La consommation énergétique mondiale dépend en majorité des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon), qui sont utilisés dans les secteurs importants (industries, transport, agriculture, etc.) de l’économie mondiale. L’exploitation de plus en plus croissante de ces sources d’énergies conduit à des effets néfastes sur l’environnement tels que les changements climatiques qui en résultent, l’augmentation des couts des bruts et l’épuisement des réserves.
Les secteurs du transport, de l’agriculture et de la production de l’électricité sont dominés de nos jours par l’utilisation des moteurs diesel, et ces derniers génèrent des niveaux élevés d'émissions polluantes.
Face à ces enjeux, il est important de rechercher et de développer des sources d’énergies alternatives, ayant un faible impact sur l’environnement, renouvelables et disponibles localement. Ainsi, l’utilisation des biocarburants issus de la biomasse non comestible offre une alternative appropriée au gazole pour une utilisation dans les moteurs diesel.
Dans beaucoup de pays africains, le potentiel de production de la biomasse est très important, mais reste encore sous-valorisé, soit par manque de connaissances ou de technologies efficientes. Concernant la filière anacarde, l’Afrique subsaharienne (Afrique de l’Ouest et de l’Est) est le deuxième producteur mondial des noix d’anacarde après l’Inde et la production mondiale ne cesse de croitre ces dernières années. Cependant, l'augmentation de la production mondiale accentue une importante pression sur la demande énergétique dans les unités de transformation. Par ailleurs, la production de noix d’anacarde génère de grandes quantités de coques, avec un potentiel énergétique élevé, mais souvent non valorisé en Afrique subsaharienne. Il se pose également le problème du stockage de ces coques, qui peuvent avoir des effets néfastes sur l’environnement. Lorsque ces coques sont utilisées comme des combustibles, elles émettent de grandes quantités de fumées irritantes et se traduisent par un faible rendement énergétique. Ces coques contiennent un liquide très visqueux (CNSL ou baume de cajou), dense, acide, moins volatil et possèdent un pouvoir calorifique élevé, ainsi qu’une forte acidité. Selon la méthode d’extraction, on distingue le CNSL naturel (riche en acides anacardiques) et le CNSL technique (cardanols).
L'analyse des propriétés physicochimiques des CNSLs et du gazole conventionnel révèle des différences significatives dans les caractéristiques clés du carburant, telles que la densité, la viscosité et l’indice d’acide. Le CNSL se caractérise par une viscosité élevée, une forte densité et une faible volatilité, ce qui n'est pas conforme aux spécifications du gazole. En outre, leur acidité élevée présente un risque de corrosion pour les réservoirs, les pompes et les systèmes d'injection. Compte tenu de ces résultats, l'utilisation directe de CNSL dans les moteurs diesel n'est pas réalisable dans les configurations actuelles des moteurs.
Le chapitre 1 explore le potentiel du CNSL en tant que biocarburant pour les moteurs diesel. Il a abordé les aspects suivants : l'utilisation du CNSL pur et en mélange avec du gazole, les méthodes d'extraction, les techniques d'amélioration des propriétés du CNSL, ainsi que l’analyse de performances et des caractéristiques des émissions des moteurs fonctionnant avec des mélanges CNSL-gazole. L'identification des limites des études existantes constituent également des points importants de ce chapitre.
Les études antérieures sur l'utilisation du CNSL comme carburant dans les moteurs diesel se sont principalement focalisées sur diverses techniques visant à améliorer les propriétés du carburant. Les techniques les plus rapportées dans les récentes études, telles que les procédés de craquage catalytique et thermique (180?380°C) produisent des biocarburants dont les propriétés se rapprochent de celles du gazole. Toutefois, ces techniques en sont encore en phase expérimentale et ne facilitent pas la production de grandes quantités de CNSL. Même lorsque le biocarburant CNSL est produit, il nécessite d’être mélangé jusqu'à 20 % au gazole ou à d'autres additifs (alcool, huile végétale, etc.) pour obtenir une performance proche de celle du gazole. Cependant, cela peut nécessiter des systèmes de préchauffage et des ajustements des paramètres d'injection. Avec une pression d'injection de 18,5 à 22 MPa, un temps d'injection de 19 ° BTDC (avant le point mort haut) et un préchauffage à 70 °C, les mélanges B20 peuvent alimenter avec succès les moteurs diesel avec des performances et des caractéristiques d'émission similaires à celles du diesel. Cependant, le préchauffage du carburant peut considérablement augmenter le coût d'exploitation du système.
Jusqu’à présent, les études sur le CNSL en tant que biocarburant sont limitées et font état de son utilisation dans de faibles proportions dans des mélanges avec du gazole et d'autres additifs, en raison de sa viscosité élevée, de son indice d'acidité élevé et de la présence de polymères.
Les polymères entraînent une séparation des phases du carburant, ce qui est un facteur critique pour les mélanges de carburants et peut poser des problèmes de colmatage des injecteurs, de filtrage et de systèmes de pompage pour les moteurs. En outre, la teneur élevée en oxygène dans le CNSL peut entraîner une dégradation par oxydation au cours d'un stockage prolongé, ce qui peut affecter les propriétés telles que la densité, la viscosité et l'indice d'acidité. Ces propriétés sont essentielles pour les biocarburants, car elles affectent les caractéristiques de combustion et la durabilité des composants du moteur. En revanche, le CNSL technique a présenté des propriétés comparables à celles du fioul lourd, auquel il pourrait substituer dans diverses applications.
L'utilisation de biocarburants à faible proportion de CNSL dans les mélanges ne permet pas une exploitation adéquate du potentiel des unités de transformation de la noix de cajou. En fait, les techniques avancées de production de CNSL biocarburant ne sont pas facilement accessibles dans les unités de transformation des noix d’anacarde des pays en voie de développement, ce qui limite la valorisation énergétique de ces coques. Cette étude suggère l’utilisation du CNSL produit localement comme substitut au gazole commercial, ce qui pourrait réduire les coûts de production liés à son traitement.
La revue de la littérature a révélé les méthodes d'extraction des CNSLs, ses propriétés physicochimiques et des défis associés à son utilisation en tant que biocarburant. Elle donne un aperçu des avancées récentes dans l'amélioration des propriétés du CNSL en tant que biocarburant, ainsi que l’étude de performance et des caractéristiques d'émissions lorsqu'il est mélangé avec d’autres carburants dans les moteurs diesel.
Le chapitre 2 décrit la procédure d’extraction des matières végétales (CNSLs) pour la préparation des mélanges de carburants et décrit les équipements utilisés pour évaluer les propriétés physicochimiques des échantillons. Les matières végétales comprennent des échantillons de CNSL, obtenus auprès d'ANATRANS (Bobo-Dioulasso) et par extraction mécanique à l'aide d'une presse mécanique.
Du gazole (TotalEnergies, Burkina Faso) et un mélange ABE (361) ont été utilisés pour préparer différents mélanges de carburants : CNSL–gazole, CNSL–ABE et CNSL–gazole–ABE.
Le mélange ABE (361) a été préparé à partir d'acétone (qualité analytique), de 1-butanol (99,5 %) et d'éthanol (99,97 %) dans un rapport volumétrique de 30 % : 60 % : 10 %. Ces réactifs ont été mélangés à 800 tr/min par agitation magnétique pendant 15 minutes. Cette proportion correspond à la composition typique des produits de la fermentation acéto-butylique (ou fermentation ABE). L'ABE (361) a été utilisé comme additif renouvelable pour améliorer les propriétés des mélanges CNSL–gazole, notamment en réduisant sa viscosité et sa densité.
