 30 minutes puis peser à 0,1mg près (m2).

5/- Expression des Resultats

L'humidité du charbon exprimée en pourcentage massique est donnée par la formule :

m3 = masse du récipient = masse d'échantillon après étuvage et refroidissement

Dans le cas d'un charbon défourné peu de temps avant son analyse (quelques heures) le temps de séjour de l'échantillon dans l'étuvage peut être raccourci. (30 minutes)

III- POUVOIR CALORIFIQUE

C'est la quantité de chaleur, exprimée en joules par unité de masse, dégagée par la combustion complète de l'unité de masse combustible ramenée à la température initiale fixée à 25°C.

C'est la quantité de chaleur exprimée en joules par unité de masse, dégagée par la combustion complète de l'unité de masse du combustible, l'eau demeurant à l'état de vapeur et les autres produits de la combustion étant ramenés à la température initiale fixée à 25°C, il est plus directement utilisable dans les conditions normales de combustion.

2/- Principe

Combustion d'une prise d'essai de masse déterminée en présence d'oxygène dans une bombe calorimétrique plongée dans un volume d'eau connu.

Le pouvoir calorifique supérieur déterminé dans ces conditions, c'est-à-dire à volume constant, se calcule à partir de l'élévation de température constatée, de l'eau.

La valeur en eau du calorimètre aura été préalablement déterminée à l'aide d'un étalon. Parallèlement, on doit procéder à une détermination de l'humidité de l'échantillon.

3/- Réactifs

- L'eau utilisée doit être de l'eau distillée ou déminéralisée.`
- Oxygène sous pression et exempt de matière combustible.

Vase calorimètre en métal poli destiné à recevoir la bombe et muni d'un couvercle. Sa section doit être telle que la bombe soit juste immergée avec 21 d'eau environ.

- Jaquette : récipient métallique calorifugé, et comportant une double paroi remplie d'eau; - Agitateur.

4.2/- Bombe calorimétrique

Sa surface intérieure doit être inattaquable par les produits de combustion. Elle est destinée à recevoir la coupelle (6.4) et le dispositif d'allumage électrique (6.6). Elle doit pouvoir résister à une pression de 210 bars.

4.3/- Thermomètre gradué en 0,01°C et muni d'un dispositif permettant les lectures à 0,0002°C près.

4.5 Fil d'allumage en platine ou en nickel-chrome de 0,10 mm de diamètre et fil à coudre de coton blanc non mercerisé.

4.6 Vibreur mécanique destiné à frapper doucement le thermomètre pendant 10 s. Toutes les minutes est souhaitable, afin d'éviter l'adhérence de la colonne de mercure.

Charbon : fines de diamètre inférieur à 0,20 mm. Echantillons non étuvés au préalable.

6/- Mode Opératoire

* Peser à 0,1mg près dans la coupelle. Une masse de combustible permettant d'obtenir une élévation de température de 2,5 à 3,5 °C (1g pour le bois, 0,8g pour le charbon).

* Relier les 2 bornes de la bombe par un fil d'allumage de longueur et de pouvoir calorifique connus. Ce fils devra être en contact avec l'échantillon.

* Introduire la coupelle dans la bombe. Ajuster le couvercle et le visser sur le corps de la bombe.

* Charger avec précaution la bombe en oxygène jusqu'à une pression de 25 à 30 bars.

* Introduire dans le vase calorimétrique une quantité d'eau suffisante pour immerger la face supérieure du couvercle de la bombe. Cette quantité vérifiée par pesée, doit être la même à 1g près que celle utilisée au cours de l'étalonnage pour détermination de la capacité calorifique effective. Elle sera de 200 ml.

* placer la bombe dans le vase calorimétrique et celui-ci dans la jaquette, ajuster le thermomètre, établir les connexions et mettre l'agitateur en marche. La température de l'eau du calorimètre à jaquette adiabatique doit être inférieure à la température ambiante de 1°C à 1,5°C.

* Régler la température de la jaquette afin qu'elle soit égale ou légèrement inférieure à celle du vase calorimétrique et attendre 5 minutes pour obtenir l'équilibre. Ajuster la température de la jaquette de manière qu'elle soit égale à #177;0,01°C près à celle du vase calorimétrique et attendre 3 minutes.

