Environ 400 milliards de tasses de café sont consommées chaque année dans le monde, ce qui donne environ 18 millions de tonnes de marc de café humide, ce qui équivaut en poids à trois pyramides de Gizeh. La grande majorité du marc de café finit dans les décharges. Cependant, ces déchets organiques à forte humidité ont eux-mêmes le potentiel d'être transformés en carburants, mais leur teneur élevée en eau a toujours constitué un obstacle technique majeur au processus d'utilisation économique.

L'équipe de recherche scientifique de l'Institut coréen des ressources géologiques (KIGAM) a récemment annoncé avoir développé une première technologie mondiale de « pyrolyse par plasma de flamme » (FPP) capable de convertir directement et rapidement le marc de café en biocarburants solides de haute qualité lorsqu'il est encore dans un état à forte teneur en eau. L’ensemble du processus ne prend au plus qu’environ 90 secondes. Cette technologie évapore instantanément l'eau en projetant une flamme plasma à une température de 800 à 900 degrés Celsius, créant un effet de gonflement semblable à du pop-corn à l'intérieur des particules, transformant rapidement la structure du marc de café en biochar poreux (biochar).

L'équipe de recherche scientifique a déclaré que les performances énergétiques de ce nouveau biochar sont proches de celles du charbon anthracite, tout en éliminant complètement le processus de pré-séchage, long et énergivore, du processus traditionnel. Plus important encore, le processus FPP considère l'humidité comme un facteur favorable et la convertit en un activateur de vapeur qui favorise les réactions et améliore la qualité du produit, réalisant ainsi un traitement intégré de carbonisation et de séchage rapides tout en maintenant une teneur élevée en humidité des matières premières.

Le document de recherche a été publié dans la revue Chemical Engineering. La teneur en humidité du marc de café utilisé dans l'expérience est d'environ 55 %, ce qui reste un déchet typique à forte humidité. Au cours du processus, les chercheurs ont utilisé un plasma de flamme généré par la combustion de gaz de pétrole liquéfié (GPL) et d'air comprimé pour traiter le marc de café humide dans des conditions de pression normales. Il n'a fallu que 90 secondes pour terminer le séchage et la carbonisation, réduisant la qualité de la matière première d'environ 83,3 % et formant des particules de biochar avec une structure lâche et une structure poreuse.

Les résultats des tests montrent que le pouvoir calorifique de bas niveau du biochar est d'environ 29 MJ/kg, ce qui signifie que chaque kilogramme de carburant brûlé peut libérer 29 mégajoules d'énergie thermique ; en comparaison, le pouvoir calorifique du bois ordinaire est généralement de 15 à 20 MJ/kg. La teneur en carbone fixe du biochar a presque triplé, passant de 15,6 % à l'origine à 46,2 %, ce qui signifie qu'une plus grande proportion du matériau est convertie en structures de carbone à haute énergie, ce qui contribue à améliorer l'efficacité et la durabilité de la combustion.

En termes de performance environnementale, le procédé FPP élimine complètement les composés soufrés des matières premières et évite l'émission d'oxydes de soufre qui peuvent facilement provoquer des pluies acides et une pollution de l'air à la source. La surface spécifique du matériau a considérablement augmenté, passant de seulement 1,5 m²/g à 115,4 m²/g, ce qui est proche du niveau du charbon actif. Outre le carburant, il a également des applications potentielles telles que la purification de l’eau, la filtration de l’air et l’adsorption industrielle. Dans le même temps, le processus ne produit presque pas de fumée ni de goudron, ce qui contribue à réduire considérablement les émissions de polluants secondaires courants dans les processus traditionnels de conversion de la biomasse.

La vitesse est un autre point fort de cette technologie. Les méthodes traditionnelles de conversion de la biomasse telles que la carbonisation hydrothermale et la torréfaction nécessitent généralement des temps de traitement allant de 30 minutes à 6 heures. Le processus FPP de KIGAM ne prend que 90 secondes environ pour effectuer une conversion similaire, et l'efficacité est jusqu'à environ 240 fois plus rapide que celle des processus traditionnels. Ce taux de traitement ultra-élevé le rend plus réaliste et réalisable dans l'utilisation des ressources de déchets à grande échelle.

Il convient de noter que ce système évite également le problème courant de « consommation d’énergie élevée » dans la technologie conventionnelle de traitement au plasma. L'équipe de recherche n'a pas utilisé d'équipement à plasma électrique à forte consommation d'énergie, mais a utilisé la combustion de GPL et l'air comprimé pour générer du plasma de flamme, réduisant ainsi la consommation globale d'énergie tout en fournissant les températures extrêmement élevées requises pour effectuer une conversion rapide. Cette conception améliore encore l’économie et l’efficacité énergétique du processus.

L'équipe de recherche scientifique a souligné que le plus grand avantage de cette technologie est que « les matériaux humides sont directement introduits dans le four », ce qui élimine complètement le processus de séchage et devrait réduire la consommation d'énergie et les coûts d'exploitation de l'ensemble du système. Bien que l'objet de recherche actuel se concentre sur le marc de café, le champ d'application de la technologie FPP ne se limite pas à cela. À l’avenir, elle pourra être étendue à une variété de déchets organiques très humides tels que les déchets alimentaires, les résidus agricoles et même les boues, devenant ainsi une solution de valorisation énergétique largement applicable.

Le Dr Park Taijun (translittération), le premier auteur de l'article, a déclaré : « Cette technologie fournit un nouveau paradigme, de sorte que les déchets ne sont plus considérés comme un simple fardeau à traiter, mais comme une ressource énergétique précieuse. Nous prévoyons d'étendre ce processus à davantage de catégories de déchets organiques à forte humidité et de continuer à optimiser le processus pour promouvoir son application commerciale à l'échelle industrielle. L'équipe de recherche a également souligné que l'équipement du système FPP est relativement compact et devrait être déployé dans un système « d'intégration des déchets et de l'énergie » sur site à la source pour réaliser le traitement et l'approvisionnement en énergie sur site.

Selon les informations publiées par l'Institut coréen des ressources géologiques via la plateforme EurekAlert, l'orientation future du développement de cette technologie se concentrera sur la stabilité du processus, les capacités de fonctionnement continu et l'optimisation des paramètres des différents types de déchets. L'objectif est d'en faire un dispositif énergétique modulaire qui peut être promu dans de multiples scénarios tels que le traitement des déchets solides urbains, la gestion des déchets agricoles et les usines de traitement des eaux usées à moyen et long terme, offrant ainsi une nouvelle voie technique pour construire un système de combustible solide renouvelable plus propre et plus efficace.