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Valorisation énergétique des déchets: énergie à partir des déchets

La valorisation énergétique des déchets, également connue sous le nom d’énergie à partir des déchets, est un processus par lequel différents types de déchets sont transformés en énergie. Au lieu de simplement éliminer les déchets dans des décharges ou de les incinérer sans obtenir de bénéfice supplémentaire, la valorisation énergétique vise à convertir ces déchets en une source d’énergie utile, telle que l’électricité, la chaleur ou le biogaz.

En plus de générer de l’énergie renouvelable, la valorisation énergétique des déchets présente d’autres avantages, car elle réduit la quantité de déchets arrivant dans les décharges et diminue les émissions de gaz à effet de serre en évitant la décomposition anaérobie des déchets dans les décharges.

La valorisation énergétique des déchets ne doit pas être considérée comme une alternative à la réduction des

Le développement des politiques d’économie circulaire a conduit à une augmentation de la mise en place d’installations de traitement des déchets permettant leur transformation en énergie. Dans tous les cas, nous avons un double objectif:

  • Trouver une manière plus efficace de gérer les déchets
  • Obtenir une nouvelle source d’approvisionnement en énergie, contribuant à réduire la dépendance énergétique

Technologies de Valorisation Énergétique

Il existe de nombreux types de déchets pouvant être utilisés comme combustible pour la valorisation énergétique, notamment:

  • Déchets solides urbains (DSU)
  • Déchets générés dans les processus industriels
  • La biomasse forestière et agricole destinée à la production d’électricité
  • Les effluents d’élevage et les déchets agro-industriels pour la production de biogaz
  • La biomasse destinée aux biocarburants

Il existe différentes technologies de valorisation énergétique, classées en processus biologiques et processus thermiques.

Les premiers peuvent être appliqués lorsque les déchets contiennent une fraction biodégradable importante. En revanche, les processus thermiques sont viables lorsque le pouvoir calorifique des déchets, mesuré par le pouvoir calorifique inférieur (PCI), est moyen ou élevé.

Les processus de valorisation énergétique les plus courants sont les suivants:

Production de biogaz

La production de biogaz est un processus biologique qui se déroule en l’absence d’oxygène et implique une population hétérogène de micro-organismes. Ce processus permet de transformer la fraction la plus biodégradable de la matière organique en biogaz, un mélange de gaz principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi que d’autres gaz en moindre proportion (vapeur d’eau, CO, N2, H2, H2S, etc.).

Le biogaz est un mélange de dioxyde de carbone, de méthane et d’autres gaz minoritaires (H2S, etc.), qui, après avoir été soumis à un processus de lavage, peut être utilisé pour produire de l’électricité via un processus de cogénération. Le biogaz est une source d’énergie, car c’est un gaz combustible à haut pouvoir calorifique (5 750 kcal/m3), ce qui permet son utilisation dans des moteurs de cogénération, des chaudières et des turbines (pour produire de l’électricité, de la chaleur ou des biocarburants).

Le type de matériau à digérer influe grandement sur le rendement et la composition du biogaz obtenu. Pour obtenir une production maximale, il est préférable d’utiliser des déchets riches en graisses, protéines et glucides, car leur décomposition entraîne la formation de quantités importantes d’acides gras volatils, précurseurs du méthane.

L’énergie thermique résiduelle du processus peut être récupérée et partiellement utilisée pour concentrer les eaux usées générées, via un processus d’évaporation-concentration sous vide. Le résultat est une eau de haute qualité et des déchets très concentrés.

La production de biogaz est un processus adapté au traitement et à la valorisation des déchets agricoles, d’élevage et urbains, ainsi qu’à la stabilisation des boues issues du traitement des eaux usées urbaines.

Pyrolyse

La pyrolyse est un processus thermique consistant à transformer la matière organique en composés plus faciles à traiter.

