Définition des périmètres des études réalisées

CHAPITRE II : MATERIEL ET METHODES

III. Analyse du Cycle de Vie

1. Définition des périmètres des études réalisées

3. Choix des bases de données d’ACV utilisées ... 92 4. Choix des méthodes d’évaluation des impacts environnementaux ... 96 5. Analyse statistique par la méthode de Monte Carlo ... 99 6. Logiciels d’Analyse du Cycle de Vie ... 100

IV. Couplage entre la simulation de procédés et l’Analyse du Cycle de Vie ... 100 V. Présentation des différents cas d’études ... 103

1. Procédé de fractionnement de micro-algues ... 103 2. Procédé de valorisation de coproduits de blé ... 104 3. Conversion d’une industrie papetière en bioraffinerie de bois ... 105

Conclusion ... 108 Références ... 109

Introduction

Il est donc acquis que l’éco-conception des procédés de bioraffinerie est menée en se basant sur la méthodologie de l’Analyse du Cycle de Vie. Néanmoins, la fiabilité d’une Analyse du Cycle de Vie est liée à plusieurs facteurs. Les principaux sont :

 les différents choix méthodologiques (choix du périmètre de l’étude, de l’unité fonctionnelle, de la méthode éventuelle d’allocation ou de la méthode d’évaluation des impacts environnementaux) ;

 l’exhaustivité et la précision de l’inventaire du cycle de vie.

Ainsi, il est essentiel de travailler sur l’éco-conception de procédés en se basant sur des inventaires de cycle de vie de chaque opération unitaire, les plus complets possibles. De plus, il est important de se baser sur des données spécifiques et non pas des données génériques ou de technologies similaires mais tout de même différentes.

Afin de pallier ces limites éventuelles, l’ensemble des procédés étudiés vont être simulés à l’aide d’un logiciel de simulation de procédés industriels, afin d’obtenir des bilans matière et énergie les plus représentatifs possibles du fonctionnement des procédés de bioraffinerie, et ainsi obtenir des résultats présentant le moins d’incertitudes possibles sur la performance environnementale des procédés étudiés, contrairement aux évaluations environnementales de bioraffinerie réalisées à partir de données bibliographiques.

Ce chapitre détaille la méthodologie mise en place, et le matériel nécessaire à son application. Ainsi, les bases relatives à la modélisation et la simulation des procédés sont explicitées. De plus, les choix méthodologiques et les logiciels liés à l’ACV sont également détaillés (méthodes et bases de données d’ACV utilisées, etc.). Enfin, les cas d’études permettant de tester cette méthodologie sont présentés.

I. Méthodologie

Le schéma méthodologique présenté dans le chapitre I, section III – 3 - 3.2 (A new

methodological framework for the integrated assessment of the sustainability) à l’aide de la

figure 32 propose une évaluation complète de la durabilité des systèmes de bioraffineries. Néanmoins, l’ensemble des composantes de cette méthodologie n’a pas été appliqué au sein de ces travaux de thèse. En effet, les aspects sociaux n’ont pas été étudiés. De plus, l’évaluation économique et l’optimisation multi-objectif n’ont pas été réalisées sur l’ensemble des cas d’études mais uniquement sur le procédé d’extrusion de blé.

Ainsi, la méthodologie mise en œuvre au cours de ces travaux de recherche se focalise sur le couplage entre la modélisation/simulation de procédés et l’Analyse du Cycle de Vie. Cet axe de recherche est d’ailleurs énoncé dans le livre blanc du Génie des Procédés en France 20171_{, où la}

modélisation des procédés de valorisation des agro-ressources et leur évaluation environnementale via l’ACV sont mises en avant.

La modélisation des procédés est la première étape de la méthodologie mise en œuvre. A partir de résultats expérimentaux obtenus à la suite d’expériences à l’échelle pilote, des modèles semi- empiriques ou mathématiques peuvent être déduits des résultats. Ensuite, les limites du système et l’unité fonctionnelle à laquelle l’ensemble des flux du système sont rapportés sont définis. Puis, les modèles développés précédemment permettent d’obtenir des bilans matière et énergie pour chaque opération unitaire composant le procédé global, en fonction des conditions opératoires imposées. Il convient toutefois de définir correctement les domaines de validité des modèles utilisés, afin de ne pas générer des flux matière potentiellement erronés.

