L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

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Bio-Matières et Energies (Bio-ME)
Edition 2013


CATAPULT


CATAlyse en Pyrolyse pour une co-valorisation de bio-hUiLes en chimie et carburanTs

Les bio-huiles : un concentré de biomasse source de molécules et de carburants alternatifs.
La pyrolyse flash est un procédé thermochimique permettant de convertir la biomasse lignocellulosique (bois, résidus agricoles…) en bio-huiles majoritairement. Ces liquides ouvrent de nouvelles opportunités de valorisation couplée matière/énergie, s’inscrivant dans le concept de la bioraffinerie.

Améliorer l’efficacité et la sélectivité de la pyrolyse flash grâce à la catalyse.

Le projet CATAPULT se positionne sur l’élaboration de bio-huiles par pyrolyse flash catalytique, en vue d’une production conjointe de molécules bio-sourcées pour la chimie et de carburants alternatifs hybrides par co-raffinage avec des coupes pétrolières fossiles. L’objectif global du projet est d’améliorer l’efficacité de la pyrolyse par l’intégration dans le procédé d’un catalyseur qui permette :
i) une production plus sélective de molécules intéressantes à extraire des bio-huiles pour la chimie ;
ii) d’améliorer la compatibilité des fractions résiduelles des bio-huiles avec les coupes pétrolières équivalentes pour permettre un co-processing.
Sur le plan scientifique, le projet visera à mieux comprendre les mécanismes réactionnels et l’effet des catalyseurs. Sur le plan technologique, l’ambition est de développer un module innovant de filtration catalytique qui sera intégré sur un pilote déjà opérationnel.
Les principaux enjeux industriels consisteront à définir les molécules potentiellement intéressantes pour le marché de la chimie verte, et évaluer la pertinence technique, économique et environnementale d’une telle filière de co-valorisation chimie/énergie des bio-huiles.

Une approche interdisciplinaire mêlant recherche fondamentale et développement technologique
Une première génération de module catalytique sera conçue sur la base d’un catalyseur commercial supporté, et implantée sur un pilote existant. En parallèle, des développements à l’échelle laboratoire viseront à améliorer les performances du module catalytique vis-à-vis du rendement et de la sélectivité en molécules cibles, via différentes formulations de catalyseurs et différentes méthodes d’imprégnation de support.
Une seconde génération de module catalytique sera proposée et validée sur le pilote. Des analyses chimiques et tests de qualité des huiles permettront d’évaluer son efficacité. Ces données techniques serviront finalement à fournir des indicateurs économiques et environnementaux permettant de statuer quant à la viabilité d‘une filière.
Par ces démarches très complémentaires, le projet répond à des enjeux aussi bien scientifiques qu’industriels en couvrant de nombreux domaines de compétences tels que l’optimisation de catalyseurs, le développement de procédés intégrés et les analyses/tests de qualité des produits.

Résultats

A mi-parcours du projet, les principaux résultats intermédiaires obtenus sont:
- L’implantation d’un filtre à particules opérationnel sur le pilote de pyrolyse, première étape vers l’amélioration de la qualité des bio-huiles.
- Validation d’un parc analytique inter-partenaires, permettant une caractérisation chimique détaillée des bio-huiles.
- Sélection d’un premier groupe de catalyseurs sur la base d’essais de conversion de molécules modèles des bio-huiles. L’un de ces catalyseurs a été sélectionné et mis en forme pour initier les essais sur charges réelles, à l’échelle laboratoire et pilote.

Deux doctorants ont été recrutés sur ce projet et entrent dans leur seconde année. Leurs travaux complémentaires visent à mieux comprendre les mécanismes mis en jeux et optimiser le procédé catalytique.

Perspectives

Les perspectives immédiates consistent à
- sélectionner, sur la base d’une étude du marché de la chimie verte, les molécules ou groupes de molécules les plus intéressantes pour ce marché.
- poursuivre les essais sur la première génération de module catalytique sur vapeurs pyrolytiques réelles, à l’échelle laboratoire et pilote.
Ces résultats alimenteront l’évaluation économique et environnementale de la filière, dont la méthodologie et les scenarios principaux ont été définis.

