Définition et classification des biocarburants

Projet, rapport de stage, et mémoire de fin d’études CONTRIBUTION A L’ETUDE DU FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR A HUILE DE JATROPHA DANS LE CADRE DE LA PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT en PDF

Origine des carburants
Les carburants sont le plus souvent des mélanges d’hydrocarbures provenant du pétrole brut qui contient une grande variété d’hydrocarbures de masse moléculaire variable selon leur origine. La combustion de ces carburants en présence d’air permet le fonctionnement des moteurs à essence, diesel et à réaction. Les carburants sont issus des opérations de raffinage et de transformation du pétrole brut. Ce raffinage consiste à séparer les produits ou plus précisément les hydrocarbures classés selon leur masse volumique et leur viscosité . La séparation se fait par distillation , à la pression atmosphérique ou sous vide quand on veut augmenter la production de produits légers. Les classes ainsi obtenues sont appelées les coupes qu’on peut distinguer en quatre parties :
– les coupes lourdes, par exemple le fuel lourd
– les coupes kérosène destiné à l’aviation à réaction
– les coupes moyennes comme le gazole
– les coupes légères comme les essences.

Signalons tout de même qu’il existe une technique de conversion des coupes lourdes en coupes légères appelée reformage ou encore vapocraquage..

L’ indice de cétane
L’indice de cétane est un moyen de mesurer la qualité du gazole puisque ce carburant est comparé à deux hydrocarbures de références inférieure et supérieure, affectés respectivement d’indice 100 et d’indice 0.

L’indice de cétane se détermine sur un moteur CFR Diesel, et les carburants primaires de référence sont :
‰ le n-cétane encore appelé hexadécane, affecté d’indice 100, a pour formule chimique : CH3-(CH2)14-CH3 .
‰ l’α-méthylnaphtalène affecté d’indice 0. Donc un gazole qui présente un indice de cétane IC=X se comporte comme un mélange binaire de X% en volume de n-cétane et (100-X)% en volume d’α-méthylnaphtalène.

LES CARBURANTS DE SUBSTITUTION

LES BIOCARBURANTS

L’évolution des réglementations antipollution imposera tôt ou tard la généralisation de l’emploi des carburants moins polluants. En plus, la méfiance en matière d’émission de particules polluants des moteurs diesel freinera le développement de la diésélisation dans certains secteurs d’utilisation du gazole. La pénétration de nouveaux carburants de substitution ou biocarburants est donc souhaitable puisque les biocarburants peuvent être produits avec un rendement considérable en comparaison avec les carburants d’origine pétrolière non seulement sur le plan économique mais surtout sur le plan écologique.

Les biocarburants sont des carburants produits à partir des matières végétales appelées biomasse. Parmi les biocarburants qui sont techniquement au point, on distingue deux grandes filières :
‰ la filière sucre qui permet d’obtenir l’éthanol et l’ETBE (alcool)
‰ la filière oléagineuse qui permet de produire l’huile végétale (ancre) et le biodiesel .

– Les alcools
‰ le Tertiobutyl-alcool (TBA) : C4H9—OH qui est économiquement intéressant mais peu disponible ce qui ne permet pas de se dégager du pétrole. Il est aussi utilisé pour stabiliser les mélanges alcool-hydrocarbure à faible concentration en alcool.
‰ le méthanol CH2OH présente un rendement énergétique assez mauvais alors qu’il est très abondant à cause de la diversité des matières premières pour sa fabrication.
‰ l’éthanol C2H5OH sa production est très ancienne puisqu’il s’agit du même procédé que celui qui se rencontre dans les boissons alcoolisées.
‰ Mélange acétone-butanol-éthanol :{ C4H9—OH (60%) et CH3—CO—CH3 (40%)} ce mélange est composé de 40% d’acétone, 60% de butanol, en masse et une très faible quantité en éthanol, ce produit est assez abondant sur le marché mondial.

Signalons tout de même que ces alcools sont utilisés comme carburant de substitution dans les moteurs à essence, donc leurs propriétés devraient se rapprocher à celui de l’essence ou du supercarburant.

– L’huile végétale
L’huile végétale (ou huile brute) est extraite de graines oléagineuses : le colza, ou le jatropha.