La simulation des procédés permet d’utiliser une interface afin de faciliter l’utilisation des modèles déterminés précédemment. De plus, les simulateurs de procédés vont permettre de coupler les opérations créées à partir des modèles à des opérations unitaires et étapes de procédés déjà existantes. Le logiciel de simulation de procédés permet également de renseigner la composition de la biomasse et de choisir un modèle thermodynamique afin d’étudier et de représenter le plus fidèlement possible le comportement de la biomasse végétale au sein des procédés d’extraction, de transformation et de purification. C’est au cours de la simulation de procédés que les opérations unitaires modélisées sont reliées afin de former le procédé global qui sera analysé par ACV. Lors de l’étape de simulation, l’ensemble des conditions opératoires souhaitées est défini et fourni au simulateur. Il est également possible de fixer des contraintes, comme par exemple l’obtention d’un certain débit en sortie de procédé.

L’inventaire du Cycle de Vie puis l’évaluation des impacts environnementaux du procédé sont ensuite réalisés en se basant sur les données fournies par la simulation, ramenées à l’unité fonctionnelle, et qui constituent le système de premier plan. Les données d’arrière-plan sont quant à elles obtenues à l’aide de bases de données d’ACV.

De plus, il est important de souligner qu’il s’agit d’une approche méthodologique itérative. En effet, les bilans obtenus lors de la simulation de procédés sont dépendants des paramètres de fonctionnement des procédés étudiés, telles que les conditions opératoires appliquées à chaque opération unitaire qui constitue un procédé (débits, vitesses de rotation, pressions, etc.). Ainsi, les conditions opératoires définies lors de la première simulation d‘un procédé peuvent être modifiées afin de réduire les impacts sur l’environnement du procédé tout en conservant une production viable, représentée par l'unité fonctionnelle qui reste inchangée.

Les trois paramètres essentiels qui sont traités afin de travailler sur l’éco-conception des procédés de bioraffinerie (représentés par la figure 2) sont :

 le choix entre plusieurs opérations unitaires opérant la même fonction ;  l’identification du meilleur agencement d’opérations unitaires ;

 la détermination des conditions opératoires optimales.

Ce schéma méthodologique réalise un focus sur l’évaluation environnementale du procédé (de la porte à la porte ou from gate to gate). Néanmoins, ce procédé est étudié dans une vision élargie du cycle de vie (du berceau à la porte ou from cradle to gate). En effet, les étapes de l’amont agricole font partie du cycle de vie du produit, et les intrants et sortants de ce sous-système sont calculés en fonction de la quantité de matière première (biomasse végétale) nécessaire en entrée du procédé afin d’obtenir des débits en sortie conformes à l’unité fonctionnelle définie. De plus, traditionnellement, l’amélioration de la performance environnementale des procédés se limite à la minimisation des flux, notamment de ceux considérés comme des déchets. Or, le but d’une bioraffinerie est de valoriser toutes les fractions de la biomasse végétale. L’ACV permet donc de comparer différentes voies de valorisations possibles telles que l’incinération à visée énergétique ou la production d’éventuels coproduits.

Figure 2. Actions d'éco-conception des procédés de bioraffinerie, inspiré de Jacquemin et al. (2012)2_.

II. Modélisation et simulation de procédés de bioraffinerie

Les simulateurs de procédés industriels sont fréquemment utilisés dans l’optique d’obtenir les bilans matière et énergie détaillés de l’ensemble des opérations unitaires constitutives d’un procédé global et pour simuler les diverses opérations de transformation de la matière pouvant se produire. Ces simulateurs fournissent également des informations détaillées sur les différentes caractéristiques des flux constituant le système étudié, comme les débits, la composition des différents courants, la température, etc. Toutes ces données peuvent ensuite être utilisées dans un but de conception, de développement ou d’optimisation d’un procédé. La plupart des outils de simulation de procédés offrent également la possibilité de calculer des données économiques. Néanmoins, les considérations environnementales ne sont que très peu prises en compte, et la plupart du temps résumées à des réductions de flux de matière et une meilleure intégration énergétique du procédé.