La pyrolyse, effectuée à haute température (entre 300 et 800 °C) en l’absence d’air, implique la décomposition thermique d’un matériau sans apport d’oxygène. Ainsi, la décomposition se produit par la chaleur, sans réaction de combustion. Les caractéristiques fondamentales de ce processus sont les suivantes :

  • Le seul oxygène présent est contenu dans les déchets à traiter.
  • Les températures de travail varient entre 300 °C et 800 °C.
  • Étant donné l’absence de réaction d’oxydation des composés les plus volatils, le pouvoir calorifique inférieur du gaz de synthèse résultant de la pyrolyse varie entre 10 et 20 MJ/Nm3.

Ce processus génère les éléments suivants:

  • Un gaz de synthèse, composé principalement de CO, CO2, H2, CH4 et de composés volatils issus du craquage des molécules organiques, en plus de ceux déjà présents dans les déchets. Il s’agit d’un gaz à PCI élevé (mélange d’hydrogène, de monoxyde de carbone, de méthane, d’éthane, d’éthylène, etc.), bien que l’énergie du gaz soit en partie utilisée pour le processus de pyrolyse lui-même, qui est endothermique.
  • Un résidu liquide composé principalement d’hydrocarbures à longue chaîne, tels que des goudrons, des huiles, des phénols ou des cires, formés par condensation à température ambiante.
  • Un résidu solide constitué de tous les matériaux non combustibles qui n’ont pas été transformés, contenant une quantité élevée de carbone, de métaux lourds et d’autres composants inertes des déchets. Ce carbone solide est éliminé par un processus d’incinération complémentaire au processus de pyrolyse principal.

Les basses températures de travail limitent la volatilisation du carbone et d’autres polluants précurseurs dans le courant gazeux, tels que les métaux lourds ou les dioxines. Par conséquent, en théorie, les gaz de combustion nécessitent un traitement moindre pour respecter les limites minimales d’émission fixées dans la directive sur l’incinération. Les composés qui ne se volatilisent pas restent dans les résidus de pyrolyse et doivent être gérés correctement.

Pour pouvoir traiter les déchets par pyrolyse, certains critères doivent être respectés. Cependant, il est difficile de définir les types de déchets considérés comme adaptés ou non, car cela dépend fortement du type de réacteur utilisé et des conditions de fonctionnement. En général, les déchets considérés comme les plus adaptés comprennent le papier, le carton, les copeaux de bois, les déchets de jardin et certains plastiques sélectionnés. Les déchets volumineux, les métaux, les matériaux de construction, les déchets dangereux, le verre et certains plastiques, tels que le PVC, ne sont pas acceptables.

Gazéification

La gazéification est un processus thermique impliquant une combustion partielle de la matière en présence de quantités d’oxygène inférieures à celles requises stœchiométriquement. Elle produit un gaz combustible appelé gaz de synthèse, dont la composition varie (mélange d’hydrogène, de monoxyde de carbone, d’eau et d’hydrocarbures légers) en fonction des déchets et des conditions de fonctionnement.

Les caractéristiques principales d’un processus de gazéification d’un flux de déchets sont les suivantes:

  • L’air, l’oxygène ou la vapeur sont utilisés comme source d’oxygène et parfois comme agent pour éliminer les produits de réaction.
  • La température de travail est généralement supérieure à 750 °C.
  • Les réactions chimiques produites dans ce processus sont de deux types : la fissuration moléculaire, où la température provoque la rupture des liaisons moléculaires les plus faibles, formant des molécules de plus petite taille, généralement des hydrocarbures volatils, et le reformage de gaz, ces réactions sont spécifiques aux processus de gazéification et impliquent généralement la vapeur d’eau en tant que réactif.

En résultat du processus de gazéification, on obtient:

  • Un gaz de synthèse, principalement composé de CO, H2, CO2, N2 (si de l’air est utilisé comme agent gazéifiant) et CH4 en moindre proportion. En tant que produits secondaires, on trouve des goudrons, des composés halogénés et des particules.
  • Un résidu solide, composé de matériaux non combustibles et inerte présents dans les déchets alimentés ; il contient généralement une partie du carbone non gazéifié. Les caractéristiques de ce résidu sont similaires aux scories des fours des installations d’incinération.