Productions scientifiques et brevets

La valorisation scientifique des résultats est prévue en seconde partie du projet.

Partenaires

CIRAD Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement

CTI Céramiques Techniques et Industrielles S.A.S.

IRCELYON - CNRS Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement

SIA SOCIETE INTEROLEAGINEUSE D'ASSISTANCE ET DE DEVELOPPEMENT

Aide de l'ANR 767 943 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

L’enjeu du projet CATAPULT est d’évaluer la pertinence technique, économique et environnementale d’une filière de production de bio-huiles par pyrolyse flash en vue d’une co-valorisation matière et énergie par l’association des deux applicatifs suivants:
- la valorisation chimique d’une fraction adéquate des bio-huiles, par l’extraction de molécules dédiées à la chimie verte (molécules plateforme ou à haute valeur ajoutée)
- le co-traitement (ou co-processing) de ces bio-huiles ou de leurs fractions résiduelles avec des reformats pétroliers pour la production de carburants hybrides bio-fossiles.
Le verrou technologique majeur porte sur la qualité des bio-huiles produites dans les procédés de pyrolyse conventionnels. L’objectif global du projet est d’explorer une voie d’amélioration de l’efficacité de la pyrolyse flash, par l’utilisation combinée d’un catalyseur approprié qui permette
- d’orienter la sélectivité des réactions de pyrolyse pour optimiser la production de molécules identifiées comme intéressantes et faciliter ces opérations aval de séparation/extraction ;
- d’améliorer la compatibilité des bio-huiles vis-à-vis du co-processing, en promouvant la désoxygénation des vapeurs organiques produites lors de la pyrolyse.
Sur le plan scientifique, le projet visera à mieux comprendre l’effet des catalyseurs sur les réactions de formation ou de destruction de ces molécules ou familles de molécules qui seront préalablement identifiées comme potentiellement intéressantes en vue d’une extraction/valorisation chimique, ou au contraire comme indésirables pour les opérations de traitement aval. Sur le plan technique, il mise sur le développement d’un module innovant de traitement catalytique des vapeurs de pyrolyse qui sera implanté et testé sur un pilote existant de pyrolyse flash.

Dans un premier temps, une 1ère génération de module catalytique sera conçue sur la base d’un catalyseur commercial supporté, et implantée sur le pilote afin de produire deux lots de bio-huiles référence (avec et sans traitement catalytique). Ces tests permettront par ailleurs d'évaluer le mode de fonctionnement de ce catalyseur de référence, notamment sa stabilité et son aptitude à la régénération, qui sont des données encore peu disponibles dans la littérature. Les lots de bio-huiles serviront de produits de référence pour la standardisation des méthodes analytiques et des tests de qualité comme source de molécules ou comme charge de co-traitement. Dans un deuxième temps, des développements à l’échelle laboratoire viseront à améliorer les performances du module catalytique vis-à-vis du rendement et de la sélectivité en molécules cibles. Des tests conduits sur différentes formulations de catalyseurs et via différentes méthodes d’imprégnation de support, permettront de sélectionner une seconde génération de module catalytique, par une analyse multi-critères de performances. Cette seconde génération de module catalytique sera validée sur le pilote, à l’appui de nouvelles analyses et tests de qualité des huiles. Ces données techniques serviront finalement à fournir des indicateurs économiques et environnementaux permettant de statuer quant à la viabilité de la filière.

Par ces démarches très complémentaires et avec un dialogue permanent entre l'échelle laboratoire et l'échelle pilote, le projet répond à des enjeux aussi bien scientifiques qu’industriels en couvrant de nombreux domaines de compétences tels que l’optimisation de catalyseurs, le développement de procédés intégrés et les analyses/tests de qualité des produits. Il débouchera par ailleurs sur des schémas théoriques de fractionnement des bio-huiles, qui seraient susceptibles de conduire à des développements spécifiques ultérieurs.

 

Programme ANR : Bio-Matières et Energies (Bio-ME) 2013

Référence projet : ANR-13-BIME-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Francois BROUST (Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.