Il existe de nombreux logiciels disponibles pour la simulation de procédés : Aspen Plus®, Chemcad®, Superpro®, Pro/II®, UsimPac®, COCO® ou encore ProsimPlus®. La plupart de ces simulateurs de procédés sont destinés à une utilisation pour la pétrochimie. UsimPac® a quant à lui été développé dans un but de simulation de procédés miniers. Le tableau 1 dresse un rapide comparatif de certains logiciels de simulation de procédés.

Ainsi, ces logiciels n’ont pas été conçus initialement pour développer des procédés de bioraffinerie. La modélisation et la simulation de systèmes agro-industriels est complexe, et se heurte à des verrous différents.

Logiciel Ajout de constituants

Nombre

d’OU Nombre de modèles thermodynamiques

Nombre de corps

purs

Création d’OU

ProsimPlus® Oui 78 70 2330 Oui

Aspen® Oui 52 60 1500 Oui

Pro/II® - 50 40 1700 Oui

COCO® - 35 100 430 -

ChemCad® Oui 55 - 2000 Oui

SuperPro® Oui 140 - 2300 Oui

Tableau 1. Comparatif de divers logiciels de simulation de procédés. (OU : opérations unitaires).

Le premier verrou est que ces logiciels ont été développés pour satisfaire les besoins de l’industrie pétrolière. Ainsi, les logiciels de simulation de procédés les plus couramment utilisés tels qu’Aspen Plus® ou ProsimPlus® ne considèrent que deux états de la matière : liquide et gazeux. Lors de ces premiers traitements, la matière végétale se trouve à l’état solide. Il est donc nécessaire de prendre en compte cette limite. L’extraction potentielle des différents composants de la biomasse est fortement altérée par des propriétés dépendantes du solide telles que la granulométrie, le taux d’humidité ou les propriétés mécaniques du solide.

La modélisation des procédés réalisée au cours de ces travaux de thèse répond aux caractéristiques d’une approche boîte grise3_{, c’est-à-dire une combinaison d’opérations unitaires}

de types boîte noire, basées sur des données semi-empiriques, et des opérations unitaires de type boîte blanche, basées sur l’utilisation de lois physiques pour prédire le fonctionnement du procédé. Les modèles de type boîte noire sont obtenus par la méthodologie des plans d’expérience, et permettent donc de connaitre les bornes de validité du modèle utilisé. De plus, l’approche de la modélisation basée sur des données expérimentales issues de manipulations à l’échelle pilote permet de reproduire avec plus de fidélité le comportement de la matière première hétérogène au sein du procédé. Enfin, l’échelle pilote permet de limiter les incertitudes (notamment énergétiques) liées aux effets de changement d’échelle (généralement le passage de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle).

Le deuxième verrou concerne les constituants de la matière végétale. En effet, les constituants de base que sont la cellulose, les hémicelluloses ou la lignine notamment ne sont pas présents dans les bases de données de corps purs présentes dans les logiciels de simulation de procédés. De plus, les travaux d’éco-conception de procédés industriels nécessitent la connaissance préalable de données telles que les propriétés thermodynamiques des composés intervenant au sein du procédé. Il est donc important de générer au sein des bases de données existantes ces nouveaux constituants et d’identifier les modèles thermodynamiques qui représenteront le plus fidèlement possible le comportement de la matière végétale et de ses composants au sein du procédé simulé. Ces travaux de recherche ont été réalisés à l’aide du logiciel ProsimPlus® (version 3.5.18). En plus de son utilisation historique au sein de Toulouse INP - ENSIACET et du Laboratoire de Chimie Agro-industrielle, qui permet de se baser sur de nombreux retours d’expériences, ce simulateur offre de nombreuses possibilités. En effet, il s’agit d’un programme de simulation en régime permanent de procédés chimiques continus qui permet notamment de :

 résoudre les équations de bilans matière et énergie pour l'ensemble des opérations unitaires du procédé ;

 calculer les caractéristiques (débit, composition, température, pression, propriétés physiques) de tous les courants constituant le système étudié ;

 optimiser les conditions de fonctionnement du procédé selon les critères souhaités (coût, débits de production...).