*Noter la température initiale et fermer le circuit électrique pour provoquer l'inflammation.

* Observer la température du vase calorimétrique toutes les minutes jusqu'à ce que 3 lectures successives soient identiques. Noter cette température comme température maximale, les observations thermométriques seront lues à 0,002°C au moyen d'un dispositif donnant cette précision.

* Retirer la bombe du calorimètre, la laisser reposer pendant 10 minutes, réduire lentement la pression, ouvrir la bombe.

* Vérifier si la combustion est complète, c'est-à-dire s'il n'y a pas de dépôt de suie à l'intérieur de la bombe ou des traces de carbone résiduel sur les parois de la coupelle.

* Rincer soigneusement l'intérieur de la bombe et du couvercle avec un peu d'eau distillée et verser cette eau de rinçage en même temps que celle qui avait été mise primitivement au fond de la bombe, dans une fiole de 400ml en vue du dosage des acides qui se sont formés au cours de la combustion.

Le pouvoir calorifique, supérieur à volume constant Pv de l'échantillon non étuvé est donné par la formule suivante en joule par gramme.

Le pouvoir calorifique supérieur à volume constant sur un échantillon anhydre est égal à :

Avec : E = équivalent en eau du calorimètre, de la bombe, de leurs accessoires et de l'eau Introduire dans la bombe (E est calculé en faisant au moins 5 déterminations concordantes du pouvoir calorifique supérieur de l'acide benzoïque de qualité "étalon pour calorimétrie" (26450kJ/kg).

a= correction nécessitée par la formation d'acides (la totalité des acides est dosée avec une solution de carbonate de sodium. Indicateur rouge de méthyle). Compter 12,56 joules par millilitre de solution de carbonate de sodium 0,1N.

b = correction nécessitée par la chaleur de combustion du fil d'allumage (en joule/cm). M = masse de la prise d'essai en grammes.

Le PCI se déduit par le calcul du PCS en connaissant le nombre de molécules d'eau formées et la chaleur dégagée par le passage de l'état de vapeur d'eau à l'état liquide à la température initiale.

On admet généralement pour un produit anhydre la formule moyenne approchée suivante : PCI anhydre = PCS anhydre - (2508 x 9H.) en J/g

H étant le % pondéral d'hydrogène dans le bois, 250kJ/kg étant la valeur de la chaleur latente de condensation de l'eau à 0°C

Dans la pratique, le PCI d'un corps varie dans de fortes proportions suivant son degré d'humidité. La quantité de chaleur fournie diminue quand la teneur en eau du bois augmente Les formules suivantes peuvent être utilisées pour le calcul du PCI du bois en fonction de son humidité.

- la température ambiante varie beaucoup - un élément de l'appareil a été remplacé - la bombe calorimétrique est changée

Pour l'étalonnage utiliser de l'acide benzoïque étalon pour PCS, il ne devra pas être étuvé (donc pas d'humidité a calculer ).

5 mesures seront nécessaires pour la détermination de l'équivalent en eau. Les résultats devront être très proches.

Pour chaque mesure peser dans la capsule 1g d'acide benzoïque en pastille soit M. Equivalant en eau:

IV- DETERMINATION DU TAUX DE CENDRES DANS LE CHARBON DE BOIS

Combustion d'une prise d'essai dans un four a moufle a 950 °C. Le taux de cendre correspond a la quantité de résidu, rapporté a la masse de la prise d'essai.

Parallèlement, on doit procéder a la détermination de l'humidité de l'échantillon

* Calciner une nacelle de silice au four a 950°C pendant 20 minutes. Refroidir 30 minutes dans un dessiccateur et peser a 0,1 mg (ml).

* Peser dans la nacelle 1 a 2 de l'échantillon a 0,1 mg près (soit m2) Répandre le charbon uniformément dans la nacelle.

* Placer la nacelle dans le four a moufle (la température initiale du four ne doit pas dépasser 300°C) et chauffer le four a une vitesse de 250 a 300°C pour atteindre 950°C #177;

* Maintenir la nacelle pendant 3 heures a cette température puis sortir et refroidir dans le dessiccateur.