L'objectif est d'identifier des mélanges de carburants alternatifs à base de CNSL, de gazole et d'ABE, capables de satisfaire aux spécifications du gazole conventionnel. Les propriétés des mélanges CNSL–gazole, CNSL–ABE et CNSL–gazole–ABE ont été analysées, et les mélanges les plus prometteurs ont été soumis à des tests de stabilité (au stockage et au vieillissement) et à l'évaluation de leurs principales propriétés. Enfin, les performances et les émissions d'un moteur diesel alimenté par ces mélanges ont été comparées à celles obtenues avec du gazole.
Afin de contribuer à la valorisation du CNSL en biocarburant, le chapitre 3 de cette thèse est consacré à l’étude de mélanges CNSL-gazole, dans le but de déterminer des formulations de carburants stables et adaptées aux moteurs diesels stationnaires.
Dans un premier temps, le CNSL a été extrait par pressage mécanique (l'extraction a été réalisée à 2iE). Ce processus d'extraction a permis d'obtenir un rendement d'environ 25 %, une valeur en accord avec les résultats rapportés dans la littérature scientifique. L'analyse élémentaire du CNSL par Vario macro cube CHN Analyseur rapporte les valeurs C :H :O de 76 % : 9,5 % : 14,2 %, qui sont comparables à celles de l’huile végétale carburant, rapportées dans la littérature. Le CNSL a ensuite été caractérisé par la détermination de ses propriétés physicochimiques, notamment la densité, la viscosité, le pouvoir calorifique supérieur, l'indice d'acide et la teneur en eau. Ces propriétés ont été comparées aux exigences spécifiées pour les moteurs diesel stationnaires. Ces exigences ont été établies dans cette étude sur la base des spécifications du gazole et des huiles végétales proposées par Blin et al. (2013). L'analyse des propriétés physicochimiques du CNSL révèle une acidité, une densité et une viscosité supérieures à celles du gazole, ce qui limite son usage dans les moteurs diesel existants. Sa viscosité élevée entraine une faible atomisation du carburant, réduisant ainsi l'efficacité de la combustion. Aussi, son indice d’acide élevé peut causer des problèmes de corrosion et de compatibilité avec les matériaux des moteurs.
Afin d'optimiser ses caractéristiques d'écoulement et d'assurer un fonctionnement optimal des moteurs diesel, l'effet du préchauffage du CNSL a été étudié en évaluant sa viscosité à différentes températures (40, 60, 80 et 100 °C). La viscosité du CNSL diminue considérablement avec l'augmentation de la température, avec une réduction de 91 % observée à 100 °C. Bien que sa viscosité à cette température (21 cSt) demeure légèrement supérieure à la limite maximale recommandée pour les pompes d'injection des moteurs diesel stationnaires, elle présente un avantage significatif par rapport au HFO (fioul lourd). En effet, alors que le fuel lourd nécessite un chauffage entre 90 et 100 °C pour atteindre une viscosité adéquate pour l'atomisation (entre 20 et 40 mm²/s), le CNSL atteint une viscosité similaire dès 80 °C. Cette caractéristique permettrait de réduire les besoins en chauffage et suggère que le CNSL pourrait constituer une alternative intéressante au fioul lourd. Le CNSL peut être considéré comme un biocarburant pour les moteurs diesel et les centrales électriques fonctionnant au fioul lourd.
Afin de permettre son utilisation comme alternative au gazole dans les moteurs diesel stationnaires conventionnels, et d'éviter le recours au chauffage, des mélanges de CNSL et de gazole ont été préparés avec des proportions de CNSL variant de 10 à 90 % pour améliorer ses propriétés d'écoulement. La préparation consistait à agiter magnétiquement (1500 tr/min) des échantillons de 100 mL pendant 7 à 8 heures, puis à les laisser reposer à température ambiante.
Aucune séparation de phase n'a été observée dans les mélanges de carburants préparés. Pour sélectionner les mélanges qui répondent mieux aux spécifications du gazole, la densité, la viscosité et le pouvoir calorifique supérieur, ont été évaluées et comparées aux exigences des spécifications du diesel. Les mélanges B10 (10 % CNSL, 90????% du gazole) et B20 (20????% CNSL, 80????% gazole) ont été identifiés conformes aux spécifications des moteurs diesel stationnaires.
Les mélanges de carburants devant avoir présenter également des propriétés homogènes dans le temps, des tests de stabilité au stockage et de vieillissement accéléré ont été menés sur les mélanges de carburants, car un stockage prolongé peut entraîner une dégradation des propriétés des mélanges, notamment la densité, la viscosité et l’acidité. La stabilité au stockage a été examinée à l'aide de la méthode de Bora et al. (2016). Les mélanges ont été inspectés visuellement après avoir été stockés pendant 03 mois dans un dessiccateur à température ambiante. Les mélanges de carburants ont conservé une phase unique et ont été jugés physiquement stables et aptes à être utilisés dans des moteurs diesel. Cette étude a consisté également à suivre la variation de la densité, de la viscosité cinématique et de l'indice d'acide des mélanges (B10 et B20) au cours du stockage. La stabilité des mélanges a été confirmée par la faible variation des paramètres analysés (densité, viscosité et indice d'acide), qui sont restés conformes aux spécifications du gazole.
Afin d’étudier le comportement des mélanges sur le long terme, les tests de vieillissement accéléré ont été réalisés selon la méthode décrite par Lehto et al. (2013). Les mélanges de carburants ont été maintenus à une température de 80 ° C pendant 24 h, et leur stabilité a été évaluée en mesurant la viscosité à 40 °C. Ces mélanges peuvent être conservés pendant une année à température ambiante sans changement important de leur propriété. De faibles augmentations de la viscosité et de la densité des mélanges carburants après vieillissement accéléré ont été observées, et les valeurs de ces paramètres sont restées conformes aux limites spécifiées pour le gazole. Ces mélanges de carburants peuvent être conservés pendant une année à température ambiante sans changement significatif de leurs propriétés.
L'indice d'acide est un paramètre crucial à prendre en compte lors de la sélection de mélanges de carburants, en raison de son impact sur la durabilité des composants métalliques du moteur.
Une forte acidité peut entraîner la corrosion des composants métalliques du moteur, tels que les injecteurs, les soupapes et les conduites de carburant, et peut causer des conséquences potentiellement graves. Le mélange B20 (20 % de CNSL et de 80 % de gazole) avait un indice d’acide plus élevé (26,24 mg KOH/g), comparé au gazole (0,5 mg KOH/g), ce qui constitue un inconvénient majeur. Par conséquent, l'utilisation du mélange B20 dans les moteurs diesel est déconseillée, en raison du risque de corrosion. Des recherches doivent être envisagées pour réduire l'acidité du mélange B20, soit en utilisant des additifs ou en modifiant le processus de production du CNSL. Cependant, le mélange B10 (10 % CNSL, 90 % gazole) avait un indice d’acide de 15,62 mg KOH/g, proche des valeurs rapportées pour l’huile végétal de Jatropha curcas, qui a déjà fait l’objet d’expérimentation dans les moteurs diesel. B10 apparaît donc comme une option plus sûre pour assurer la longévité et le bon fonctionnement du moteur diesel.
