La problématique soulevée dans cette thèse suggère qu’il est impossible de trouver la conception réellement optimale d’un procédé sans d’abord connaître les impacts environnementaux du cycle de vie de ses intrants. Dans le cas d’étude, cela veut essentiellement dire qu’on ne capturera pas le CO2 de la même façon en sachant combien il faut en émettre avant de pouvoir en capturer, vu que cela affecte le ratio entre ce qui est capturé et ce qui est réellement évité. L’amélioration de la prise de décisions grâce à l’ACV pourrait même jusqu’à apporter un bénéfice économique pouvant justifier le coût de cette ACV, en plus de diminuer les impacts environnementaux.
L’hypothèse de recherche de cette thèse est donc qu’une décision de conception de procédé prise post-optimisation avec ACV, comparativement à la décision prise sans ACV, apporte un bénéfice économique et environnemental à long terme dont l’espérance est mesurable, du moins lorsque les contraintes environnementales ne sont pas déjà internalisées dans le coût des intrants mais le seront plutôt entre le moment de la conception et celui de la construction.
L’objectif général de recherche de cette thèse est de faire une validation de principe de l’intégration de données d’ACV dans un contexte d’optimisation de la conception d’un procédé par simulation informatique, et d’en mesurer le bénéfice pour le cas d’étude de la conception d’un procédé de capture de CO2. Ce faisant, il est souhaité de développer de nouvelles façons commercialement viables d’utiliser l’ACV. À la limite, cela peut permettre de repenser certains aspects de la méthodologie de l’ACV, notamment la pondération des catégories d’impacts dans un contexte de prise de décisions.
Il faut bien clarifier que l’objectif ne vise pas la justesse de la modélisation du procédé, mais plutôt la justesse de la contribution de l’ACV à des résultats spécifiques. La conception d’un véritable système de capture de CO2 nécessiterait plutôt d’aller au-delà de la phase de design conceptuel, en utilisant des modèles thermodynamiques et économiques précis et validés, auxquels l’ACV pourrait ensuite être ajoutée de nouveau sur la base des résultats de cette thèse. Un objectif secondaire de la recherche est de contribuer à l’état de l’art de la conception des procédés de capture de CO2 en postcombustion, particulièrement dans le domaine de l’intégration thermique entre le procédé et un cycle vapeur.
Les objectifs spécifiques de cette recherche sont de :
1. Modéliser le système de capture de CO2 avec le logiciel commercial ASPEN Plus et greffer ce modèle à la plate-forme OSMOSE;
2. Intégrer à ce modèle deux façons de calculer le critère environnemental d’optimisation (GWP ou potentiel de réchauffement climatique) : avec et sans les résultats de l’ACV des principaux intrants (combustible, absorbant, matériaux d’infrastructures, transport de CO2,
etc.);
3. Lui ajouter le gaz naturel synthétique (SNG) comme combustible de substitution, en compétition avec la capture de CO2 en tant que technologie d’évitement du GWP;
4. Lui ajouter d’autres technologies d’évitement du GWP du cycle de vie des intrants, reflétant des choix d’approvisionnement avec émissions réduites, dont notamment un approvisionnement de gaz naturel avec des émissions fugitives de méthane réduites; 5. Établir la courbe Pareto-optimale combinant les meilleures décisions de conception et les
meilleures décisions d’approvisionnement, selon que GWP est calculé avec ou sans ACV; 6. Procéder à une analyse de sensibilité : importance de l’ACV de chaque intrant;
importance de chaque gaz à effet de serre; importance du couplage entre les décisions d’approvisionnement et les décisions de conception;
7. Déterminer sous quelles conditions l’ACV contribue aux décisions de conception, ainsi que comment cela affecte certaines relations économiques comme le lien entre le prix du bois et le prix du CO2;
8. Déterminer le poids relatif de chaque catégorie d’impacts environnementaux, en termes de probabilité d’affecter les décisions de conception lorsque chaque catégorie forme un critère d’optimisation;
9. Établir un système de pondération des résultats de l’ACV de chaque intrant d’un procédé, afin de permettre à l’avenir d’optimiser correctement la conception du procédé sans nécessairement devoir connaître comment les fournisseurs eux-mêmes doivent gérer les technologies d’évitement de leur propre domaine.
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La principale originalité scientifique de cette thèse se trouve donc dans la réponse théorique et empirique au problème central soulevé dans la problématique ci-haut : les conceptions d’un procédé qui sont contradictoires selon qu’on essaie d’en minimiser les émissions sur place, d’en minimiser les résultats d’un indicateur d’ACV, ou de véritablement en optimiser le cycle de vie. En particulier, cette thèse développe une méthode originale pour explorer rapidement le potentiel d'évitement des émissions du cycle de vie de chaque intrant, sans devoir faire un modèle détaillé de chaque option pour chaque processus élémentaire. Ultimement, cela mène à une méthode entièrement originale d’optimisation du cycle de vie qui permet de répondre à un large éventail de problèmes de conception de procédés et d’autres domaines.
Une originalité supplémentaire de cette thèse, davantage sur le plan technique, est de procéder à une optimisation simultanée des détails du procédé de capture de CO2 et de son intégration au reste de la centrale électrique, mais avec des outils logiciels différents. Cela permet de faire des combinaisons de variables de décision impossibles auparavant. En particulier, une emphase est mise sur la synergie possible entre la configuration de l’écoulement de l’absorbant et la configuration du cycle vapeur, ce que peu d’outils logiciels permettent d’explorer. Il en résulte un certain doute original sur plusieurs idées reçues concernant la capture de CO2, notamment à propos des caractéristiques souhaitables de l’absorbant et à propos de la pertinence de focaliser les efforts de recherche et de développement sur la complexification du désorbeur.
Cette dualité entre les aspects scientifiques et techniques de cette thèse se reflète dans sa structure, qui est détaillée et justifiée dans le chapitre 2. Le chapitre 3, davantage focalisé sur les aspects techniques, présente les détails de la plateforme logicielle de simulation afin de préserver la reproductibilité des résultats scientifiques, sur lesquels portent plutôt les chapitres 4 à 7, soit les articles et la discussion générale.