Gaz de synthèse

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Le gaz de synthèse ou syngas, autrefois (au début du XXe siècle) nommé "gaz manufacturé " puis "gaz de ville" est un mélange gazeux combustible produit par pyrolyse.
C'est un gaz pauvre (deux fois moins énergétique que le gaz naturel) et sale, toxique, acide, et corrosif s'il n'a pas été soigneusement épuré (comme c'était le cas lorsqu'il était utilisé pour l'éclairage intérieur). Voir gaz manufacturé et histoire du gaz manufacturé.

Il est issu d'une réaction chimique complexe. Cette réaction est caractérisée par une première étape de gazéification par pyrolyse d'une matière organique (bois ou charbon par exemple), en présence d’un agent oxydant volontairement introduit en quantité insuffisante, assez pour qu'il y ait combustion, mais trop peu pour qu'elle soit complète. Cette réaction produit « un gaz formé d’un mélange de gaz condensables et incondensables et un char, sorte de charbon de bois résiduel » ; le Gaz de synthèse commercialisé est produit par une seconde phase de décomposition thermique qui est celle d'une partie du « char »).

Les procédés modernes améliorent le rendement par une alimentation en continu du réacteur (lit fluidisé et entraîné) et par l'introduction d'un catalyseur dans le processus de réaction[1].

Le gaz de synthèse contient principalement de la vapeur d'eau, de l'hydrogène, du méthane, du monoxyde de carbone et un peu de dioxyde de carbone[1] ainsi que des résidus de thermolyse (dont la composition et la quantité varie selon son mode de production, selon la source de carbone qui a été utilisé pour le produire, et in fine selon son degré d'épuration. Presque tous ces résidus sont des composés toxiques, cancérigènes ou mutagènes).

Autrefois utilisé comme carburant gazeux, il est surtout aujourd'hui transformé en carburant liquide pour des moteurs à combustion interne.

Une fois épuré, il peut théoriquement être utilisé en cogénération ou trigénération pour produire du mouvement, de la chaleur et/ou de l'électricité.

Histoire[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Histoire du gaz manufacturé.
Philippe Lebon, ingénieur et professeur de mécanique, fut l'un des inventeurs du procédé industriel de production du gaz de synthèse (alors dit gaz manufacturé). Il fut aussi l'inventeur du premier moteur à explosion breveté[2]
La société du Gaz de Paris, dont on voit l'usine de la Plaine Saint-Denis dans les années 1920, est l'une des sociétés dont la nationalisation a créé Gaz de France
Sur cet emplacement a été construit le Stade de France.

Le procédé de production par thermolyse qui permet de le produire aurait été inventé 'vers 1780 (?) en Écosse[3], mais il été mis au point sous une forme industriellement exploitable en 1798 avec l'invention de l'ingénieur Philippe Lebon (1767-1804) d'un nouveau procédé de fabrication de gaz d'éclairage par pyrogénisation du bois (puis de la houille). Lebon semble aussi avoir inventé une forme de cogénération puisqu'il a alimenté l'Hôtel parisien de Seigneley (1801-10-11) en gaz d'éclairage, alors que la chaleur du four à pyrolyse servait à le chauffer [4]. Cette méthode était toutefois très polluante et source de mauvaises odeurs.

Le procédé de Lebon est ensuite amélioré par William Murdoch, permettant d'éclairer Londres au gaz, à partir de 1807 Mais ce gaz n'a été industriellement et largement produit ( par des « usines à gaz ») qu'à partir du début du XXe siècle, comme gaz d'éclairage et gaz de ville puis de gaz vendu à la sidérurgie (dans le Nord de la France et en Lorraine notamment).

Des centaines d'usines de production de ce gaz ont été rapidement construites en France, et des milliers dans le reste des pays industrialisés. La plupart de ces usines ont fonctionné en France jusqu'à la fin des années 1960 où en raison de la raréfaction du charbon, la pollution qu'elles émettaient et la concurrence du gaz naturel, elles ont été fermées (des années 1960 à 1971).