Les huiles végétales peuvent être directement utilisées comme carburant, pures ou en mélange, dans des moteurs adaptés. Toutefois, les huiles végétales sont le plus souvent trop visqueuses pour être utilisées en leur état.

Ce fait est dû à la longueur trop importante de chaînes carbonées. Leur viscosité ne permet donc pas de les utiliser sans chauffage préalable dans des moteurs classiques.

Dans le cas d’une utilisation en mélange à faible pourcentage, l’huile pure, qui peut être utilisée directement, semble être une solution à examiner, en attendant que soit produit le biodiesel qui nécessite une transformation industrielle supplémentaire.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : LES CARBURANTS
I.1- NOTION SUR LES CARBURANTS
I.1.1 – Origine des carburants
I.1.2 – Principales caractéristiques physiques du carburant pour moteur diesel
I.1.3 – L’indice de cétane
I.1.4 – Tableau récapitulatif des propriétés physiques des carburants usuels
I.2 – PHENOMENES QUE SUBISSENT LES CARBURANTS DANS LE MOTEUR
I.2.1 – Moteur à essence
I.2.2 – Moteur Diesel
I.2.3 – Equation stœchiométrique de combustion
I.2.4 – Richesse
I.2.5 – Pouvoirs calorifiques
I.3 – LIMITE D’UTILISATION DES HYDROCARBURES
I.3.1 – Epuisement des ressources mondiales
I.3.2 – Menaces environnementales
I.3.2.1 – Généralité sur l’environnement et la pollution atmosphérique
I.3.2.1.1 – Définition de l’environnement
I.3.2.1.2 – L’effet de serre
I.3.2.1.3 – Conséquence de la situation actuelle au niveau international émergence des biocarburants
Chapitre II : LES CARBURANTS DE SUBSTITUTION
1 – LES BIOCARBURANTS
II.1.1 – Définition et classification des biocarburants 
II.1.1.1 – Les alcools
II.1.1.1.1 – Types d’alcool
II.1.1.1.2 – Classement des alcools en fonction de leur éloignement du supercarburant selon le rapport atomique O/C
II.1.1.2 – L’huile végétale
II.1.1.2 – Le biodiesel
II.1.2 – Modes de production des biocarburants
II.1.2.1 – Production à partir de gaz de synthèse (CO +H2): cas du méthanol
II.1.2.2 – La fermentation : cas de l’éthanol et de l’ ACETONE- BUTANOL- ETHANOL (ABE)
II.1.2.3 – Pressage : cas de l’huile végétale
II.2 – L’HUILE DE JATROPHA
II.2.1 – Caractéristiques des graines de jatropha
II.2.2 – Mode de fabrication de l’huile de jatropha
II.2.2.1 – Fabrication artisanale
II.2.2.2 – Fabrication à partir d’une presse
II.2.3 – Composition chimique de l’huile de jatropha
II.2.4 – Indice physico-chimique des huiles de jatropha
II.2.5 – Spécificité de l’huile de jatropha
II.3 – OBTENTION DE L’HUILE RAFFINEE: méthode artisanale
II.3.1 – But du raffinage
II.3.2 – Manipulation du raffinage
II.3.2.1 – Dégommage : enlèvement des gommes
II.3.2.2 – Neutralisation : enlèvement des acides gras
II.3.3 – Viscosité de l’huile raffinée
II.3.4 – Comparaison de la viscosité des deux huiles (brute et raffinée)
Chapitre III : LE MOTEUR DIESEL
III.1- QUELQUES RAPPELS SUR LES LOIS ET LES PRINCIPES DE LA THERMODYNAMIQUE
III.1.1 – Quelques caractéristiques des gaz
III.1.1.1 – L’expansibilité
III.1.1.2 – Loi de MARIOTTE
III.1.2 – Equation d’état d’un gaz parfait
III.1.3 – Equations de transformation classique des gaz
III.1.3.1 – Transformation isotherme
III.1.3.2 – Transformation isobare
III.1.3.3 – Transformation adiabatique
III.1.3.4 – Transformation polytropique
III.1.3.5 – Transformation isochore
III.1.4 – Diagramme de CLAPEYRON
