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  • JOURNEE DE REFLEXION 05-06 Fvrier 2015, Antananarivo GDHD 2015

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    TRANSFORMATION NERGTIQUE

    SOLAIRE HYDROGNE et SOLAIRE - ETHANOL

    ANDRIANANTENAINA Marcelin Hajamalala1*,RAZAFINDRAZANAKOLONA Daniel 2,

    Andriamanalinarivomanana RAVELOJAONA1

    1Laboratoire de Physique Applique de lUniversit de Fianarantsoa (LAPAUF), Madagascar. 2Dpartement de Chimie Applique de lUniversit de Fianarantsoa

    Facult des Sciences de lUniversit de Fianarantsoa Auteur correspondant : hajamalalaa@yahoo.fr

    Rsum

    Ltude dun systme fonctionnant lnergie solaire pour transformer une certaine forme dnergie en combustible domestique est prsente. Ltude est base sur la modlisation mathmatique du fonctionnement du systme compos dun distillateur solaire, dune colonne rectificatrice du mlange eau-thanol et le dispositif dexprimentation comme le rchaud. Les mthodes mathmatiques adoptes permettant danalyser le fonctionnement de chaque unit du systme sont la mthode de diffrence finie pour modliser le distillateur, la mthode de Runge Kutta 4 pour la modlisation de la colonne rectificatrice et la mthode de test dbullition de leau en trois phases successives, WBT, pour analyser la performance de chaque rchaud. Chaque unit du systme a t ralise et exprimente. Les rsultats prsents dans cet article sont limits uniquement sur la mise en quations du fonctionnement du distillateur et de la colonne rectificatrice, et, sur la prsentation de quelques rsultats exprimentaux de lanalyse de performance du foyer hydrogne et thanol. Les rsultats exprimentaux prsents dans cette tude montrent que le rchaud hydrogne est plus performant et intressant pour le mnage Madagascar. Le modle mathmatique du distillateur et de la colonne rectificatrice ont t tablies, et, les quations diffrentielles gouvernant le fonctionnement de la colonne ont t rsolues et mises en fonction de la variable temps (Rgime transitoire).

    Mots cls : Distillateur solaire, colonne conique, rchaud, thanol, hydrogne.

    1. INTRODUCTION

    A Madagascar, les forts se trouvent au point de rencontre du dveloppement et des

    proccupations environnementales. Cependant, les ressources forestires malagasy ont t, pendant plusieurs dcennies, dans un tat de dclin. Les principales causes de la dforestation sont le dfrichage pour lagriculture, le bois de chauffe pour lnergie mnagre et les feux de brousse. La source fondamentale d'nergie est le bois combustible, suivi par le charbon de bois [1]. Selon les estimations, 95% des mnages Madagascar dpendent de biomasse dorigine forestire, en premier lieu du bois de chauffe et du charbon de bois pour leur nergie mnagre, avec une consommation nationale annuelle denviron 9 millions de mtres cubes de bois de chauffage et de 8 millions de

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    mtres cubes de bois en tant que charbon de bois [2]. Le bois de chauffe est le combustible prdominant pour les quintiles les plus pauvres, les quintiles pauvres et les quintiles revenu moyen, tandis que le charbon de bois prdomine pour les quintiles riches et les plus riches.