L’étude des paramètres de performances a été effectuée sur un moteur diesel à injection directe, monocylindrique, à quatre temps, de puissance nominale 2,2 kW à une vitesse nominal de 2000 tr/mn. Le banc à essai moteur est composé d’un moteur diesel, couplé par l’intermédiaire d’une courroie à un dynamomètre hydraulique, qui permet de régler la charge du moteur. L’étude des caractéristiques de performance a été effectuée pour le fonctionnement du moteur diesel avec le mélange B10. Les essais moteurs ont été effectués à différentes charges (20, 40, 60, 80 et 100 %) à une vitesse nominale de 2000 tr/min.
Les paramètres évalués montrent que le mélange B10 présente des performances satisfaisantes, et comparables à celles du gazole. Le moteur diesel a montré une performance acceptable avec un rendement global au freinage de 35,65 % et une consommation spécifique en carburant au freinage de 0,27 kg/kWh, proche du fonctionnement avec du gazole à forte charge du moteur.
L’utilisation de la faible proportion du CNSL ne permet pas d’exploiter pleinement le potentiel de production dans les unités de transformations. Afin d'optimiser l'utilisation du CNSL, il est préférable d'envisager des mélanges carburants contenant une proportion plus élevée de CNSL, dans le but de maximiser la valorisation de cette ressource renouvelable, à condition que celle-ci soit disponible en quantité suffisante.
Vu le potentiel important de production du CNSL en Afrique subsaharienne ces dernières années, cette thèse se propose d’étudier la faisabilité de l’augmentation de la proportion du CNSL dans le gazole. Le chapitre 4 de cette thèse porte sur la formulation des mélanges carburants pour les moteurs diesel à partir de CNSL, du gazole et avec de l’additif ABE (361).
Deux échantillons de CNSL ont été collectés auprès d'ANATRANS (Anacardium transformation), une compagnie locale située à Bobo-Dioulasso (Burkina Faso) : le CNSL naturel (CNSLP) et le CNSL technique (CNSLT).
Le CNSLT a été obtenu par traitement thermique du CNSLP (issu du pressage mécanique) à une température de 160 °C pendant 4 heures. Sur la base de la caractérisation physicochimique des échantillons de CNSL, particulièrement l’indice d’acide, la teneur en eau et le pouvoir calorifique, Le CNSLT a été sélectionné pour la formulation de mélanges carburants.
Les mélanges carburants ont été préparés dans des tubes coniques (50 mL) par agitation vortex pendant 10 minutes à température ambiante. Trois lots indépendants de chaque mélange ont été préparés : - CNSLT-gazole contenant 10, 20, 30, 40 et 50 % de CNSLT (désignés respectivement par B10, B20, B30, B40 et B50) ; - CNSLT-ABE (361) contenant 70, 80 et 90 % de CNSLT (désignés respectivement par C70ABE30, C80ABE20 et C90ABE10) ; - CNSLT-diesel-ABE contenant x % de CNSLT et y % d'ABE (361) (désignés par BxABEy, où x = 20, 30, 40 et 50 % et y = 10, 20 et 30 %). Par exemple, le B20ABE10 contient 20 % de CNSLT, 10 % d'ABE et 70 % de gazole, et le B30ABE30 comprend 30 % de CNSLT, 30 % d'ABE et 40 % de gazole.
Les mélanges ont été centrifugés à 6000 rpm pendant 5 minutes pour être séparés des impuretés (résidus d’extraction). La densité, la viscosité et le pouvoir calorifique supérieur, ont été déterminées par des méthodes standards de caractérisation. B10 (CNSLT/gazole = 10 :90 v/v) répondait aux spécifications du gazole sans préchauffage, tandis que B20 (CNSLT/gazole = 20 :80 v/v) et B30 (30:70 v/v) ne répondaient aux spécifications qu'après un préchauffage à 60 et 80 °C, respectivement. Pour éviter de préchauffer les mélanges B20 et B30, un mélange acétone/butanol/éthanol (ABE) (30 :60 :10 v/v) a été ajouté aux mélanges de carburants pour améliorer leurs caractéristiques d'écoulement. Les mélanges CNSLT/ABE (361) /gazole à des proportions volumiques de 20:10:70 et 30:30:40 (v/v) ont présenté des propriétés comparables à celles du gazole. Le suivi des paramètres carburant (densité, viscosité et indice d’acide) pendant un mois de stockage à température ambiante ont montré une faible variation dans le temps et les valeurs des paramètres sont restées conformes à la spécification du gazole. L’étude du vieillissement accéléré (80 °C pendant 24 h) a montré que ces mélanges peuvent être conservés sans changement significatif de leurs propriétés importantes pendant un an à température ambiante (25-35 °C).
Concernant les mélanges binaires CNSL-ABE, L’ajout de 30 % de l’additif ABE (361) au CNSLT (C70ABE30) a réduit considérablement la viscosité, la rendant supérieure à environ 7 % à la spécification de l’huile végétale carburant (SVO), mais sa densité satisfait aux exigences de SVO. Le pouvoir calorifique de ce mélange est d'environ 6 % supérieur aux spécifications du SVO. La densité et la viscosité du mélange C80ABE20 satisfont aux exigences du fuel lourd (HFO) ; cependant, ce mélange indique un pouvoir calorifique d'environ 4 % inférieur à celui du HFO. Par ailleurs, la densité énergétique du C80ABE20 (40,79 MJ/L) est légèrement supérieure à celle du HFO (39,50 MJ/L). Par conséquent, l'ajout de 20 % à 30 % de l’additif ABE (361) au CNSLT permet d'obtenir des mélanges de carburants comparables au HFO et au SVO.
L’effet du préchauffage sur la viscosité des mélanges CNSL-ABE à 60 °C et 80 °C a été également évalué. Le mélange C70ABE30 préchauffé à 80 °C présentait une viscosité de 12,5 mm2/s, inférieure à la valeur maximale de 17 mm2/s recommandée pour les moteurs diesel stationnaires. En fait, la densité et le pouvoir calorifique de ce mélange répondaient aux exigences du SVO. Il peut donc être utilisé comme alternative au SVO dans les moteurs diesel.
Lorsqu'ils sont préchauffés à 60 °C, les mélanges C70ABE30 et C80ABE20 présentent des viscosités comprises entre 20 et 40 mm2/s, soit les valeurs requises pour obtenir une atomisation adéquate au niveau de la buse du brûleur d'une chaudière. Par conséquent, les mélanges C70ABE30 et C80ABE20 peuvent être utilisés comme combustibles pour les brûleurs à la place du HFO.
Cette étude montre que l'ajout de l'additif ABE (361) permet l'utilisation de concentrations de CNSL allant jusqu'à 30 % dans le gazole. Les mélanges ainsi obtenus sont considérés comme des carburants alternatifs au gazole pour les moteurs diesel. Une analyse des performances et des caractéristiques d’émissions des mélanges B20ABE10 et B30ABE30 a été menée sur un moteur diesel stationnaire.
Les tests de performance ont révélé que le rendement global augmentait avec la charge du moteur, mais qu'il restait inférieur pour le B20ABE10 (15,85 %) et le B30ABE30 (15,89 %) par rapport au gazole (22,03 %) à faible charge. À charge élevée, les rendements des mélanges se rapprochent de celui du gazole (24,78 %), atteignant 22,49 % pour le B20ABE10 et 23,79 % pour le B30ABE30. Cette diminution de l’efficacité du moteur est attribuée au faible pouvoir calorifique des mélanges, qui engendre une combustion moins efficace et laisse une part importante de carburant imbrûlé, impactant négativement le rendement. La diminution de l'efficacité du moteur est une conséquence directe des faibles pouvoirs calorifiques et des propriétés d'écoulement des mélanges (viscosité et densité élevée). Ces facteurs limitent l'énergie de combustion disponible pour produire de la puissance mécanique utile, ce qui se traduit par une réduction du rendement du moteur.