La quantité, la composition et le pouvoir calorifique des gaz issus de la gazéification dépendront de la composition des déchets, de la température et des quantités d’air et de vapeur utilisées.

Le gaz de synthèse obtenu dans le processus de gazéification a potentiellement plusieurs utilisations:

  • En tant que matière première pour la production de composés organiques, tels que la synthèse directe de méthanol, d’ammoniac, ou pour leur conversion en hydrogène par reformage à la vapeur ou reformage catalytique.
  • Production d’électricité à l’aide de moteurs à combustion interne ou de microturbines. Le gaz de synthèse peut être utilisé comme carburant dans les processus de production d’électricité à partir de cycles thermiques différents de ceux de la vapeur d’eau, qu’il s’agisse de cycles combinés ou simples.
  • Il peut être transformé en carburant liquide pouvant être utilisé comme substitut du gazole.
  • Il peut être injecté dans le réseau de gaz naturel après séparation préalable du CO2 et des résidus d’oxygène.
  • L’hydrogène contenu dans une pile à combustible peut être utilisé pour la production d’électricité.
  • En tant que combustible dans des chaudières traditionnelles ou des fours.

Le gaz de synthèse doit être nettoyé pour pouvoir être réutilisé ultérieurement. Des solides, des goudrons et des cendres sont également générés, et ils doivent être incinérés.

En ce qui concerne les déchets les plus appropriés, la gazéification a également la restriction de ne pouvoir traiter que certains matériaux spécifiques. Les caractéristiques du combustible alimenté doivent garantir au moins la présence minimale de substances inertes et très humides, une taille de particule comprise entre 80 et 300 mm, une quantité de carbone suffisante pour permettre les réactions du processus de gazéification, l’absence de substances dangereuses, et autant que possible, une valeur calorifique élevée.

Incinération, ou combustion en excès d’oxygène

L’incinération est un processus thermique rapide dans lequel une combustion complète de la matière se produit, se transformant en dioxyde de carbone et en eau, qui sont ensuite oxydés.

Les caractéristiques principales de l’incinération des déchets sont les suivantes:

  • Un excès d’oxygène par rapport à la stœchiométrie est nécessaire pendant la combustion pour assurer une oxydation complète.
  • La température de combustion est normalement comprise entre 850 °C et 1 100 °C après la dernière injection d’air secondaire. La température varie en fonction de la composition des composés halogénés du déchet à traiter.
  • Pour que la matière réagisse avec l’oxygène pour produire de l’énergie, elle doit contenir du carbone, de l’hydrogène ou du soufre.

Résultant du processus d’incinération, on obtient:

  • Des gaz de combustion, composés principalement de CO2, H2O, O2 non réagi, N2 de l’air utilisé pour la combustion et d’autres composés en proportions moindres provenant des différents éléments faisant partie des déchets. Les composants minoritaires présents dépendront de la composition des déchets traités. Ils peuvent donc contenir des gaz acides dérivés de réactions d’halogènes, de soufre, de métaux volatils ou de composés organiques non oxydés. En fin de compte, les gaz de combustion contiennent des particules qui sont entraînées par les gaz.
  • Des résidus solides, composés principalement de scories inertes, de cendres et de résidus du système de purification des gaz de combustion.

Le processus global convertit pratiquement toute l’énergie chimique contenue dans le combustible en énergie thermique, laissant une partie de l’énergie chimique non convertie dans les gaz de combustion et une très petite partie d’énergie chimique non convertie dans les cendres.

L’utilisation de la chaleur de ce processus est réalisée en générant de la vapeur d’eau surchauffée, avec des rendements thermiques de l’ordre de 80 %, en raison des pertes de chaleur à la fois dans le four et dans la chaudière et de la température minimale de sortie des gaz de combustion de la chaudière de récupération.