Pour cela, le logiciel s’appuie notamment sur des bases de données de propriétés de corps purs, des modèles thermodynamiques et des modèles d’opérations unitaires.

ProsimPlus® s’appuie sur la base de données des corps purs développée par la société savante de génie chimique des Etats-Unis (AIChE4_{) : la DIPPR (Design Institute for Physical Properties),}

dans sa version DIPPR L16+5_{. Il s’agit de l'une des meilleures bases de données mondiales}

connues pour les données de propriétés thermodynamiques évaluées de manière critique, à partir de données expérimentales, ce qui signifie que toutes les données disponibles sont évaluées en termes de précision, de cohérence thermodynamique et de fiabilité. Lorsqu'aucune donnée expérimentale n'est disponible, des méthodes établies sont utilisées pour prédire la valeur de la propriété recherchée.

La base de données DIPPR contient 34 constantes thermodynamiques et 15 propriétés dépendant de la température pour 2330 substances.

D’autres bases de données de corps purs et de mélanges sont disponibles, notamment DETHERM6_{, fournie par la société savante de génie chimique Allemande (DECHEMA}7_{). Cette}

base de données contient des données concernant plus de 60 000 corps purs.

Une large gamme de modèles thermodynamiques est également disponible, permettant de traiter les systèmes les plus complexes. Au total, ProsimPlus® intègre plus de 70 modèles de calculs de propriétés thermodynamiques et d’équilibres entre phases différents, qu’il est possible de classer en quatre catégories : les modèles homogènes (approche par équations d’état), les modèles hétérogènes (calcul des coefficients d’activité), les modèles combinés (équation d’état avec règles de mélanges complexes) et les modèles spécifiques (figure 3).

Figure 3. Classification des différents groupes de modèles thermodynamiques disponibles au sein de ProsimPlus®, d'après Simulis Thermodynamics®8_.

ProsimPlus® offre la possibilité de simuler de nombreuses opérations unitaires différentes : distillation, absorption, extraction, séparation multiphasique (liquide-liquide, liquide-vapeur, liquide- solide...), réaction chimique (en phase homogène, catalytique, en milieu biologique...), compression, filtration, etc. Au total, ProsimPlus® contient des modèles permettant de simuler environ 80 opérations unitaires différentes.

En plus de cela, des modules de gestion des recyclages et des contraintes, d’optimisation (mathématique, stochastique) et d’évaluation économique sont également disponibles.

Cet outil logiciel offre la possibilité de créer de nouvelles opérations unitaires à partir d’un module de calcul utilisateur. De plus, il est possible de faire intervenir plusieurs paramètres utilisés lors du calcul des flux relatifs à l’appareil simulé. Dans le cadre de cette thèse, ces paramètres sont les variables d’action, comme les conditions opératoires, pouvant être optimisées afin de réduire l’impact environnemental du procédé. Enfin, dans une vision à plus long terme, il est possible de sauvegarder les opérations unitaires créées et de les réutiliser directement dans d’autres projets. Ainsi, il est possible de créer une banque de modèles d’opérations unitaires, permettant par la suite d’intervertir des opérations ou bien de moduler de nouveaux procédés. De plus, ProsimPlus® offre la possibilité de générer de nouveaux constituants. Cette fonctionnalité permet de créer les différentes fractions d’intérêt de la matière végétale. Enfin, ce logiciel intègre de nombreux modèles thermodynamiques, permettant de déterminer et d’identifier celui qui représente le plus fidèlement possible le comportement réel de la biomasse végétale au sein des procédés étudiés.

Chaque opération unitaire modélisée puis simulée permet d’obtenir des flux entrants et sortants. Lorsque le procédé est simulé dans sa globalité, le flux de matière principal sortant de l’opération unitaire n est ensuite considéré comme le flux principal entrant dans l’opération unitaire n+1. Le flux de matière principal issu de la dernière étape du procédé permet ensuite de rapporter les impacts environnementaux à l’unité fonctionnelle choisie (qui correspond à la production donnée du produit principal valorisé en fin de procédé).