La consommation spécifique de carburant diminue avec l'augmentation de la charge du moteur.
Les mélanges B20ABE10 et B30ABE30 présentent une consommation spécifique plus élevée que le gazole, ce qui se traduit par un volume de carburant plus important nécessaire pour produire la même quantité d'énergie (1 kWh). Cette surconsommation s'explique par le faible pouvoir calorifique des mélanges, qui requiert un volume de carburant plus important pour produire 1 kWh d'énergie. Cette surconsommation est attribuable à leur faible pouvoir calorifique.
À faible charge, le moteur fonctionnant au gazole présentait une température d'échappement inférieure (133 °C) à celle des mélanges B20ABE10 (159 °C) et B30ABE30 (170 °C). Cette température d'échappement plus élevée pour les mélanges contenant une forte proportion de CNSL est attribuée à leur viscosité et leur densité. La viscosité légèrement supérieure du mélange B20ABE10 par rapport au gazole peut entraîner une atomisation moins efficace et une combustion incomplète, en particulier à faible charge moteur où la température de combustion est relativement basse. Cette mauvaise atomisation peut alors provoquer une combustion retardée et prolongée, expliquant l'augmentation de la température des gaz d'échappement.
Les caractéristiques d’émissions sur le moteur diesel sont évaluées par la mesure des émissions de CO, CO2, O2 en utilisant un analyseur à gaz (Testo 340) pour le fonctionnement du moteur diesel à 75 % de charge. Le gazole avait une faible émission de CO (321 ppm) par rapport aux mélanges carburants. Le mélange B30ABE30 présentait des émissions de CO de 411 ppm, qui étaient plus faible que le mélange B20ABE10. Ce qui signifie qu’une proportion élevée d'ABE (361) dans le mélange de carburants permet de réduire de manière significative les émissions de CO. Le gazole émet moins de CO que les autres mélanges carburants, en partie parce que leur indice de cétane est faible par rapport à celui du gazole, ce qui peut donner lieu à une mauvaise combustion. Le B30ABE30 émettait 13 % de CO2 de plus que gazole, car ce dernier nécessite moins de carburant pour produire la même quantité d'énergie.
Une analyse économique des mélanges de carburants appropriés a été menée afin de déterminer leur viabilité économique par rapport au gazole. Pour ce faire, une approche méthodologique, inspirée des travaux de Bangjang et al. (2016), a été adoptée. Cette approche consiste à évaluer le coût de chaque composant du mélange, puis à utiliser les proportions de chaque composant dans le mélange final (B10, B20ABE10 et B30ABE30) pour estimer le coût total du mélange.
L'analyse économique révèle que les mélanges B20ABE10 et B30ABE30 sont plus coûteux que le gazole. À l'inverse, le mélange B10 présente un coût de production inférieur. L'utilisation de ce dernier pourrait générer des économies sur les importations de produits pétroliers à l'échelle nationale ou réduire la demande en gazole dans une unité de transformation de noix de cajou. Au Burkina Faso, le potentiel de production de CNSL permettrait d'incorporer jusqu'à 3 % de CNSL dans le gazole, ce qui réduirait les importations de gazole et créerait de la valeur ajoutée dans les industries de transformation des noix de cajou. Ce potentiel encourage l'exploration des mélanges CNSL-diesel comme alternative viable au gazole. L'utilisation de ces mélanges pourrait diminuer le volume de pétrole importé dans les pays sans ressources fossiles ou réduire la demande énergétique des industries de transformation. Cette perspective prometteuse ouvre la voie à un avenir énergétique plus durable pour les pays producteurs de noix de cajou.
Cette thèse avait pour objectif principal d'optimiser les propriétés du CNSL et de ses mélanges afin de les rendre compatibles avec les moteurs diesel stationnaires. L'incorporation d'un mélange ABE (361) aux mélanges B20 et B30 a permis de formuler des carburants stables (B20ABE10 et B30ABE30) qui respectent les spécifications du gazole en termes de densité, de viscosité, de pouvoir calorifique et d'indice de cétane. Toutefois, ces mélanges présentaient un indice d'acide supérieur à la spécification du gazole. La purification préalable du CNSL avec l'ABE (361) s'est avérée efficace pour réduire l'indice d'acidité à un niveau comparable à celui du gazole. Bien que l'indice de cétane des mélanges B10, B20ABE10 et B30ABE30 soit inférieur à celui du gazole, ils satisfont aux exigences des moteurs diesel stationnaires et leurs performances sont comparables à celles du gazole. Les mélanges B10, B20ABE10 et B30ABE30 pourraient donc être utilisés comme carburants alternatifs pour les moteurs diesel stationnaires. Au Burkina Faso, le potentiel de production de CNSL permettrait d'incorporer jusqu'à 3 % de CNSL dans le gazole, ce qui aurait pour effet de réduire les importations de gazole et de valoriser les déchets de transformation des noix d'anacarde.
Le coût des réactifs (acétone, butanol, éthanol) peut limiter l'utilisation de ces mélanges carburants. L'utilisation de pommes de cajou pour la production d'ABE (361) pourrait accroître la valeur des sous-produits des noix d’anacarde. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer cette stratégie. Nos résultats ont révélé que les mélanges CNSLABE peuvent être utilisés comme carburants alternatifs au fuel lourd et à l’huile végétal carburant. Une étude approfondie de leurs propriétés physico-chimiques et des essais de performance dans un moteur diesel ou un brûleur doivent être réalisés pour confirmer leur adéquation.

Abstract : Most African countries import petroleum products to meet their population’s energy demands despite the large amount of biomass available, which can generate biofuels. The major concerns are a lack of knowledge and the cost of technologies, which limit the production of alternative fuels. This study investigates using locally produced CNSL in fuel blends as alternative fuels for stationary diesel engines. It also aims to reduce commercial diesel consumption while ensuring optimal engine performance and emission characteristics. The first part of the study evaluated the feasibility of increasing the proportion of cashew nutshell liquid-based biofuels (CNSL) in diesel. Biofuel–diesel blends with different percentages of CNSL were prepared, and their physical properties, including the density, viscosity, and heating value, were determined. B10 (CNSL/diesel = 10:90 v/v) satisfied the diesel specifications without preheating, whereas B20 (CNSL/diesel = 20:80 v/v) and B30 (30:70 v/v) met the specifications only after preheating to 60 and 80 °C, respectively. To avoid preheating B20 and B30, an acetone/butanol/ethanol (ABE) mixture (30:60:10 v/v) was added to the fuel blends to improve their flow characteristics. The blends with CNSL/ABE (361)/diesel ratios of 20:10:70 and 30:30:40 (v/v) exhibited properties comparable to those of diesel and remained stable during prolonged storage. The appropriate fuel blends were then tested in a stationary diesel engine (single-cylinder, fourstroke, 2.2 kW at 2,000 rpm) to evaluate their performance. The performance study of a diesel engine operating with various fuel blends revealed that the thermal efficiencies of B30ABE30 and B20ABE10 decreased by 3.75 % and 9.16 %, respectively, compared to diesel under high loads. However, the specific fuel consumption of B20ABE10 was very similar to that of B30ABE30, while it was 5 % higher for B30ABE30, compared to that of diesel. These fuel blends can serve as alternative fuels for low-speed diesel engines without any modifications. The economic analysis indicated that fuel blends B20ABE10 and B30ABE30 are more expensive than B10, making the latter a more viable option for use in sub-Saharan African countries.