Les processus d’incinération sont très flexibles en ce qui concerne les combustibles qui peuvent être utilisés, ce qui leur permet de traiter les ordures ménagères, les déchets industriels, les déchets dangereux, les boues d’épuration ou les déchets hospitaliers.

Génération de plasma

Le plasma est un état de la matière formé à partir d’un gaz soumis à des températures élevées et dans lequel presque tous les atomes ont été ionisés. Le résultat est un fluide composé d’un mélange d’électrons, d’ions et de particules neutres libres, étant globalement électriquement neutre mais conducteur de l’électricité.

Les caractéristiques définissant ce processus sont les suivantes :

  • La génération de plasma est réalisée en faisant passer un gaz inerte à travers un champ électrique existant entre deux électrodes, formant ainsi ce que l’on appelle l’arc de plasma.
  • Les températures de travail varient entre 5 000 °C et 15 000 °C.
  • À l’intérieur du gaz, les réactions suivantes se produisent : dissociation des atomes, perte d’électrons des couches externes et formation de particules chargées positivement.
  • Le principe du processus est le suivant : si un gaz se trouve dans les conditions susmentionnées et est introduit dans un champ électrique, un courant électrique est généré, formé par les électrons libres se dirigeant vers la polarité positive du champ électrique et les particules positives vers la polarité négative. Ce courant électrique détermine une résistivité et, par conséquent, une transformation en chaleur dépendant de l’intensité électrique. Ainsi, en augmentant l’intensité du champ électrique, l’intensité électronique et cationique, la transformation en chaleur et la température du gaz augmentent également.
  • Ce processus a comme limite pratique la résistance mécanique et thermique des électrodes.

Le plasma, en tant que méthode thermique de traitement des déchets, offre trois possibilités :

  • Le traitement de gaz dangereux, qui sont soumis à des températures de travail, détruisant ainsi leur structure moléculaire. Un exemple clair est l’application pour la destruction de PCB, de dioxines, de furannes, de pesticides, etc.
  • La vitrification des déchets dangereux, tant pour les déchets organiques, détruisant leur structure moléculaire, que pour les déchets inorganiques, en les fondant dans une masse vitreuse. Après refroidissement et solidification de la masse fondue, les déchets restent physiquement piégés à l’intérieur de la masse vitreuse, devenant ainsi un solide inerte, minimisant ainsi leurs possibilités de lixiviation.
  • La gazéification par plasma, dans laquelle la source de chaleur est l’énergie thermique contenue dans le plasma lui-même à partir de l’énergie (généralement électrique) consommée pour le générer. De cette manière, on obtient comme produits finaux : un gaz composé principalement de monoxyde de carbone et d’hydrogène, et un résidu solide constitué d’une scorie généralement vitrifiée.

Suite aux essais réalisés en usine pilote, cette technologie pourrait être en mesure de traiter un large éventail de déchets, tels que les déchets ménagers, les déchets industriels, la biomasse, les déchets de santé, les déchets de véhicules hors d’usage, les pneus, les plastiques, les déchets spéciaux, etc.

Mise en décharge et utilisation du gaz de décharge

En vertu de la plupart des réglementations actuelles, il n’est pas conseillé de considérer cette option comme une option viable, car la quantité de déchets biodégradables déposés en décharge diminue de plus en plus.

Cependant, il est conseillé de valoriser l’énergie du gaz de décharge, malgré les inconvénients techniques (pouvoir calorifique variable, présence de nombreux polluants dans le gaz, conditions agressives pour les moteurs de cogénération ou les microturbines, etc.).

Par Sergio Tuset

Ingénieur Chimiste

Fondateur de Condorchem Envitech. Spécialiste prestigieux en ingénierie appliquée à la gestion des eaux usées et au contrôle des émissions atmosphériques, auteur de divers brevets environnementaux et de nombreuses publications techniques.

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