Biohydrogène à partir de déchets de bois
Procédé biotechnologique à haut rendement en hydrogène
Jusqu'à présent, les déchets de bois devaient être éliminés à grands frais et, dans le meilleur des cas, étaient utilisés pour produire de l'énergie dans les usines d'incinération. Les chercheurs du Fraunhofer utilisent désormais cette ressource précieuse pour produire du biohydrogène dans la région de la Forêt-Noire, en Allemagne. Dans le cadre du projet commun H2Wood - BlackForest, des processus de fermentation utilisant des bactéries productrices d'hydrogène et des microalgues ont été spécialement développés pour la production biotechnologique de ce vecteur d'énergie verte. Une usine pilote de production de biohydrogène devrait être mise en service dès 2025. Une étude publiée dans le cadre du projet examine également les potentiels, les obstacles et les mesures pour la production régénérative d'hydrogène à partir de déchets de bois et de vieux bois dans la région de la Forêt-Noire.
La région de la Forêt-Noire abrite un grand nombre d'entreprises de transformation du bois, dont de nombreux fabricants de meubles. De grandes quantités de déchets de bois sont produites lors de la transformation des meubles, de l'élimination des palettes et de la démolition des bâtiments. Jusqu'à présent, ces déchets étaient éliminés dans des usines d'incinération. Comme le vieux bois contient souvent des produits de conservation du bois qui sont interdits depuis longtemps en raison de leurs effets nocifs sur la santé humaine, les gaz d'échappement issus du processus d'incinération doivent également être nettoyés à grands frais. C'est ce qui a incité les chercheurs du Fraunhofer à rechercher d'autres utilisations pour les déchets de bois régionaux. L'idée était que les déchets de bois et le vieux bois pouvaient être utilisés pour produire de l'hydrogène régénératif, et que le biohydrogène pouvait être produit à partir des déchets à l'aide de processus biotechnologiques - ce qui est parfaitement conforme à une économie circulaire basée sur le bois. L'astuce consiste pour les chercheurs à utiliser le sucre du bois pour produire de l'hydrogène à l'aide de bactéries. Le CO2 qui en résulte est ensuite utilisé pour cultiver des microalgues qui peuvent également produire de l'hydrogène. Outre l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie interfaciale et la biotechnologie IGB et l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie de fabrication et l'automatisation IPA, l'Université de Stuttgart, avec son Institut de fabrication industrielle et de gestion IFF, et le Campus Schwarzwald sont également impliqués dans la mise en œuvre du projet H2Wood - BlackForest, qui a été lancé en 2021. Le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF) finance le projet à hauteur de 12 millions d'euros.
Le processus de production de biohydrogène commence par le prétraitement de vieux bois et de bois usagé. Tout d'abord, les déchets de bois, tels que les palettes ou les vieilles clôtures de jardin, sont réduits en pulpe et décomposés en leurs composants de base. Pour ce faire, les chercheurs font bouillir le bois sous pression jusqu'à 200 °C dans un mélange d'éthanol et d'eau. La lignine ainsi que les adhésifs, les solvants et les peintures contenus dans les déchets de bois se dissolvent dans l'éthanol, séparant ainsi les contaminants chimiques des fibres de bois. Dans l'étape suivante, la fraction de fibre de bois qui reste après ébullition, la cellulose et une partie de l'hémicellulose sont décomposées en molécules de sucre individuelles (glucose et xylose), qui servent de nourriture ou de substrat aux micro-organismes producteurs d'hydrogène. "La séparation du bois en ses fractions est un processus qui requiert de l'expérience. C'est ici que nous nous appuyons sur les nombreuses années d'expertise que nous avons acquises lors de la construction de notre bioraffinerie de lignocellulose à Leuna", explique Ursula Schliessmann, directrice adjointe de l'institut Fraunhofer IGB de Stuttgart, responsable de la coordination du projet et du développement technologique. Pour convertir le sucre produit en hydrogène, les chercheurs du Fraunhofer IGB ont mis en place deux processus de fermentation interconnectés utilisant des bactéries productrices d'hydrogène et des microalgues.