La consommation énergétique mondiale dépend en majorité des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon), qui sont utilisés dans les secteurs importants (industries, transport, agriculture, etc.) de l’économie mondiale. L’exploitation de plus en plus croissante de ces sources d’énergies conduit à des effets néfastes sur l’environnement tels que les changements climatiques qui en résultent, l’augmentation des couts des bruts et l’épuisement des réserves.
Les secteurs du transport, de l’agriculture et de la production de l’électricité sont dominés de nos jours par l’utilisation des moteurs diesel, et ces derniers génèrent des niveaux élevés d'émissions polluantes.
Face à ces enjeux, il est important de rechercher et de développer des sources d’énergies alternatives, ayant un faible impact sur l’environnement, renouvelables et disponibles localement. Ainsi, l’utilisation des biocarburants issus de la biomasse non comestible offre une alternative appropriée au gazole pour une utilisation dans les moteurs diesel.
Dans beaucoup de pays africains, le potentiel de production de la biomasse est très important, mais reste encore sous-valorisé, soit par manque de connaissances ou de technologies efficientes. Concernant la filière anacarde, l’Afrique subsaharienne (Afrique de l’Ouest et de l’Est) est le deuxième producteur mondial des noix d’anacarde après l’Inde et la production mondiale ne cesse de croitre ces dernières années. Cependant, l'augmentation de la production mondiale accentue une importante pression sur la demande énergétique dans les unités de transformation. Par ailleurs, la production de noix d’anacarde génère de grandes quantités de coques, avec un potentiel énergétique élevé, mais souvent non valorisé en Afrique subsaharienne. Il se pose également le problème du stockage de ces coques, qui peuvent avoir des effets néfastes sur l’environnement. Lorsque ces coques sont utilisées comme des combustibles, elles émettent de grandes quantités de fumées irritantes et se traduisent par un faible rendement énergétique. Ces coques contiennent un liquide très visqueux (CNSL ou baume de cajou), dense, acide, moins volatil et possèdent un pouvoir calorifique élevé, ainsi qu’une forte acidité. Selon la méthode d’extraction, on distingue le CNSL naturel (riche en acides anacardiques) et le CNSL technique (cardanols).
L'analyse des propriétés physicochimiques des CNSLs et du gazole conventionnel révèle des différences significatives dans les caractéristiques clés du carburant, telles que la densité, la viscosité et l’indice d’acide. Le CNSL se caractérise par une viscosité élevée, une forte densité et une faible volatilité, ce qui n'est pas conforme aux spécifications du gazole. En outre, leur acidité élevée présente un risque de corrosion pour les réservoirs, les pompes et les systèmes d'injection. Compte tenu de ces résultats, l'utilisation directe de CNSL dans les moteurs diesel n'est pas réalisable dans les configurations actuelles des moteurs.
Le chapitre 1 explore le potentiel du CNSL en tant que biocarburant pour les moteurs diesel. Il a abordé les aspects suivants : l'utilisation du CNSL pur et en mélange avec du gazole, les méthodes d'extraction, les techniques d'amélioration des propriétés du CNSL, ainsi que l’analyse de performances et des caractéristiques des émissions des moteurs fonctionnant avec des mélanges CNSL-gazole. L'identification des limites des études existantes constituent également des points importants de ce chapitre.
Les études antérieures sur l'utilisation du CNSL comme carburant dans les moteurs diesel se sont principalement focalisées sur diverses techniques visant à améliorer les propriétés du carburant. Les techniques les plus rapportées dans les récentes études, telles que les procédés de craquage catalytique et thermique (180?380°C) produisent des biocarburants dont les propriétés se rapprochent de celles du gazole. Toutefois, ces techniques en sont encore en phase expérimentale et ne facilitent pas la production de grandes quantités de CNSL. Même lorsque le biocarburant CNSL est produit, il nécessite d’être mélangé jusqu'à 20 % au gazole ou à d'autres additifs (alcool, huile végétale, etc.) pour obtenir une performance proche de celle du gazole. Cependant, cela peut nécessiter des systèmes de préchauffage et des ajustements des paramètres d'injection. Avec une pression d'injection de 18,5 à 22 MPa, un temps d'injection de 19 ° BTDC (avant le point mort haut) et un préchauffage à 70 °C, les mélanges B20 peuvent alimenter avec succès les moteurs diesel avec des performances et des caractéristiques d'émission similaires à celles du diesel. Cependant, le préchauffage du carburant peut considérablement augmenter le coût d'exploitation du système.
Jusqu’à présent, les études sur le CNSL en tant que biocarburant sont limitées et font état de son utilisation dans de faibles proportions dans des mélanges avec du gazole et d'autres additifs, en raison de sa viscosité élevée, de son indice d'acidité élevé et de la présence de polymères.
Les polymères entraînent une séparation des phases du carburant, ce qui est un facteur critique pour les mélanges de carburants et peut poser des problèmes de colmatage des injecteurs, de filtrage et de systèmes de pompage pour les moteurs. En outre, la teneur élevée en oxygène dans le CNSL peut entraîner une dégradation par oxydation au cours d'un stockage prolongé, ce qui peut affecter les propriétés telles que la densité, la viscosité et l'indice d'acidité. Ces propriétés sont essentielles pour les biocarburants, car elles affectent les caractéristiques de combustion et la durabilité des composants du moteur. En revanche, le CNSL technique a présenté des propriétés comparables à celles du fioul lourd, auquel il pourrait substituer dans diverses applications.
L'utilisation de biocarburants à faible proportion de CNSL dans les mélanges ne permet pas une exploitation adéquate du potentiel des unités de transformation de la noix de cajou. En fait, les techniques avancées de production de CNSL biocarburant ne sont pas facilement accessibles dans les unités de transformation des noix d’anacarde des pays en voie de développement, ce qui limite la valorisation énergétique de ces coques. Cette étude suggère l’utilisation du CNSL produit localement comme substitut au gazole commercial, ce qui pourrait réduire les coûts de production liés à son traitement.
La revue de la littérature a révélé les méthodes d'extraction des CNSLs, ses propriétés physicochimiques et des défis associés à son utilisation en tant que biocarburant. Elle donne un aperçu des avancées récentes dans l'amélioration des propriétés du CNSL en tant que biocarburant, ainsi que l’étude de performance et des caractéristiques d'émissions lorsqu'il est mélangé avec d’autres carburants dans les moteurs diesel.
Le chapitre 2 décrit la procédure d’extraction des matières végétales (CNSLs) pour la préparation des mélanges de carburants et décrit les équipements utilisés pour évaluer les propriétés physicochimiques des échantillons. Les matières végétales comprennent des échantillons de CNSL, obtenus auprès d'ANATRANS (Bobo-Dioulasso) et par extraction mécanique à l'aide d'une presse mécanique.
Du gazole (TotalEnergies, Burkina Faso) et un mélange ABE (361) ont été utilisés pour préparer différents mélanges de carburants : CNSL–gazole, CNSL–ABE et CNSL–gazole–ABE.
Le mélange ABE (361) a été préparé à partir d'acétone (qualité analytique), de 1-butanol (99,5 %) et d'éthanol (99,97 %) dans un rapport volumétrique de 30 % : 60 % : 10 %. Ces réactifs ont été mélangés à 800 tr/min par agitation magnétique pendant 15 minutes. Cette proportion correspond à la composition typique des produits de la fermentation acéto-butylique (ou fermentation ABE). L'ABE (361) a été utilisé comme additif renouvelable pour améliorer les propriétés des mélanges CNSL–gazole, notamment en réduisant sa viscosité et sa densité.
