Dans un contexte de développement durable, la maîtrise de la consommation énergétique mondiale fait partie des défis majeurs de ce siècle. Au regard de la croissance constante de la demande énergétique mondiale et de l'épuisement des ressources fossiles et les problèmes environnementaux engendrés par leur consommation, le recours à des sources d'énergie renouvelables demeure incontournable. La biomasse parait une alternative prometteuse. Elle présente une grande souplesse par rapport aux autres sources d’énergies renouvelables puisque c’est la seule source qui puisse être convertie à l’état solide, liquide et gazeux en utilisant divers procédés de conversion. La biomasse lignocellulosique peut être convertie en gaz naturel synthétique (SNG: Synthetic Natural Gas) par l'intermédiaire du procédé de gazéification. Ce SNG présente l’avantage de pouvoir être directement injecté dans un réseau de gaz naturel ou utilisé directement sur site.
Dans un contexte de développement durable, l’évaluation globale de tous les impacts environnementaux du cycle de vie de produits ou de procédés est nécessaire pour réellement s’assurer de leur durabilité et éviter les transferts de pollution. L’Analyse de Cycle de Vie (ACV) étudie les aspects environnementaux et les impacts potentiels tout au long de la vie d’un produit, soit du « berceau au tombeau ». Elle permet d’avoir une vision holistique de la performance environnementale du système/service étudié. L’émergie, quant à elle, est une approche énergétique qui sert à quantifier la durabilité de tout système, principalement ceux qui présentent à la fois des variables environnementales et économiques. Par ailleurs, l’analyse émergétique parait comme un outil efficace pour évaluer les systèmes de valorisation énergétique de la biomasse, car elle ne se contente pas d’un simple calcul des émissions des GES mais plutôt d’une évaluation économique et environnementale du système de production. Une combinaison entre l’ACV et l’émergie (via l’Analyse de Cycle de Vie Emergétique, ACVEm) a été retenue dans ce présent travail pour évaluer des systèmes de production de SNG.
L’objectif de ce travail était d’étudier, via l’approche ACVEm, des systèmes de production de SNG afin de déterminer lequel était le plus éco-efficace tout en identifiant les étapes les plus polluantes de chaque système. Il s’inscrit dans le cadre de recherche et de développement de nouvelles sources d’énergie propre et durable.
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Le premier chapitre de ce manuscrit était consacré à une étude bibliographique. En effet, les différentes voies de valorisation de la biomasse ainsi que les différents types de réacteurs de gazéification ont été présentés. Les méthodologies de l’ACV et de l’analyse émergétique ont aussi été détaillées.
Le deuxième chapitre a été consacré à la production de SNG à partir de la biomasse. Tout d’abord, les différents composants du procédé ont été choisis. Ensuite, on a étudié le processus de méthanation du gaz de synthèse. Enfin un procédé entier de production de SNG a été simulé à l’aide du logiciel Aspen PlusTM.
Le troisième chapitre a été consacré aux analyses de cycles de vie émergétique de deux systèmes de production de SNG (système tunisien et système français).
Les principaux résultats obtenus peuvent être résumés dans les points suivants:
Les systèmes de production de SNG à partir de biomasse présente un impact de
réchauffement climatique dû aux gaz à effet de serre négatif.
Le système de production de SNG français émet plus de gaz engendrant un problème
d’eutrophisation. Par ailleurs, le module 4 "Procédé de SNG" contribue à environ 88% de l’impact eutrophisation.
Le système tunisien de production de SNG présente des impacts d’acidification évités. Le système de production SNG tunisien est le plus consommateur des ressources abiotiques.
Ceci est imputé, à 60%, aux consommations des ressources abiotiques lors de la culture des palmiers dattiers.
La distance parcourue a un effet significatif sur l’impact d’épuisement des ressources abiotiques et de destruction de couche d’ozone. Par contre la contribution du processus de transport de la biomasse demeure non significative sur les autres impacts considérés.
Les deux systèmes ne présentent pas l’effets néfastes sur la santé humaine, puisque les valeurs de dommage (DALY) sont négatives.
L’analyse émergétique montre que :
Le système tunisien a une transformité plus élevée que le système français (1,04·106 sej/J contre 1,49·105 sej/J). Cela indique que le système tunisien a la plus faible efficience.
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Le système tunisien a une valeur d'EYR (emergy yield ratio) de 3,56, alors que le système français a une valeur proche de 1 (valeur minimale possible pour cet indicateur) qui semble montrer une dépendance plus importante par rapport aux ressources économiques
Le %R (percentage of rewnability) système français est de 36% et celui du système tunisien est de presque 40%. Ainsi, le SNG est meilleur que les combustibles fossiles qui sont considérés comme des ressources totalement non-renouvelables.
Avec un ELR (emergy loading ratio) inférieur à 2 le SNG tunisien (1,55) semble avoir peu d’effet sur l’environnement. Le SNG français a un impact plus fort (ELR = 1,73) bien que restant d’un niveau modéré dans l’absolu.
Il est clair que l'investissement dans le système tunisien a donné un retour sur
investissement plus élevé que le système SNG français en bénéficiant du don offert par le travail de l’environnement.
Les valeurs obtenues d’EIS (indicateur de durabilité (emergy index sustainability) pour les systèmes tunisien et français sont meilleures que celles calculées pour plusieurs différentes utilisations énergétiques.
Ces résultats montrent que le lieu de l’unité de production affecte la durabilité de SNG. En effet le pourcentage d’émergie renouvelable (%R) et l’indicateur de durabilité (EIS) ont augmenté dans les deux systèmes. En particulier l’EIS de SNG tunisien a augmenté de 2,31 à 40,79. Ceci indique le SNG produit à 50 km d’une forêt ou de l’oasis est plus durable que le SNG produit loin des sites de culture de la biomasse.
Enfin ce travail n’est qu’une modeste contribution à l’étude de systèmes de valorisation énergétique de la biomasse. Plusieurs voies d’amélioration s’annoncent. Il serait intéressant d’appliquer l’Analyse de Cycle de vie Emergétique à des chaines complètes de SNG (production, distribution et utilisation). Ainsi, cette analyse permettra de comparer les voitures au SNG à d’autres utilisations comme la production d’électricité ou de chaleur. On propose d’étendre l’étude à d’autres systèmes de valorisation et à d’autres types de biomasse. En effet, la cogénération d’électricité et de chaleur est une technologie mature et très utilisée pour dans la valorisation de la biomasse lignocellulosique. L’électricité peut être produite à petite échelle (décentralisée) ou à grand échelle (centralisée). Cette alternative de valorisation peut présenter des solutions propres et durables. On peut également étudier des systèmes de production des carburants liquides BTL (Biomass To Liquid) à partir de la biomasse lignocellulosique. Dans les années à venir, cette voie présentera, à notre avis, la source la plus commode pour la production de carburants à grande échelle.
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