Systèmes combinés modulaires de production de chaleur et d’électricité à partir de déchets de biomasse hétérogènes locaux

Contexte du projet

Enerkem, une société dont le siège social est situé à Montréal, a mis au point une plateforme technologique thermochimique exclusive qui propulse la production des biocarburants et des produits chimiques renouvelables à partir de déchets riches en carbone biogène.  Au cours des dix dernières années, Enerkem a validé sa technologie de gazéification  en s’approvisionnant en déchets solides municipaux (DSM) provenant de nombreuses municipalités, ainsi que d’autres types de matières premières tirées de la biomasse, et l’a utilisée pour produire un gaz de synthèse qui peut être transformé davantage en produits chimiques. Enerkem a élaboré des processus et des modèles de gestion afin de produire  de façon rentable de l’éthanol cellulosique  à partir des déchets solides municipaux – il s’agit d’un nouveau paradigme dans le secteur de la valorisation des déchets.

Enerkem exploite une installation de démonstration commerciale à Westbury. Elle a ouvert sa première usine commerciale de transformation de déchets en carburants à grande échelle en juin 2014, à Edmonton, en Alberta.  Enerkem prévoit mettre sur pieds des usines semblables à Varennes (Québec), à Rotterdam (Pays-Bas), à Barcelone (Espagne) et dans plusieurs autres villes aux États-Unis. Ces usines produiront du méthanol et de l’éthanol et permettront à Enerkem de pénétrer le marché des carburants et des matières premières. 

La société reconnaît qu’il existe une possibilité de faire davantage évoluer sa technologie et de l’adapter afin de desservir un nouveau marché, soit les collectivités et les industries éloignées non raccordées au réseau électrique. Enerkem a proposé, à cette fin, le projet « Systèmes combinés modulaires de production de chaleur et d’électricité à partir de déchets de biomasse hétérogènes locaux » afin d’obtenir un financement de l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation.  L’Initiative lui a accordé 2 913 M$ pour ce projet afin de déterminer si l’utilisation d’un gaz synthétique issu de matières premières mixtes semblables, disponibles dans les collectivités éloignées, pourrait alimenter un moteur à combustion interne (MCI) et assurer la production combinée de chaleur et d’électricité, soit une solution à faibles rejets de GES pour remplacer les systèmes actuels alimentés au diesel.

Résultats

Un système d’alimentation novateur

Des matières premières mixtes simulées ont été préparées en utilisant la biomasse et les déchets disponibles, représentatifs de ceux produits par une collectivité éloignée type. L’Estrie (Québec) a été approvisionnée en  matériaux sources, à proximité de l’usine de démonstration de la gazéification d’Enerkem, à Westbury. Un traitement ou une « étape de finition » a été mis en œuvre et a produit un résidu de déchiquetage assez uniforme.  Ce résidu a été introduit dans l’usine d’Enerkem à Westbury au moyen d’un système d’alimentation novateur, ce qui a  éliminé la nécessité de réduire les matières premières en boulettes. La mise en œuvre du boulettage serait trop coûteuse et fastidieuse dans les régions éloignées. La gazéification des résidus de déchiquetage a été exécutée dans le réacteur de gazéification sur lit fluidisé bouillonnant situé à Westbury, et l’air a été utilisé comme agent d’oxydation partielle. Un gaz biomassique de synthèse propre à faible pouvoir calorifique (<6 mégajoules par mètre cube normal) a ainsi été obtenu.

Un moteur à combustion interne de GE-Jenbacher a été acheté et installé. Le gaz biomassique de synthèse à faible valeur calorifique libéré du gazéificateur a été utilisé pour alimenter le moteur à combustion interne.  Des essais systématiques ont été effectués pendant 355 heures.  La faisabilité technique du regroupement des trois étapes du processus (la préparation et l’alimentation des matériaux, la gazéification et le nettoyage du gaz de synthèse, et l’utilisation de gaz de synthèse à faible valeur calorifique) a été démontrée.  Nous avons observé, cependant, que l’utilisation du gaz de synthèse à faible valeur calorifique réduisait la puissance nominale du moteur à combustion interne de 30 à 40 % par rapport à celle des carburants d’hydrocarbures tels que le gaz naturel. 

L’approche a fait l’objet d’une analyse coûts-avantages.  On a estimé que le coût du projet de démonstration de 422 kW était de 12 M$ et qu’un nouveau système à plus grande échelle de 1 MW coûterait 15 M$ en dépenses en immobilisations.  L’acquisition, le stockage et la préparation des matières premières mixtes provenant de la biomasse et des déchets locaux représenteraient une grande partie des dépenses en immobilisations et d’exploitation d’un tel projet.  Par exemple, près de 8 000 tonnes (base anhydre) de biomasse et de déchets seraient requises par année pour alimenter un système de 1 MW.  Il se peut que les collectivités situées dans le Grand Nord canadien n’aient pas suffisamment de biomasse sur place pour alimenter un tel système. Il a été déterminé, par conséquent, que la production de biocarburants serait plus rentable si elle était exécutée à une plus grande échelle, sur des plates-formes de conversion centrale (ressemblant beaucoup aux plates-formes d’Enerkem à Edmonton).  Les réseaux de transport des combustibles fossiles pourraient en assurer la distribution dans les collectivités éloignées.

Avantages pour le Canada

L’utilisation des biocarburants au lieu du diesel pour alimenter les moteurs à combustion interne dans les collectivités éloignées permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES), soit 1,72 tonne d’émissions de CO2 par heure pour chaque MWe d’électricité produite ou 13 760 tonnes par an (sur 8 000 heures de fonctionnement).

Prochaines étapes

Enerkem a l’intention de poursuivre l’aménagement et l’optimisation de sa plate-forme de gazéification ainsi que l’installation d’un système de démonstration d’un moteur à combustion interne fonctionnant au méthanol dans une collectivité éloignée.