II.5.1.2. Le biodiesel : esters d'huiles
végétales
L'utilisation des huiles végétales pures comme
carburants de substitution au gazole n'est pas toujours possible et
dépend du type d'huile et de l'environnement d'utilisation. Pour
contourner ces difficultés, un procédé a été
mis au point : l'huile est transformée pour obtenir un produit plus
proche du gazole et utilisable sans modification des moteurs. Il s'agit de la
transestérification de l'huile par un alcool, on parle aussi
d'alcoolyse. Le produit obtenu est un ester. Ce procédé permet de
réduire la masse moléculaire à environ 1/3 de celle de
l'huile, ainsi que la viscosité et la densité. Actuellement,
l'alcool le plus utilisé dans cette transestérification est le
méthanol, le procédé avec l'éthanol pourtant plus
facilement disponible, n'étant pas entièrement
maîtrisé du point de vue industriel. C'est une réaction
réversible, catalysée par une base ou un acide. Pour rendre la
réaction complète on utilise un excès d'alcool qui sert
souvent de solvant. L`équation avec le méthanol est la suivante
:
Triglyceride Methanol Glycerol Esters Methyliques
catalyse (2)
Les propriétés physico-chimiques des esters
obtenus sont proches de celles du gazole.
Tableau II.4 :
Caractéristiques physico-chimiques de quelques esters d'huiles.
|
Caractéristique
|
Gazole
|
Ester méthylique de colza
|
Ester méthylique de coton
|
Ester méthylique de soja
|
|
Masse volumique à 20°C (kg/m3)
|
836
|
880
|
885
|
885
|
|
Viscosité à 40°C (mm2/s)
|
3,3
|
6,7
|
4
|
4,1
|
|
PCI (kJ/kg)
|
43 700
|
37 700
|
37 500
|
37 300
|
|
Point éclair (°C)
|
63
|
171
|
110
|
171
|
|
Indice de cétane
|
50
|
49
|
52
|
51
|
|
Point de trouble (°C)
|
<-5
|
-3
|
1
|
2
|
Source : (BLIN J., 2008)
`'Opportunités d'utilisation des biocarburants et leur
impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
Le tableau ci-dessus, nous renseigne que les esters
méthyliques des plantes (colza, coton, soja) sont plus visqueux que le
gazole, leur indice de cétane dépasse celui du gazole sauf le
colza qui a un indice de cétane faible ; leur masse volumique
dépasse celle du gazole et leur point d'éclair ou d'inflammation
est largement supérieur à celle du gazole. Ils ont un pouvoir
calorifique faible par rapport à celui du gazole. Et leur point de
trouble est largement supérieur à celui du gazole.
II.5.1.2.1 Procédés de production des
esters méthylique
Pour la synthèse de biodiesel méthylique on
distingue :
les procédés en discontinu utilisés
surtout pour les petites capacités. On y rencontre des installations
avec de petits réacteurs pouvant produire 150 litres de biodiesel par
jour (ou moins), des installations de taille moyenne avec des capacités
pouvant aller jusqu'à 2500 litres par jour (ou plus).
Généralement, il est considéré qu'une unité
d'estérification de ce type est rentable au-delà de 20 000 tonnes
de biodiesel par an (effet d'échelle qui se traduit par une baisse des
coOts de productions) et la limite de ce type de procédés en
discontinu est de 80 000 tonnes par an (soit un réacteur de 15
m3). les procédés en continu, très souvent
choisis dans les productions industrielles actuelles. Les capacités de
production des installations industrielles actuelles peuvent dépasser
100.000 tonnes par an. On distingue par ailleurs deux principales techniques de
catalyse : homogène et hétérogène.
La catalyse homogène : La transestérification
est effectuée suivant le principe général décrit
ci-dessus en utilisant un catalyseur basique. Les principaux catalyseurs
utilisés dans ce procédé sont la soude, la potasse et le
méthylate de sodium. Dans les procédés en continu
utilisant la catalyse homogène, la transestérification a
généralement lieu dans deux réacteurs en série
(figure II.4). On obtient à la sortie du deuxième réacteur
l'ester méthylique qui est lavé (pour éliminer les traces
de catalyseur, de glycérine et de méthanol) puis
séché à 140 °C sous pression réduite. Les
rendements en esters de ce procédé sont compris entre 98,5 et
99,4 %. La glycérine (glycérol) issue du procédé
est purifiée en neutralisant les sels basiques provenant du catalyseur
à l'aide d'un acide minéral.