III. Analyse du Cycle de Vie

Les différentes Analyses du Cycle de Vie réalisées lors de ces travaux de thèse sont dites attributionnelles, dans la mesure où elles évaluent les impacts environnementaux des procédés sans étudier les potentielles conséquences d’une généralisation du système étudié sur le marché industriel. Néanmoins, une étude de Guinée et al. (2018)9_{permet de classer avec plus de précision}

les ACV réalisées. Ainsi, de par l’évaluation de technologies émergentes qui est réalisée lors de l’ACV de procédés de bioraffinerie, les études présentées au sein de ce manuscrit de thèse peuvent être qualifiées d’ACV anticipatoires ou prospectives. En effet, elles sont basées sur l’utilisation de modèles prédictifs, ont un objectif temporel axé vers le développement futur d’une technologie et permettent de répondre à la question « quels sont les impacts environnementaux attendus de cette technologie émergente ? ».

1. Définition des périmètres des études réalisées

Il est important de bien définir le périmètre d’une ACV, afin de déterminer quels processus et donc quels flux d’inventaire sont pris en compte lors de l’évaluation des impacts environnementaux. Il existe communément trois périmètres distincts lors de la réalisation d’une Analyse du Cycle de Vie :

 « du berceau à la tombe » (from cradle to grave) : l’extraction des matières premières et la fin de vie du produit sont prises en compte. Il s’agit de l’ACV la plus exhaustive possible, où toutes les étapes du cycle de vie sont comptabilisées.

 « du berceau à la porte » (from cradle to gate) : les étapes du cycle de vie situées en aval des activités de l’usine ne sont pas prises en compte. Ce périmètre est notamment utilisé lorsque l’on veut étudier la performance environnementale d’un procédé mais que le produit issu de ce procédé n’est qu’un intermédiaire destiné à intégrer le cycle de vie d’un produit terminé.  « de la porte à la porte » (from gate to gate) : l’ACV se limite aux activités au sein de l’usine. La figure 4 permet de visualiser les principales étapes du cycle de vie d’un produit de bioraffinerie, et de différencier les différents périmètres applicables lors de la réalisation de l’ACV.

Figure 4. Cycle de vie général d'un produit issu du bioraffinage. Représentation des périmètres applicables lors de la réalisation de l'ACV.

Le périmètre étendu aux activités liées à l’amont agricole permet de travailler sur certaines spécificités de l’Analyse du Cycle de Vie de produits biosourcés, comme la prise en compte du carbone biogénique et notamment le dioxyde de carbone stocké lors de la phase de croissance de la biomasse végétale. Cela permet de comparer éventuellement des produits biosourcés à des produits équivalents issus de la pétrochimie et ainsi de s’assurer que les produits biosourcés ont réellement un impact plus faible sur le changement climatique et des émissions de gaz à effet de serre moindres (jusqu’à leur réémission lors de la fin de vie du produit). La figure 5, qui reprend les résultats d’une étude menée par Azapagic (2014)10_{, représente ce cas de figure. Ce graphique}

compare les émissions de gaz à effet de serre engendrées par la production d’éthanol, d’origines pétrochimique ou biosourcées. La comparaison entre des biocarburants de première et de deuxième génération souligne les importantes disparités qui peuvent exister, pour la production d’un même produit final, parfois à partir des mêmes matières premières. Ainsi, il est important de constater que certains carburants biosourcés génèrent plus d’impact que l’éthanol issu du pétrole. C’est notamment le cas de l’éthanol issu du maïs aux Etats-Unis. Cela est dû notamment aux émissions de N2O provenant de l'application d'engrais pendant la culture du maïs. On remarque

également que tous les carburants biosourcés ne sont pas neutres sur le bilan absorptions/émissions de dioxyde de carbone, hypothèse pourtant souvent pratiquée lors de la réalisation d’Analyses du Cycle de Vie de produits biosourcés. Enfin, cette étude souligne les importantes différences engendrées par la prise en compte ou non d’un changement d’affectation des sols. En effet, la production d’éthanol issu du miscanthus au Royaume-Uni met en évidence l’importance de ce phénomène. L’histogramme bleu représente les effets du passage de sols

Dans le document Développement d'une méthode d'évaluation multi-indicateurs des systèmes agro-industriels, basée sur la pensée cycle de vie, pour une éco-conception des procédés de production (Page 96-107)