    Par contre, le charbon de bois est le combustible domestique le plus communment usag. Les familles malgaches consomment annuellement approximativement 9,026 millions de m3 de bois comme bois de chauffe et 8,575 millions de m3 comme charbon de bois [2]. En plus de son impact sur les forts, cette dpendance sur la biomasse traditionnelle pour la cuisson impose un prix critique sur la sant publique [3]. D'aprs lvaluation de lOrganisation Mondiale de la Sant (WHO), plus de 1,6 million de morts dans le monde est attribuable la pollution de l'air d'intrieur qui rsulte de l'usage de combustibles de la biomasse [3]. Bien que la biomasse soit une source renouvelable d'nergie, les rchauds traditionnels biomasse provoquent des missions du gaz effet de serre considrables d la formation de produits de combustion incomplte ; Aussi, lexposition ce gaz provoque de srieux problmes de sant [4]. Presque 12 000 dcs par an Madagascar sont attribus des infections respiratoires provoques par linhalation de lair pollu des mnages [Pollution de lair des mnages (HAP)] provenant de la cuisson traditionnelle laide de la biomasse, dont plus de10 000 sont des enfants de moins de 5 ans. Quelques 20% de tous les dcs des enfants de moins de 5 ans sont dus aux infections aigus des voies respiratoires infrieures [Acute Lower Respiratory Infections (ALRI)] et, selon les estimations, 370 000 annes de vie corriges du facteur invalidit [Disability-Adjusted Life Years (DALYs)] sont perdues chaque anne cause de la pollution de lair des mnages. Le recours l'nergie renouvelable, notamment de lthanol combustible et de lhydrogne, est l'une des solutions que nous proposons pour rpondre aux actuels dfis nergtiques. Lthanol peut tre produit partir de toute biomasse contenant des volumes significatifs damidon ou de sucre. Les chelles de production peuvent tre catgorises comme suit: de grande chelle, micro-distilleries et chelle artisanale [1]. La production artisanale est trs accessible aux producteurs ruraux faible revenu cause de la faiblesse des cots dimmobilisation du capital et de distribution au niveau local. Cependant, ce processus livre une faible qualit et force dthanol au moyen de lutilisation defficacits mdiocres de conversion. De grandes quantits de bois de chauffe sont utilises (impliquant plus de bois de chauffe utilis par litre dthanol), et davantage de raffinage mnerait un cot plus lev du produit, le rendant non-viable pour un programme rpandu dthanol mnager. Ltroite association de ce type de production avec le fait de boire de lalcool, le prix sur le march plus lev par litre pour cette application, et les difficults de maintenir lordre dans la production cette chelle interdisent le fait quil soit pris en srieuse considration pour la cration de march dthanol mnager[1]. Pour palier ce problme dutilisant de bois de chauffe et afin de produire ce carburant du futur, l'lectrolyse solaire de l'eau et la distillation solaire figurent parmi les filires "cologiques" les plus prometteuses [5]. Le cot de lhydrogne produit localement par lectrolyse est dabord et avant tout li celui de llectricit et son mode de production. Dans ce cas, nous optons de produire de lhydrogne en utilisant lnergie solaire comme source principale dnergie (photovoltaque). La production dthanol

    Dans cette recherche, nous allons prsenter et tudier le systme de production de ces biocarburants. Pour ce faire, nous allons proposer deux modles de calcul permettant dtudier respectivement le fonctionnement du distillateur solaire et la colonne conique rectificatrice dthanol. Nous allons prsenter un autre modle de calcul bas sur le test dbullition de leau permettant danalyser la performance du foyer thanol et hydrogne.

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    2. MATERIELS ET METHODE

    2.1. ANALYSE EXPERIMENTALE

    2.1.1. Description des systmes tudis

    Durant cette recherche, le systme de production de biocarburant tudi est compos dun distillateur solaire, dune colonne rectificatrice, dun condenseur de vapeur, et, le systme destin lusage domestique est compos du rchaud thanol et hydrogne.

    2.1.1.1. DISTILLATEUR SOLAIRE

    Le distillateur prsent la figure 1 est constitu dun cuiseur solaire classique de type bote double vitrage munis dun rflecteur extrieur inclinable, des miroirs intrieur servant comme des rflecteurs faisant 30 avec la verticale, un autre miroir intrieur plac a la base du cuiseur et dun bouilleur rectangulaire peint en noir plac dans lenceinte du cuiseur.

    Figure 1 : Distiillateur solaire effet de serre

    2.1.1.2. COLONNE RECTIFICATRICE

    La colonne rectificatrice est constitue de plusieurs rectificateurs qui liminent progressivement leau dans la vapeur au fur et mesure que la vapeur passe dans un tage lautre. Le constituant volatil se spare de leau et monte en haut pour tre condens. La figure 2 suivante reprsente la colonne rectificatrice.

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    Lgende :

    I : Partie suprieure perfore du rectificateur.

    II : Partie infrieure du rectificateur.

    III : Ensemble des diffrentes sections du

    rectificateur.

    7 : Colonne

    10 : Fond de la colonne

    11 : Rectificateur conique

    Figure 2 : Schma de la colonne rectificatrice (Extrait du brevet N 536, OMAPI 2011)

    2.1.1.3. FOYER A ETHANOL A FAIBLE CONCENTRATION

    Le rchaud thanol simple pot est compos (Figure 3) : - dun contrleur de flamme qui permet de varier la puissance de la flamme de haute basse

    puissance - dun reservoir dthanol, - et dun brleur thanol qui permet au mlange thanol-eau de s'vaporer, et la vapeur

    dthanol comburer. La flamme rsultante est de couleur bleue et dpourvue dodeur. Nous avons utilis deux

    casseroles cylindriques de dimensions diffrentes (hauteur et circonfrence) mais du mme volume de 3,5 litres environ (Figure 3).

    Figure 3 : Photo du FOYER VOAHAJA N1

    Lalimentation du brleur est assure par un double rservoir reli entre eux par un tuyau galvanis 21/27. Le premier rservoir de capacit 0,4 l est incorpor dans le