III.1.5 – Grandeurs énergies
III.1.5.1- Travail au cours d’une transformation
III.1.5.2 – Quantité de chaleur échangée
III.1.5.3 – Premier principe de la thermodynamique
III.1.5.4 – Enthalpie
III.1.5.5 – Second principe de la thermodynamique
III.1.5.6 – Entropie
III.1.6 – Cycle thermique (moteur) et calcul de rendement
III.2 – NOTION SUR LE MOTEUR THERMIQUE
III.2.1 – Définition
III.2.2 – Classification des moteurs thermiques
III.2.3 – Fonctionnement d’un moteur thermique à piston et à combustion interne à volume constant
III.3 – LE MOTEUR DIESEL
III.3.1- Définition
III.3.2 -Principaux éléments constitutifs du moteur Diesel
III.3.2.1 – Les organes fixes
III.3.2.2 – Les pièces maîtresses du circuit basse pression
III.3.2.3 – Les pièces maîtresses du circuit haute pression
III.3.2.4 – Les éléments de transmission de puissance
III.3.3 – Cycle diesel (Cycle théorique pour moteur Diesel 4 temps)
III.3.4 – Rendement du cycle Diesel
III.3.4.1 – Cycle de CARNOT
III.3.4.2 – Rendement de CARNOT
III.3.4.3 – Rendement de cycle diesel
III.3.5 – Classification des moteurs Diesel
III.3.5.1 – Système d’injection du moteur Diesel
III.3.5.2 – Classification
III.3.5.2.1 – L’injection directe
III.3.5.2.2 – L’injection indirecte
III.4 – ETUDE DES GAZ BRULES EMIS DANS LES GAZ D’ECHAPPEMENT DES MOTEURS DIESEL
III.4.1 – Processus de combustion dans les moteurs Diesel
III.4.1.1 – Equation de la combustion
III.4.1.2 – Déroulement de la combustion
III.4.2– Les émissions de polluants
III.4.3- Origines des émissions de polluants dans un moteur Diesel à combustion interne
III.4.3.1 – Les gaz de ventilation de carter
III.4.3.2 – Les gaz d’échappement
III.4.4 – Toxicité des différents constituants des gaz d’échappement
III.4.4.1 – Composés non toxiques
III.4.4.1.1 – L’azote : N2
III.4.4.1.2 – Vapeurs d’eau : H2O
III.4.4.1.3 – L’hydrogène : H2
III.4.4.2 – Composés toxiques
III.4.4.2.1 – Le dioxyde de carbone : CO2
III.4.4.2.2 – Le monoxyde carbone : CO
III.4.4.2.3 – Le dioxyde de soufre : SO2
III.4.4.2.4 – Les hydrocarbures imbrûlés : HC
III.4.4.2.5 – Les oxydes d’azote : NOx
III.4.4.2.6 – Les particules
III.4.5 – Limites imposées pour les émissions de polluants
III.4.6 – Avantages du moteur Diesel
Chapitre IV : ETUDE COMPARATIVE DES EMISSIONS PRODUITES PAR LE GAZOLE ET L’HUILE DE JATROPHA
IV 1 – LE MOTEUR D’ESSAI
IV.1.1 – Caractéristiques du moteur d’essai
IV.1.2 – Etude particulière du système d’injection du moteur
IV.1.2.1 – Description du système d’injection du moteur
IV.1.2.2 – Fonctionnement de la pompe d’injection
IV.1.3 – Système de refroidissement du moteur
IV.2 – CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES FUMEES ET BRUIT DU MOTEUR
IV.2.1 – Constatation des fumées et bruit du moteur
IV.2.1.1 – Conduite d’essai
IV.2.1.2 – Tableau des résultats
IV.2.1.3 – Interprétations
IV.2.2 – Comparaison de l’opacité des fumées pour chaque type de carburant
IV.2.2.1 – Caractéristiques et mode de fonctionnement de l’opacimètre
V.2.2.2 – Schéma général de l’installation
IV.2.23 – Comparaison des valeurs données par l’appareil
IV.2.24 – Interprétations
IV.3 – COMBUSTION DE L’HUILE DE JATROPHA
IV.3.1 –Volume d’oxygène nécessaire à l’oxydation du jatropha
IV.3.1.1 – Constituants majoritaires de l’huile de jatropha
IV.3.1.2 – Volume d’oxygène nécessaire pour l’oxydation de ces acides