*Peser a 0,1 mg près (m3). Effectuer 2 déterminations sur chaque échantillon.

5/- Expression des résultats

La teneur en cendres, esprimée en pourcentage en masse du combustible brut est donné par la formule :

L'indice des matières volatiles est la perte de masse exprimée en pourcentage, obtenue dans des conditions normalisées, après pyrolyse du charbon chauffé a l'abri de l'air, abstraction faite de la perte de masse due a l'évaporation de l'eau d'humidité.

2/- Principe

* Protection du charbon contre l'oxydation, lors de la pyrolyse, réalisé a l'aide de charbon de bois recouvrant le creuset contenant l'échantillon (méthode de double creuset).

* Une détermination de l'humidité de l'échantillon devra être réalisée en parallèle.

3/- Echantillonnage

4/- Mode opératoire

* Chauffer au préalable dans un four a moufle pendant 30 minutes a 950°C #177;20°C un creuset en silice muni de son couvercle, le refroidir au dessiccateur et le peser a 0,1 mg près (ml). Introduire dans le creuset 2 a 3g de l'échantillon, peser a 0,1 mg près (m2). Recouvrir le fond d'un 2eme creuset de silice de taille supérieure par une couche de 1 cm de charbon de bois⁸.

* introduire le creuset contenant l'échantillon a analyser, muni de son couvercle dans le grand creuset de silice et remplir totalement de charbon de bois. (*) Couvrir par le couvercle et placer l'ensemble dans le four a moufle a 950°C #177; 20°C

* laisser séjourner pendant 1 heure a cette température, refroidir le tout dans un dessiccateur puis sortir le creuset contenant l'échantillon, nettoyer l'extérieur avec un pinceau et peser a 0,1 mg près (m³).

4/- Expression des résultats

L'indice de matières volatiles en pourcentage en masse de l'échantillon est égal a :
V = 100 x (m2-m3) / (m2-ml) - H

m2 = masse en gramme du creuset, du couvercle et de l'échantillon avant chauffage.

m3 = masse en gramme du creuset, de son couvercle et de son contenu après chauffage H = Humidité exprimée en pourcentage massique de l'échantillon analysé.

VI- Taux de CARBONE FIXE D'UN CHARBON DE BOIS

Selon la norme NF B551010, le taux de carbone fixe se calcule après la détermination des paramètres suivant : humidité, indice de matières volatiles, taux de cendres

Le taux de carbone fixe exprimé en pourcentage massique par rapport a l'échantillon brut est donné par la formule :

8 Le charbon utilisé pour créer une atmosphère inerte aura une granulation comprise entre 2 mm et 4 mm et aura été débarrassé de ses matières volatiles a 950°C pendant 1 heure.

Electrification rurale et motorisation villageoise à partir de la biomasse dans les centres isolés sous forêt: cas de la province du Centre au Cameroun

DEDICACES

REMERCIEMENTS

RESUME

ABSTRACT

NOMENCLATURE

SOMMAIRE

CHAPITRE I : GENERALITES ET APERÇU

I/- PROBLEMATIQUE GENERALE DE

I.1- Analyse de la situation globale de l'electrification

III/- CHARBON DE BOIS DESCRIPTION

III.2.5/- Charbon de bois dans les Pays en

CHAPITRE II: LES EXPERIENCES DE GAZEIFICATION

I.4/- Vision globale de la gazéification

II/- RESUME DE QUELQUES PROJETS DE GAZÉIFICATION

CHAPITRE III: CHOIX TECHNOLOGIQUE, PROCEDURES, RESULTATS

III/- ASPECTS THÉORIQUE ET THERMODYNAMIQUE

IV/- METHODOLOGIE DES TESTS DE GAZEIFICATION DU

INTRODUCTION GENERALE

CHAPITRE I:

GENERALITES ET APERÇU BIBLIOGRAPHIQUE.

I/- PROBLEMATIQUE GENERALE DE L'ELECTRIFICATION RURALE.

I.1- Analyse de la situation globale de l'électrification rurale décentralisée.