Figure II.3 : Schéma de principe d'un
procédé continu de production d'esters méthyliques
par
catalyse homogène (société Lurgi)
`'Opportunités d'utilisation des biocarburants et leur
impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
Source : (BLIN J., 2008)
|
La catalyse hétérogène :
Ce procédé utilise un catalyseur en
général solide non miscible aux huiles (utilisé
généralement dans les procédés en continu). Il a
l'avantage de produire de la glycérine qui ne nécessite pas des
traitements coûteux de purification (car ne contient pas les sels
basiques comme dans le cas de la catalyse homogène) et de permettre une
réutilisation du catalyseur. L'un de ces catalyseurs le plus
utilisé est un aluminate de zinc de formule ZnAl2O4, (aucune perte
d'activité n'est observée après 1 an de fonctionnement, et
on observe une bonne résistance à l'attrition. Dans le
procédé continu par catalyse hétérogène, on
utilise comme précédemment, deux réacteurs en
série. La teneur en esters avec ce procédé est
supérieure à 98 % en poids. La glycérine obtenue
présente une pureté supérieure à celle obtenue par
les procédés fonctionnant en catalyse homogène
(pureté > 98%) (Ballerini, D., 2007).
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Figure II.4 : Synthèse de principe d'un
procédé continu de production d'esters méthyliques
par
catalyse hétérogène
Source : (Ballerini, D., 2007)
`'Opportunités d'utilisation des biocarburants et leur
impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
II.5.1.2.2. Procédés de production des
esters éthyliques
De l'éthanol peut être utilisé à la
place du méthanol. Cependant la catalyse homogène, est
très délicate. En effet, la distillation nécessaire de
l'alcool à la sortie du premier réacteur (pour favoriser la
séparation de la glycérine avant l'entrée dans le second
réacteur) est difficile à mettre en oeuvre dans le cas de
l'éthanol. On peut produire à nouveau des glycérides
(réaction inverse) avec la présence du catalyseur, encore actif.
Ce problème ne se présente pas en catalyse
hétérogène avec l'éthanol.
Un autre inconvénient de l'éthanol est sa
pureté (teneur en eau). L'obtention d'éthanol pur, indispensable
à la réalisation correcte de la transestérification, est
beaucoup plus délicate et coûteuse que dans le cas du
méthanol. En termes de rendements, ils sont plus faibles que dans le cas
du méthanol du fait de la faible réactivité de
l'éthanol par rapport au méthanol.
La maîtrise de la production optimisée d'esters
éthyliques fait toujours l'objet de recherches.
La catalyse hétérogène se présente
comme une option intéressante.
II.5.1.2.2. Utilisation des esters d'huiles et des
sous-produits de la transestérification
Les principaux produits issus de la réaction de
transestérification sont les esters et la glycérine (ou
glycérol).
La glycérine est utilisée dans de nombreuses
applications :
|
dans la chimie (peintures glycérophtaliques, synthon pour
diverses synthèses chimiques d'éthers, d'acétals ou de
carbonates) ;
dans les médicaments (sirops, suppositoires etc.) ;
dans l'alimentation (vin) ;
dans la cosmétique (solvant, hydratant, pate dentifrice
etc.) ;
|
Les esters obtenus sont utilisés principalement comme
carburant dans les moteurs diesel et sont désignés couramment par
le terme biodiesel. Le biodiesel est utilisable pur ou en mélange au
gazole dans tout type de moteur diesel (injection directe et injection
indirecte). Il est utilisé :
soit en mélange au gazole : des teneurs de 2%, 5%, 20%,
30% sont généralement incorporées au gazole suivant les
pays et selon les types de flottes (voitures particulières,
véhicules utilitaires etc.). On parle alors de carburant respectivement
B2 (pour biodiesel 2%), B5, B20 et B30.
soit pur (B100) dans certains pays (Allemagne, Italie, France
etc.) dans des véhicules ayant fait l'objet d'adaptations de certains
matériaux (en caoutchouc notamment).
Les performances obtenues sont très comparables
à celles obtenues avec le gazole. Une synthèse des
résultats de la littérature en termes d'émissions de CO
(monoxyde de carbone), de HC (hydrocarbures imbrûlés), de
particules, de HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques), sont en
général favorables aux esters d'huiles végétales ;
tandis que, les
`'Opportunités d'utilisation des biocarburants et leur
impact sur l'environnement socio-économique de la R.D.C». «
Cas de Mbankana dans le plateau des Batéké »
émissions de NOX et d'aldéhydes leurs sont
défavorables (Guibet, J.C., 1997) et (Faure E., 1997).
La norme EN 14214 en Europe, norme ASTM D6751-01 aux USA
stipule qu'on observe un bon comportement en endurance de l'ester. Les
dépôts sont très faibles, généralement
inférieurs à ceux observés avec le gazole. Toutefois,
l'ester doit être bien purifié.
A ce titre, le biodiesel est soumis généralement
à des spécifications particulières. Parmi les
inconvénients liés à l'utilisation d'esters purs d'huiles
végétales dans les moteurs diesel, on peut citer la corrosion de
certains composants, notamment les matériaux en caoutchouc. Cela
nécessite l'utilisation de matériaux adaptés. Aussi, ces
esters se comportent comme des solvants pour les peintures et les
revêtements. Par ailleurs, ils sont hygrophiles et présentent une
légère instabilité par oxydation.
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