IV.3.2 – Pourcentage d’air utilisé pour établir la stœchiométrie du jatropha
IV.3.3 – Masse d’air nécessaire pour la combustion de 1 g de jatropha
IV.3.3.1 – Volume total d’oxygène nécessaire
IV.3.3.2 – Volume d’air nécessaire
IV.3.3.3 – Masse d’air correspondante
IV.4 – FACTEURS AUXQUELS DEPEND LA FORMATION DES COMPOSES DES GAZ D’ECHAPPEMENT
IV.4.1 –La combustion
IV.4.1.1 – Influence de la richesse et la nature du carburant
IV.4.1.2 – Influence de la vitesse de réaction au sein de la chambre de combustion
IV.4.2 – Mécanisme du moteur
IV.4.2.1 – Au démarrage à froid
IV.4.2.2 – En accélération
IV.4.2.3 – Pendant les décélérations
IV.4.2.4 – Influence du type d’injection
IV.5 – CALCUL DE LA COMPOSITION DES FUMEES PRODUITES PAR LE JATROPHA
IV.5.1 – Mélanges stœchiométriques ou pauvres
IV.5.1.1 – Equation théorique de la combustion
IV.5.1.2 – Calcul des teneurs volumiques des gaz constituants le gaz d’échappement
IV.5.2 – Mélanges riches
IV.5.2.1 – Equation théorique de la combustion
IV.5.2.2 – Obtention des coefficients a et b
IV.5.2.3 – les teneurs des gaz présents dans le gaz d’échappement
IV.5.3 – Programmation donnant les teneurs des gaz d’échappement du moteur alimenté en gazole et en jatropha en fonction de la richesse et la nature du carburant
IV.5.3.1 – But de ce programme
IV.5.3.2 – Organigramme
IV.5.3.3 – Lancement du programme
IV.5.3.4 – Interprétation du calcul
IV.5.3.5 – Interprétation de la courbe
IV.6 – REDUCTION DES TENEURS EN COMPOSES TOXIQUES DANS LES GAZ BRULES
IV.6.1 – Procédés d’épuration des gaz d’échappement sortant du moteur
IV.6.1.1 – Postcombustion thermique
IV.6.1.2 – Procédés catalytiques
IV.6.1.2.1 – Mise en œuvre des catalyseurs
IV.6.1.2.2 – Catalyseurs d’oxydation
IV.6.1.2.3 – Catalyseurs de réduction
IV.6.1.3 – Mise en œuvre d’un piège à particules
IV.6.2 – Procédés agissant au niveau du moteur (réduction des NOx)
IV.6.2.1 – Suralimentation par turbosoufflante
IV.6.2.2 – Retard du calage d’injection
Chapitre V : ETUDE D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX INTRODUCTION
V.1 – MOTIVATION DU SUJET
V.2 – IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
A – AVANTAGES
A.V.2.1 – Avantages obtenus à partir du jatropha en tant qu’arbuste
A.V.2.1.1 – Avantages sociaux
A.V.2.1.2 – Avantages agricoles et écologiques
A.V.2.1.3 – Avantages économiques
A.V.2.2 – Avantages obtenus à partir du moteur alimenté par de l’huile de jatropha
A.V.2.2.1 – Avantage énergétique
A.IV.2.2.2 – Avantages économiques
A.V.2.2.2 – Avantages écologiques
B – INCONVENIENTS
B.V.2.3 – Inconvénients de l’utilisation de l’huile dans le moteur
B.V.2.3.1 – Difficulté du démarrage à froid
B.V.2.3.2 – Formation assez rapide de dépôts
B.V.2.3.3 – Investissement supplémentaire
V.3 – PROPOSITION DES MESURES D’ATTENUATION
V.3.1 – Traitement de l’huile
V.3.2 – Modification de quelques pièces au niveau du moteur
V.4 – EVALUATION ECONOMIQUE
V.4.1 – Au niveau du moteur
V.4.1.1 – Coût des pièces à modifier
V.4.1.2 – Prix d’un moteur indien
V.4.2 – Coût du traitement de raffinage de l’huile de jatropha
V.4.2.1 – Coût d’achat des graines de jatropha
V.4.2.2 – Quantité de graines traitées (matières premières)
V.4.2.3 – Quantité d’huile raffinée
V.4.2.4 – Coût unitaire d’exploitation
V.5 – Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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