L'objectif est d'identifier des mélanges de carburants alternatifs à base de CNSL, de gazole et d'ABE, capables de satisfaire aux spécifications du gazole conventionnel. Les propriétés des mélanges CNSL–gazole, CNSL–ABE et CNSL–gazole–ABE ont été analysées, et les mélanges les plus prometteurs ont été soumis à des tests de stabilité (au stockage et au vieillissement) et à l'évaluation de leurs principales propriétés. Enfin, les performances et les émissions d'un moteur diesel alimenté par ces mélanges ont été comparées à celles obtenues avec du gazole.
Afin de contribuer à la valorisation du CNSL en biocarburant, le chapitre 3 de cette thèse est consacré à l’étude de mélanges CNSL-gazole, dans le but de déterminer des formulations de carburants stables et adaptées aux moteurs diesels stationnaires.
Dans un premier temps, le CNSL a été extrait par pressage mécanique (l'extraction a été réalisée à 2iE). Ce processus d'extraction a permis d'obtenir un rendement d'environ 25 %, une valeur en accord avec les résultats rapportés dans la littérature scientifique. L'analyse élémentaire du CNSL par Vario macro cube CHN Analyseur rapporte les valeurs C :H :O de 76 % : 9,5 % : 14,2 %, qui sont comparables à celles de l’huile végétale carburant, rapportées dans la littérature. Le CNSL a ensuite été caractérisé par la détermination de ses propriétés physicochimiques, notamment la densité, la viscosité, le pouvoir calorifique supérieur, l'indice d'acide et la teneur en eau. Ces propriétés ont été comparées aux exigences spécifiées pour les moteurs diesel stationnaires. Ces exigences ont été établies dans cette étude sur la base des spécifications du gazole et des huiles végétales proposées par Blin et al. (2013). L'analyse des propriétés physicochimiques du CNSL révèle une acidité, une densité et une viscosité supérieures à celles du gazole, ce qui limite son usage dans les moteurs diesel existants. Sa viscosité élevée entraine une faible atomisation du carburant, réduisant ainsi l'efficacité de la combustion. Aussi, son indice d’acide élevé peut causer des problèmes de corrosion et de compatibilité avec les matériaux des moteurs.
Afin d'optimiser ses caractéristiques d'écoulement et d'assurer un fonctionnement optimal des moteurs diesel, l'effet du préchauffage du CNSL a été étudié en évaluant sa viscosité à différentes températures (40, 60, 80 et 100 °C). La viscosité du CNSL diminue considérablement avec l'augmentation de la température, avec une réduction de 91 % observée à 100 °C. Bien que sa viscosité à cette température (21 cSt) demeure légèrement supérieure à la limite maximale recommandée pour les pompes d'injection des moteurs diesel stationnaires, elle présente un avantage significatif par rapport au HFO (fioul lourd). En effet, alors que le fuel lourd nécessite un chauffage entre 90 et 100 °C pour atteindre une viscosité adéquate pour l'atomisation (entre 20 et 40 mm²/s), le CNSL atteint une viscosité similaire dès 80 °C. Cette caractéristique permettrait de réduire les besoins en chauffage et suggère que le CNSL pourrait constituer une alternative intéressante au fioul lourd. Le CNSL peut être considéré comme un biocarburant pour les moteurs diesel et les centrales électriques fonctionnant au fioul lourd.
Afin de permettre son utilisation comme alternative au gazole dans les moteurs diesel stationnaires conventionnels, et d'éviter le recours au chauffage, des mélanges de CNSL et de gazole ont été préparés avec des proportions de CNSL variant de 10 à 90 % pour améliorer ses propriétés d'écoulement. La préparation consistait à agiter magnétiquement (1500 tr/min) des échantillons de 100 mL pendant 7 à 8 heures, puis à les laisser reposer à température ambiante.
Aucune séparation de phase n'a été observée dans les mélanges de carburants préparés. Pour sélectionner les mélanges qui répondent mieux aux spécifications du gazole, la densité, la viscosité et le pouvoir calorifique supérieur, ont été évaluées et comparées aux exigences des spécifications du diesel. Les mélanges B10 (10 % CNSL, 90????% du gazole) et B20 (20????% CNSL, 80????% gazole) ont été identifiés conformes aux spécifications des moteurs diesel stationnaires.
Les mélanges de carburants devant avoir présenter également des propriétés homogènes dans le temps, des tests de stabilité au stockage et de vieillissement accéléré ont été menés sur les mélanges de carburants, car un stockage prolongé peut entraîner une dégradation des propriétés des mélanges, notamment la densité, la viscosité et l’acidité. La stabilité au stockage a été examinée à l'aide de la méthode de Bora et al. (2016). Les mélanges ont été inspectés visuellement après avoir été stockés pendant 03 mois dans un dessiccateur à température ambiante. Les mélanges de carburants ont conservé une phase unique et ont été jugés physiquement stables et aptes à être utilisés dans des moteurs diesel. Cette étude a consisté également à suivre la variation de la densité, de la viscosité cinématique et de l'indice d'acide des mélanges (B10 et B20) au cours du stockage. La stabilité des mélanges a été confirmée par la faible variation des paramètres analysés (densité, viscosité et indice d'acide), qui sont restés conformes aux spécifications du gazole.
Afin d’étudier le comportement des mélanges sur le long terme, les tests de vieillissement accéléré ont été réalisés selon la méthode décrite par Lehto et al. (2013). Les mélanges de carburants ont été maintenus à une température de 80 ° C pendant 24 h, et leur stabilité a été évaluée en mesurant la viscosité à 40 °C. Ces mélanges peuvent être conservés pendant une année à température ambiante sans changement important de leur propriété. De faibles augmentations de la viscosité et de la densité des mélanges carburants après vieillissement accéléré ont été observées, et les valeurs de ces paramètres sont restées conformes aux limites spécifiées pour le gazole. Ces mélanges de carburants peuvent être conservés pendant une année à température ambiante sans changement significatif de leurs propriétés.
L'indice d'acide est un paramètre crucial à prendre en compte lors de la sélection de mélanges de carburants, en raison de son impact sur la durabilité des composants métalliques du moteur.
Une forte acidité peut entraîner la corrosion des composants métalliques du moteur, tels que les injecteurs, les soupapes et les conduites de carburant, et peut causer des conséquences potentiellement graves. Le mélange B20 (20 % de CNSL et de 80 % de gazole) avait un indice d’acide plus élevé (26,24 mg KOH/g), comparé au gazole (0,5 mg KOH/g), ce qui constitue un inconvénient majeur. Par conséquent, l'utilisation du mélange B20 dans les moteurs diesel est déconseillée, en raison du risque de corrosion. Des recherches doivent être envisagées pour réduire l'acidité du mélange B20, soit en utilisant des additifs ou en modifiant le processus de production du CNSL. Cependant, le mélange B10 (10 % CNSL, 90 % gazole) avait un indice d’acide de 15,62 mg KOH/g, proche des valeurs rapportées pour l’huile végétal de Jatropha curcas, qui a déjà fait l’objet d’expérimentation dans les moteurs diesel. B10 apparaît donc comme une option plus sûre pour assurer la longévité et le bon fonctionnement du moteur diesel.