Des sous-produits à base de carbone sont produits en plus de l'hydrogène
Le prétraitement produit des sous-produits tels que la lignine, et la conversion biotechnologique du bois libère de l'hydrogène et du CO2. Ce dernier est ensuite converti en sous-produits tels que l'amidon et les caroténoïdes lors de la production de microalgues. Le Dr Schliessmann explique le processus en cascade : "Lors du fractionnement du bois, les fibres de bois sont débarrassées de la lignine qui, en plus de la cellulose et de l'hémicellulose, constitue vingt à trente pour cent de la substance de la paroi cellulaire du bois. Cette lignine, qui est l'un des sous-produits, a de nombreuses utilisations, par exemple dans les matériaux composites. Elle est par exemple utilisée dans les panneaux des voitures". Les longues chaînes de sucre de la cellulose sont utilisées pour produire du glucose, qui est ajouté au fermenteur avec les bactéries et sert de source de carbone pour la croissance bactérienne. Les bactéries produisent alors de l'hydrogène et du CO2. Les chercheurs séparent le CO2 du mélange gazeux et le transfèrent dans le réacteur à algues, un photobioréacteur. Les microalgues sont capables d'utiliser le CO2 comme source de carbone et de se multiplier. Contrairement aux bactéries, elles n'ont pas besoin de sucre. "Les produits métaboliques des bactéries, c'est-à-dire le flux apparent de déchets de CO2, sont de la nourriture pour les microalgues et n'entrent donc pas dans les gaz d'échappement en tant que gaz à effet de serre nocif. Les microalgues l'utilisent pour synthétiser des caroténoïdes ou des pigments sous l'influence de la lumière en tant que sous-produits supplémentaires qui peuvent être utilisés par divers secteurs industriels." Dans un deuxième temps, les microalgues sont transférées dans un réacteur spécialement conçu à cet effet, où elles libèrent de l'hydrogène par photolyse directe.
Un processus biotechnologique avec un rendement élevé en hydrogène
Les partenaires du projet s'attendent à un rendement élevé : Dans un premier temps, environ 0,2 kilogramme de glucose peut être produit à partir d'un kilogramme de vieux bois. "Nous pouvons ensuite produire 50 litres d'H2 à l'aide de micro-organismes anaérobies", explique le Dr Schliessmann. Lors de la fermentation avec des bactéries anaérobies, le CO2 est produit à parts égales, c'est-à-dire à 50 %. Une fois l'hydrogène séparé du mélange gazeux, environ deux kilogrammes de CO2 dans le photobioréacteur peuvent produire un kilogramme de biomasse de microalgues. Cette biomasse contient jusqu'à 50 % d'amidon. Elle contient également de la lutéine, un pigment. Le sous-produit de la biomasse d'algues peut, par exemple, être utilisé pour fabriquer des composants en plastique à l'aide de bactéries.
L'installation pilote modulairement extensible comprenant trois bioréacteurs est actuellement en cours de construction. La bioraffinerie devrait entrer en service au Campus Schwarzwald au début de l'année 2025. À l'avenir, il sera possible de combiner différentes étapes du processus de manière modulaire - une condition préalable idéale pour tester de nouvelles technologies.
Feuille de route pour l'hydrogène dans la région de la Forêt-Noire
Dans le cadre de ce projet, le Fraunhofer IPA, en collaboration avec l'Institute of Industrial Manufacturing and Management IFF, mène une étude visant à déterminer comment répondre à la demande locale d'hydrogène vert dans les secteurs de l'industrie, des transports, des ménages et du bâtiment, et quelles sont les quantités de déchets de bois et de vieux bois disponibles pour la production de cet hydrogène. Cette feuille de route pour l'hydrogène a permis de formuler des recommandations pour le développement de l'économie de l'hydrogène dans la région de la Forêt-Noire. Les mesures proposées comprennent la promotion de la recherche et du développement, l'expansion de l'infrastructure régionale de l'hydrogène et le renforcement de l'intégration des systèmes énergétiques afin de faire de l'hydrogène une partie intégrante de la transition énergétique. "L'étude montre que la région de la Forêt-Noire dispose d'un potentiel important pour produire de l'hydrogène à partir de ressources locales, mais ce potentiel ne pourra être pleinement exploité qu'en développant davantage les technologies et en élargissant l'infrastructure", explique Vladimir Jelschow, chercheur au Fraunhofer IPA et l'un des auteurs de la feuille de route sur l'hydrogène.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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