Ces usines ont été rasées, mais elles ont laissé d'importantes séquelles de pollution des sols et localement de nappes phréatiques par des HAP, (aromatiques polycycliques, des sous-produits azotés, des sous-produit carbonés légers de type BTEX (Benzène, Toluène, Ethylbenzène, Xylene. Elles ont aussi laissé des goudrons de houille (parfois dits « tars », des phénols, des résidus organiques chlorés ou inorganiques soufrés et très acides [1]; des cokes, des eaux ammoniacales, du bleu de Prusse et d'autres déchets dont des "matières épurantes" chargées de toxines[5]. Les goudrons qui sont en réalité un condensat des atomes les plus lourds de la réaction de gazéification de la biomasse (fraiche ou fossile) forment un « mélange complexe pouvant comporter plusieurs centaines de composés »[1]. La plupart de ces composés chimiques sont cancérigènes et/ou mutagènes, toxiques ou toxiques, lentement biodégradables et dans tous les cas indésirables dans l'eau, l'air et les sols. Il est nécessaire de les épurer pour qu'ils ne détériorent pas les éléments du réacteur et les tuyauteries ou vannes situées en aval.

En 1995, en France, le recensement français des friches industrielles issues par d'anciennes usines à gaz n'était pas terminé. Il comptait déjà 782 sites (dont 689 nationalisés, dont 483 gérés par EDF-GDF).

Avant le développement des gazoducs et réseaux de gaz associés, et avant la large mise à disposition du gaz naturel (à partir des années 1940), de nombreuses villes nord-américaines et européennes utilisaient le gaz de houille à la fois comme gaz de chauffage et gaz d'éclairage (alors appelé gaz bleu, gaz pauvre de gazogène, gaz à l'air, gaz à l'eau, gaz de ville ou encore gaz combustible par Mobil qui l'utilisait pour produire du méthanol destiné à produire des additifs ou carburants synthétiques.

Son nom actuel (« synthetic natural gas » pour les anglophones[6]) vient de son utilisation comme intermédiaires dans la synthèse de « gaz naturel synthétique » (GNS)[6] et pour la synthèse d'ammoniac par le procédé Haber) ou encore pour synthétiser du méthanol par méthanation pour l'industrie chimique ou des carburants. Après la méthanation, le gaz de synthèse s'est enrichi en méthane, mais il contient encore de l'eau, du CO2 et de l’hydrogène et doit donc être épuré pour être détoxiqué et pour augmenter son pouvoir calorifique (PCS) et obtenir un Indice de Wobbe (W) compatible avec le réseau gazier (c'est la phase de « mise aux spécifications »[1].

Des études en cours explorent la possibilité d'en faire un des agrocarburants ou biocarburants non conventionnels gazeux, produits à partir de la biomasse. Des chercheurs continuent à améliorer les méthodes de production de méthanol à partir de ce gaz [7].

Production et qualité[modifier | modifier le code]

La réaction de pyrolyse est endothermique (elle consomme de la chaleur). Il faut donc consommer de l'énergie pour l'entretenir, généralement en brûlant dans un réacteur séparé (et avec plus d'oxygène) une partie du char généré ou en recyclant et oxydant une partie du gaz de synthèse produit pour chauffer le réacteur.

Il existe différentes méthodes pour produire ce gaz et en extraire les goudrons et autres résidus ; qui vont beaucoup influer sur sa qualité et composition :

Il est également utilisé comme produit intermédiaire dans l'élaboration de pétrole synthétique et diesel synthétique (synfuel) par le procédé Fischer-Tropsch[10] (utilisé comme carburant ou lubrifiant).

Le gaz de synthèse est combustible et souvent utilisé comme carburant de moteurs à combustion interne. Il a moins de la moitié de la densité énergétique du gaz naturel.

Le gaz d'éclairage[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Gaz d'éclairage, Gaz de houille et Gaz de ville.

La gazéification du charbon servit pendant plusieurs années à fabriquer du gaz d'éclairage et, jusqu'à un certain point, de gaz de chauffage, avant que l'éclairage électrique et que les infrastructures pour le gaz naturel ne deviennent courantes.

Pour réussir à industrialiser le procédé Haber, des chercheurs de BASF durent mettre au point la réaction du « gaz à l'eau », car il était essentiel pour préserver le matériel utilisé d’une rapide dégradation et obtenir de l'hydrogène chimiquement pur. Ceci sera également nécessaire pour éviter d'empoisonner les catalyseurs (à base de nickel de nos jours utilisés dans une phase finale qui est la méthanation). Le syngas participe à la fabrication de l'hydrogène[11].