L’étude des paramètres de performances a été effectuée sur un moteur diesel à injection directe, monocylindrique, à quatre temps, de puissance nominale 2,2 kW à une vitesse nominal de 2000 tr/mn. Le banc à essai moteur est composé d’un moteur diesel, couplé par l’intermédiaire d’une courroie à un dynamomètre hydraulique, qui permet de régler la charge du moteur. L’étude des caractéristiques de performance a été effectuée pour le fonctionnement du moteur diesel avec le mélange B10. Les essais moteurs ont été effectués à différentes charges (20, 40, 60, 80 et 100 %) à une vitesse nominale de 2000 tr/min.
Les paramètres évalués montrent que le mélange B10 présente des performances satisfaisantes, et comparables à celles du gazole. Le moteur diesel a montré une performance acceptable avec un rendement global au freinage de 35,65 % et une consommation spécifique en carburant au freinage de 0,27 kg/kWh, proche du fonctionnement avec du gazole à forte charge du moteur.
L’utilisation de la faible proportion du CNSL ne permet pas d’exploiter pleinement le potentiel de production dans les unités de transformations. Afin d'optimiser l'utilisation du CNSL, il est préférable d'envisager des mélanges carburants contenant une proportion plus élevée de CNSL, dans le but de maximiser la valorisation de cette ressource renouvelable, à condition que celle-ci soit disponible en quantité suffisante.
Vu le potentiel important de production du CNSL en Afrique subsaharienne ces dernières années, cette thèse se propose d’étudier la faisabilité de l’augmentation de la proportion du CNSL dans le gazole. Le chapitre 4 de cette thèse porte sur la formulation des mélanges carburants pour les moteurs diesel à partir de CNSL, du gazole et avec de l’additif ABE (361).
Deux échantillons de CNSL ont été collectés auprès d'ANATRANS (Anacardium transformation), une compagnie locale située à Bobo-Dioulasso (Burkina Faso) : le CNSL naturel (CNSLP) et le CNSL technique (CNSLT).
Le CNSLT a été obtenu par traitement thermique du CNSLP (issu du pressage mécanique) à une température de 160 °C pendant 4 heures. Sur la base de la caractérisation physicochimique des échantillons de CNSL, particulièrement l’indice d’acide, la teneur en eau et le pouvoir calorifique, Le CNSLT a été sélectionné pour la formulation de mélanges carburants.
Les mélanges carburants ont été préparés dans des tubes coniques (50 mL) par agitation vortex pendant 10 minutes à température ambiante. Trois lots indépendants de chaque mélange ont été préparés : - CNSLT-gazole contenant 10, 20, 30, 40 et 50 % de CNSLT (désignés respectivement par B10, B20, B30, B40 et B50) ; - CNSLT-ABE (361) contenant 70, 80 et 90 % de CNSLT (désignés respectivement par C70ABE30, C80ABE20 et C90ABE10) ; - CNSLT-diesel-ABE contenant x % de CNSLT et y % d'ABE (361) (désignés par BxABEy, où x = 20, 30, 40 et 50 % et y = 10, 20 et 30 %). Par exemple, le B20ABE10 contient 20 % de CNSLT, 10 % d'ABE et 70 % de gazole, et le B30ABE30 comprend 30 % de CNSLT, 30 % d'ABE et 40 % de gazole.
Les mélanges ont été centrifugés à 6000 rpm pendant 5 minutes pour être séparés des impuretés (résidus d’extraction). La densité, la viscosité et le pouvoir calorifique supérieur, ont été déterminées par des méthodes standards de caractérisation. B10 (CNSLT/gazole = 10 :90 v/v) répondait aux spécifications du gazole sans préchauffage, tandis que B20 (CNSLT/gazole = 20 :80 v/v) et B30 (30:70 v/v) ne répondaient aux spécifications qu'après un préchauffage à 60 et 80 °C, respectivement. Pour éviter de préchauffer les mélanges B20 et B30, un mélange acétone/butanol/éthanol (ABE) (30 :60 :10 v/v) a été ajouté aux mélanges de carburants pour améliorer leurs caractéristiques d'écoulement. Les mélanges CNSLT/ABE (361) /gazole à des proportions volumiques de 20:10:70 et 30:30:40 (v/v) ont présenté des propriétés comparables à celles du gazole. Le suivi des paramètres carburant (densité, viscosité et indice d’acide) pendant un mois de stockage à température ambiante ont montré une faible variation dans le temps et les valeurs des paramètres sont restées conformes à la spécification du gazole. L’étude du vieillissement accéléré (80 °C pendant 24 h) a montré que ces mélanges peuvent être conservés sans changement significatif de leurs propriétés importantes pendant un an à température ambiante (25-35 °C).
Concernant les mélanges binaires CNSL-ABE, L’ajout de 30 % de l’additif ABE (361) au CNSLT (C70ABE30) a réduit considérablement la viscosité, la rendant supérieure à environ 7 % à la spécification de l’huile végétale carburant (SVO), mais sa densité satisfait aux exigences de SVO. Le pouvoir calorifique de ce mélange est d'environ 6 % supérieur aux spécifications du SVO. La densité et la viscosité du mélange C80ABE20 satisfont aux exigences du fuel lourd (HFO) ; cependant, ce mélange indique un pouvoir calorifique d'environ 4 % inférieur à celui du HFO. Par ailleurs, la densité énergétique du C80ABE20 (40,79 MJ/L) est légèrement supérieure à celle du HFO (39,50 MJ/L). Par conséquent, l'ajout de 20 % à 30 % de l’additif ABE (361) au CNSLT permet d'obtenir des mélanges de carburants comparables au HFO et au SVO.
L’effet du préchauffage sur la viscosité des mélanges CNSL-ABE à 60 °C et 80 °C a été également évalué. Le mélange C70ABE30 préchauffé à 80 °C présentait une viscosité de 12,5 mm2/s, inférieure à la valeur maximale de 17 mm2/s recommandée pour les moteurs diesel stationnaires. En fait, la densité et le pouvoir calorifique de ce mélange répondaient aux exigences du SVO. Il peut donc être utilisé comme alternative au SVO dans les moteurs diesel.
Lorsqu'ils sont préchauffés à 60 °C, les mélanges C70ABE30 et C80ABE20 présentent des viscosités comprises entre 20 et 40 mm2/s, soit les valeurs requises pour obtenir une atomisation adéquate au niveau de la buse du brûleur d'une chaudière. Par conséquent, les mélanges C70ABE30 et C80ABE20 peuvent être utilisés comme combustibles pour les brûleurs à la place du HFO.
Cette étude montre que l'ajout de l'additif ABE (361) permet l'utilisation de concentrations de CNSL allant jusqu'à 30 % dans le gazole. Les mélanges ainsi obtenus sont considérés comme des carburants alternatifs au gazole pour les moteurs diesel. Une analyse des performances et des caractéristiques d’émissions des mélanges B20ABE10 et B30ABE30 a été menée sur un moteur diesel stationnaire.
Les tests de performance ont révélé que le rendement global augmentait avec la charge du moteur, mais qu'il restait inférieur pour le B20ABE10 (15,85 %) et le B30ABE30 (15,89 %) par rapport au gazole (22,03 %) à faible charge. À charge élevée, les rendements des mélanges se rapprochent de celui du gazole (24,78 %), atteignant 22,49 % pour le B20ABE10 et 23,79 % pour le B30ABE30. Cette diminution de l’efficacité du moteur est attribuée au faible pouvoir calorifique des mélanges, qui engendre une combustion moins efficace et laisse une part importante de carburant imbrûlé, impactant négativement le rendement. La diminution de l'efficacité du moteur est une conséquence directe des faibles pouvoirs calorifiques et des propriétés d'écoulement des mélanges (viscosité et densité élevée). Ces facteurs limitent l'énergie de combustion disponible pour produire de la puissance mécanique utile, ce qui se traduit par une réduction du rendement du moteur.