I.2/- Analyse du cas du Cameroun

II/- BIOMASSE ET ELECTRIFICATION RURALE

III/- CHARBON DE BOIS DESCRIPTION FABRICATION ET CARACTERISATION

III.1/- Caractéristiques générales du bois et de déchets de bois.

III.1.1/-Composition du bois

III 1.2/- Propriétés thermo-physiques du bois

III.2/- La carbonisation

III.2.1/- Description et théorie.

III 2.2/- Caractéristiques principales du charbon de bois

III 2.3/- Technologie de carbonisation

III.2.4/- Influence des conditions de carbonisation sur les caractéristiques du charbon de bois.

III.2.5/- Charbon de bois dans les Pays en Développement (PED) : Cas de Yaoundé au Cameroun

IV!- ASPECT TECHNOLOGIQUE DE LA GAZEIFICATION.

IV.1!- Technologie de la gazéification de la biomasse

IV.1.1!- Principe de fonctionnement des gazogènes

IV.1.2/- Différents types de gazogène

IV.1.3/- Utilisations et Contraintes

IV.2/- paramètres influençant la qualité des gaz de gazéification.

IV.3/- Charbon de bois à usage gazogène.

CHAPITRE IIEXPÉRIENCES DE GAZÉIFICATION DANS LE MONDE

INTRODUCTION

I/- ETAT ACTUEL DE LA TECHNOLOGIE DE GAZEIFICATION

I.1/ Bref historique de la gazéification

I.2/- Gaz et gazéification de la Biomasse

I.3/- Etat actuel de la Technologie de gazéification dans le monde

I.4/- Vision globale de la gazéification dans le monde

II/- RESUME DE QUELQUES PROJETS DE GAZÉIFICATION DANS LE MONDE

II.1/- Projet de gazéification à grande échelle

II.1.1/- Burlington Electric (FERCO, Battelle) : Gazogène intégré à double lits fluidisés.

II.1.2/- Forster Wheeler - Pyroflow (Formerly Ahlestrom) Corporation : Gazogène à lit fluidisé mobile

II.1.3/- Institut Technologique du gaz : Gazéification à lit fluidisé

II.1.4/- "Lurgi Energie" Und Umweltlechnik" : gazogène à lit mobile pour la production de la force motrice.

II.1.6/- Wellman process Engineering LTD: Gazogène à tirage ascendant avec craquage catalytique pour la génération de la force motrice

II.2/- Projets de gazéification à petite échelle

II.2.1/- AEW Associated Engineering Works

II.2.2/- The Biomass Energy Foundation

II.2.3/- HTV Energy

II.2.4/- Université de Cardfiff aux Pays de Gales

II.2.5/- Institut National des Industries Extractives (INIEX)

CHAPITRE III:CHOIX TECHNOLOGIQUES, PROCEDURES, RESULTATSDE L'ETUDE EXPERIMENTALE, ANALYSE ETCONCLUSION

INTRODUCTION

It MATERIEL.

I.1/- description des équipements

I.3/ Description des matériels de mesure

v' La balance

II/- BIOMASSE UTILISÉE

III/- ASPECTS THEORIQUE ET THERMODYNAMIQUE DE LA GAZEIFICATION

III.1/- Théorie de la gazéification du charbon de bois

III.2/- Caractérisation des échanges thermiques au sein de la charge et du réacteur.

VI!- METHODOLOGIE DES TESTS DE GAZEIFICATION DU CHARBON DE BOIS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX

III.1!- Procédure expérimentale de la gazéification

III.2/- Sécurité et Environnement

III.3/- Production des gaz, essai d'inflammation, difficultés et quelques éléments d'explication.

III.4/- Mesure des températures, résultats et analyse.

III.4/- Autre essai : autonomie de fonctionnement en fonction du débit de charbon

CONCLUSION GENERALE

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

CHAPITRE II
EXPÉRIENCES DE GAZÉIFICATION DANS LE MONDE

CHAPITRE III:
CHOIX TECHNOLOGIQUES, PROCEDURES, RESULTATS
DE L'ETUDE EXPERIMENTALE, ANALYSE ET
CONCLUSION