Usages[modifier | modifier le code]

Le syngas possède moins que la moitié de la densité énergétique du gaz naturel. Il servit de combustible et comme précurseur lors de la fabrication d'autres produits chimiques. Comme par exemple le syngas peut servir lors du procédé Fischer-Tropsch pour synthétiser du pétrole brut de synthèse lui-même précurseur de l'essence synthétique.

Fabrication[modifier | modifier le code]

Le syngas destiné à servir de combustible est le plus souvent créé par la gazéification du charbon, l'extraction de la biomasse ou par la gazéification des déchets.

Les réactions chimiques majeures sont alors :

C + H2O → CO + H2
C + O2CO2
CO2 + C → 2 CO

Lorsqu'il est utilisé dans la synthèse industrielle de l'hydrogène à grande échelle, (principalement dans la synthèse de l'ammoniac), il peut aussi être formé à partir du gaz naturel (via le reformage catalytique ou plus précisément du reformage à la vapeur) :

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Pour produire encore plus d'hydrogène à partir de ce mélange, plus de vapeur est ajoutée et la réaction du gaz à l'eau survient :

CO + H2O → CO2 + H2

Lors de la synthèse de l'ammoniac, l'hydrogène doit être séparé du CO2 pour éviter que ce dernier n'empoisonne les catalyseurs. Cela est principalement effectué par adsorption modulée en pression[12] ou par un réacteur à membranes. Les réactifs employé pour l'adsorption du CO2 sont le monoéthanoloamine, diéthanolamine, le methylethanolamine ou le carbonate de potassium[13].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f, g, h et i GRDF (2013) Biométhane de gazéification – évaluation du potentiel de production en France aux horizons 2020 et 2050 ; GrDF (Société Anonyme au capital de 1 800 000 000 euros), rapport final – janvier 2013 (Voir page 10/71 et suivantes)
  2. Pietro Redondi (1980), L'accueil des idées de Sadi Carnot et la technologie française de 1820 à 1860, Vrin, voir p. 36.
  3. Désiré Magnier (1849)Nouveau manuel complet de l'éclairage au gaz, ou Traité élémentaire et pratique à l'usage des ingénieurs, directeurs, etc. Librairie encyclopédique de Nicolas Roret, (Livre numérique Google)
  4. Michel Raoult (2007) Histoire du chauffage urbain, Éditions L'Harmattan (Voir p. 31)
  5. a et b Jean-Pierre Faccendini (1995) Caractérisation d'une pollution de sol granulaire par des hydrocarbures issus de la Pyrolyse de la Houille, thèse de Doctorat en Géologie de l'Ingénieur (financée par Gaz de France), École nationale des ponts-et-chaussées, soutenue 1995-12-19, PDF, 190 pages
  6. a et b Beychok, M.R. (1975) Process and environmental technology for producing SNG and liquid fuels, U.S. EPA report EPA-660/2-75-011, May
  7. Lopez, R. (2008). Conception d'un réacteur a trois phases et essais préliminaires visant la synthèse du méthanol à partir de gaz synthétique produit par la gazéification des résidus solides urbains. Université de Sherbrooke (Canada)
  8. (en) Beychok, Milton R. (1974) Coal gasification and the Phenosolvan process, American Chemical Society ; 168th National Meeting, Atlantic City, September 1974
  9. Frédéric Douard (2010) Europe : recherche sur le syngaz de biomasse ; Bioénergie ; brève du 2010-11-11, consultée 2013-06-20
  10. Clarke Energy Gaz de synthèse/ production combinée de chaleur et d’électricité
  11. Bosch, 1931, p. 198
  12. (fr+et+en) « Termium plus », sur Site d'aide à la traduction du gouvernement canadien,‎ 10-06-04 (consulté le 14 aout 2014)
  13. (en) Moulijn A. Jacob, Makkee Michiel, Van Diepen Annelies E., Chemical Process Techology, United Kingdom, Wiley and son,‎ 2013, 552 p. (ISBN 978-1-444-32025-1), p. 161-162

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]