La consommation spécifique de carburant diminue avec l'augmentation de la charge du moteur.
Les mélanges B20ABE10 et B30ABE30 présentent une consommation spécifique plus élevée que le gazole, ce qui se traduit par un volume de carburant plus important nécessaire pour produire la même quantité d'énergie (1 kWh). Cette surconsommation s'explique par le faible pouvoir calorifique des mélanges, qui requiert un volume de carburant plus important pour produire 1 kWh d'énergie. Cette surconsommation est attribuable à leur faible pouvoir calorifique.
À faible charge, le moteur fonctionnant au gazole présentait une température d'échappement inférieure (133 °C) à celle des mélanges B20ABE10 (159 °C) et B30ABE30 (170 °C). Cette température d'échappement plus élevée pour les mélanges contenant une forte proportion de CNSL est attribuée à leur viscosité et leur densité. La viscosité légèrement supérieure du mélange B20ABE10 par rapport au gazole peut entraîner une atomisation moins efficace et une combustion incomplète, en particulier à faible charge moteur où la température de combustion est relativement basse. Cette mauvaise atomisation peut alors provoquer une combustion retardée et prolongée, expliquant l'augmentation de la température des gaz d'échappement.
Les caractéristiques d’émissions sur le moteur diesel sont évaluées par la mesure des émissions de CO, CO2, O2 en utilisant un analyseur à gaz (Testo 340) pour le fonctionnement du moteur diesel à 75 % de charge. Le gazole avait une faible émission de CO (321 ppm) par rapport aux mélanges carburants. Le mélange B30ABE30 présentait des émissions de CO de 411 ppm, qui étaient plus faible que le mélange B20ABE10. Ce qui signifie qu’une proportion élevée d'ABE (361) dans le mélange de carburants permet de réduire de manière significative les émissions de CO. Le gazole émet moins de CO que les autres mélanges carburants, en partie parce que leur indice de cétane est faible par rapport à celui du gazole, ce qui peut donner lieu à une mauvaise combustion. Le B30ABE30 émettait 13 % de CO2 de plus que gazole, car ce dernier nécessite moins de carburant pour produire la même quantité d'énergie.
Une analyse économique des mélanges de carburants appropriés a été menée afin de déterminer leur viabilité économique par rapport au gazole. Pour ce faire, une approche méthodologique, inspirée des travaux de Bangjang et al. (2016), a été adoptée. Cette approche consiste à évaluer le coût de chaque composant du mélange, puis à utiliser les proportions de chaque composant dans le mélange final (B10, B20ABE10 et B30ABE30) pour estimer le coût total du mélange.
L'analyse économique révèle que les mélanges B20ABE10 et B30ABE30 sont plus coûteux que le gazole. À l'inverse, le mélange B10 présente un coût de production inférieur. L'utilisation de ce dernier pourrait générer des économies sur les importations de produits pétroliers à l'échelle nationale ou réduire la demande en gazole dans une unité de transformation de noix de cajou. Au Burkina Faso, le potentiel de production de CNSL permettrait d'incorporer jusqu'à 3 % de CNSL dans le gazole, ce qui réduirait les importations de gazole et créerait de la valeur ajoutée dans les industries de transformation des noix de cajou. Ce potentiel encourage l'exploration des mélanges CNSL-diesel comme alternative viable au gazole. L'utilisation de ces mélanges pourrait diminuer le volume de pétrole importé dans les pays sans ressources fossiles ou réduire la demande énergétique des industries de transformation. Cette perspective prometteuse ouvre la voie à un avenir énergétique plus durable pour les pays producteurs de noix de cajou.
Cette thèse avait pour objectif principal d'optimiser les propriétés du CNSL et de ses mélanges afin de les rendre compatibles avec les moteurs diesel stationnaires. L'incorporation d'un mélange ABE (361) aux mélanges B20 et B30 a permis de formuler des carburants stables (B20ABE10 et B30ABE30) qui respectent les spécifications du gazole en termes de densité, de viscosité, de pouvoir calorifique et d'indice de cétane. Toutefois, ces mélanges présentaient un indice d'acide supérieur à la spécification du gazole. La purification préalable du CNSL avec l'ABE (361) s'est avérée efficace pour réduire l'indice d'acidité à un niveau comparable à celui du gazole. Bien que l'indice de cétane des mélanges B10, B20ABE10 et B30ABE30 soit inférieur à celui du gazole, ils satisfont aux exigences des moteurs diesel stationnaires et leurs performances sont comparables à celles du gazole. Les mélanges B10, B20ABE10 et B30ABE30 pourraient donc être utilisés comme carburants alternatifs pour les moteurs diesel stationnaires. Au Burkina Faso, le potentiel de production de CNSL permettrait d'incorporer jusqu'à 3 % de CNSL dans le gazole, ce qui aurait pour effet de réduire les importations de gazole et de valoriser les déchets de transformation des noix d'anacarde.
Le coût des réactifs (acétone, butanol, éthanol) peut limiter l'utilisation de ces mélanges carburants. L'utilisation de pommes de cajou pour la production d'ABE (361) pourrait accroître la valeur des sous-produits des noix d’anacarde. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer cette stratégie. Nos résultats ont révélé que les mélanges CNSLABE peuvent être utilisés comme carburants alternatifs au fuel lourd et à l’huile végétal carburant. Une étude approfondie de leurs propriétés physico-chimiques et des essais de performance dans un moteur diesel ou un brûleur doivent être réalisés pour confirmer leur adéquation.

Abstract : Most African countries import petroleum products to meet their population’s energy demands despite the large amount of biomass available, which can generate biofuels. The major concerns are a lack of knowledge and the cost of technologies, which limit the production of alternative fuels. This study investigates using locally produced CNSL in fuel blends as alternative fuels for stationary diesel engines. It also aims to reduce commercial diesel consumption while ensuring optimal engine performance and emission characteristics. The first part of the study evaluated the feasibility of increasing the proportion of cashew nutshell liquid-based biofuels (CNSL) in diesel. Biofuel–diesel blends with different percentages of CNSL were prepared, and their physical properties, including the density, viscosity, and heating value, were determined. B10 (CNSL/diesel = 10:90 v/v) satisfied the diesel specifications without preheating, whereas B20 (CNSL/diesel = 20:80 v/v) and B30 (30:70 v/v) met the specifications only after preheating to 60 and 80 °C, respectively. To avoid preheating B20 and B30, an acetone/butanol/ethanol (ABE) mixture (30:60:10 v/v) was added to the fuel blends to improve their flow characteristics. The blends with CNSL/ABE (361)/diesel ratios of 20:10:70 and 30:30:40 (v/v) exhibited properties comparable to those of diesel and remained stable during prolonged storage. The appropriate fuel blends were then tested in a stationary diesel engine (single-cylinder, fourstroke, 2.2 kW at 2,000 rpm) to evaluate their performance. The performance study of a diesel engine operating with various fuel blends revealed that the thermal efficiencies of B30ABE30 and B20ABE10 decreased by 3.75 % and 9.16 %, respectively, compared to diesel under high loads. However, the specific fuel consumption of B20ABE10 was very similar to that of B30ABE30, while it was 5 % higher for B30ABE30, compared to that of diesel. These fuel blends can serve as alternative fuels for low-speed diesel engines without any modifications. The economic analysis indicated that fuel blends B20ABE10 and B30ABE30 are more expensive than B10, making the latter a more viable option for use in sub-Saharan African countries.