CHAPITRE 2 ÉTAT DE L’ART
2.8 Synthèse
2.8.1 Choix du type de système de combustion
La revue des procédés de conversion thermochimique a permis de constater l’ampleur que prend la combustion en tant que technologie sur l’échiquier des bioénergies. Si bien qu’actuellement, il existe une vaste gamme d’équipements pouvant être employés, dépendamment du type d’utilisation qui en sera faite (puissance nécessaire, biomasse brûlée, etc.). Dans le cadre du projet, comme il s’agit de brûler des biomasses agricoles dans l’optique de chauffer des bâtiments de ferme dont les besoins en énergie sont relativement faibles, une chaudière à grille mobile aurait certainement été, à la lumière de la section 2.2, la plus adaptée. En ce sens, l’unité autrichienne Agrofire de 40 kW de la compagnie Hargassner avait été ciblée avec les partenaires mais, pour des raisons légales et commerciales, l’achat n’a pu être conclu. L’option de rechange a été d’acquérir une chaudière américaine reconnue pour être en mesure de brûler différents types de combustible : le Bio-Burner de 29 kW (modèle BB-100, LEI Products, Madisonville, KY, États-Unis). Il s’agit d’un système domestique à simple chambre de combustion muni d’un cyclone pour limiter l’émission de matières particulaires. Il serait tout de même hautement efficace malgré l’absence de grille amovible et d’une seconde chambre de combustion. Plus de détails sur l’appareil sont fournis au chapitre 3.
2.8.2 Choix des cultures énergétiques dédiées
Plusieurs biomasses lignocellulosiques pouvant être cultivées au Québec ont été pressenties (section 2.3). Parmi elles, les plantes pérennes sont peut-être celles qui offrent le plus de potentiel comme combustible pour les producteurs agricoles lorsque comparées aux cultures annuelles et aux résidus.
Les plantes annuelles (tableau 2.5) telles que le blé, l’orge, le triticale, le maïs et le sorgho sucré ont de faibles possibilités de développement étant donné leur double vocation : énergétique et alimentaire. Pour cette raison, la disponibilité de la plante entière pour la combustion semble inexistante. Par ailleurs, le maïs et le sorgho sucré seraient davantage des options pour la production d’éthanol de première génération.
Du côté des résidus de culture (tableau 2.6), les cannes de tournesol, les fanes de topinambour et la paille de lin sont très peu disponibles au Québec. Que ce soit pour leur taux de cendres élevé (cannes), leur faible pouvoir calorifique (fanes) ou leur faible rendement (lin), ce sont des biomasses peu envisageables pour la combustion. À l’inverse, les pailles de céréales ou de maïs sont produites en grandes quantités au Québec. Elles s’avéreraient de bonnes options comme combustible compte tenu de leurs valeurs calorifiques moyennes d’environ 16,5 MJ kg-1. Toutefois, la paille de céréales contiendrait près de 6 %m de cendres sur une base massique et les résidus de maïs, s’ils ne sont pas enfouis, offrent un débouché plus probable vers la production d’éthanol cellulosique. De plus, la reprise au champ des résidus de récolte apporte des coûts supplémentaires.
Les plantes vivaces (tableau 2.7) ont l’avantage de pouvoir produire plusieurs récoltes avant d’être réimplantées et de nécessiter très peu d’intrants (eau, fertilisants et pesticides) comparativement aux cultures annuelles. Parmi les plantes pérennes, le dactyle, la fétuque élevée et la luzerne sont des cultures principalement destinées à la consommation animale en tant que fourrages. Même si elles possèdent une valeur calorifique intéressante et que leur récolte ne nécessite pas d’équipements spécialisés, leur quantité de cendres > 10 %m pose problème en vue d’une utilisation comme combustible.
Le peuplier hybride et le saule à croissance rapide sont des arbres vivaces lignocellulosiques. Ils offrent d’excellents rendements de plus de 30 t MS ha-1 aux 3 ans, en plus de posséder un excellent pouvoir calorifique et un taux de cendres relativement bas par rapport à d’autres biomasses. Également, ce sont des cultures qui peuvent croître sous différentes zones climatiques (zones 1, 2 et 3; figure 2.22) et ainsi être cultivées sur des terres marginales [88]. Leur plus grand inconvénient reste l’obligation d’utiliser une machinerie spécialisée pour l’implantation et la récolte (coûts élevés), mais ces cultures nécessitent peu d’attention lors de leur croissance mis à part un certain contrôle des mauvaises herbes lors de la première année [47,88] et une fertilisation suivant la récolte [95]. Les marchés pour ces arbres sur courtes rotations sont nombreux : le chauffage institutionnel, commercial ou agricole, les procédés industriels, les agro-matériaux, les filtres végétaux, etc. [79,95]. Le saule semble avoir une longueur d’avance sur le peuplier alors que 200 ha sont déjà cultivés au Québec [95].
L’alpiste roseau, le miscanthus, le panic érigé et le phragmite sont des graminées pérennes pouvant être utilisées à des fins de combustion. Par contre, seul le phragmite, en raison de son très faible pouvoir calorifique (10,5 MJ kg-1) et de sa maigre représentation sur des terres agricoles, ne semble pas avoir un grand potentiel pour la production de chaleur [79]. Les trois autres plantes, d’entrée plus documentées dans la littérature, ont également déjà fait l’objet d’essais et d’études sur le territoire québécois [21,92].
Figure 2.22 Carte des unités thermiques maïs (UTM) du CRAAQ : zone 1 (rouge), > 2600
UTM ; zone 2 (vert), 2200 à 2600 UTM ; zone 3 (violet), < 2200 UTM (tirée de Desmeules [88])
L’alpiste roseau, le miscanthus et le panic érigé possèdent un pouvoir calorifique similaire (17,6 MJ kg-1), mais des taux de cendres (5,6, 2,8 et 3,7 %m, respectivement) et des rendements moyens (9, 17 et 10 t MS ha-1, respectivement) différents. Bien que ces caractéristiques favorisent le miscanthus, il a été peu évalué au Québec comme il s’agit d’une plante à climat chaud [92]. Toutefois, Groleau [93] indique que l’activité photosynthétique du miscanthus fonctionnerait jusqu’à 5 °C, pouvant ainsi être cultivé jusqu’au 48e parallèle (environ Rivière-du-Loup; figure 2.22). Des essais survenus dans le Bas-St-Laurent n’ont rencontré aucun inconvénient durant le premier hiver [94], même si la plante est reconnue pour être sensible au froid en début de vie [47,79,88]. À l’instar du miscanthus, le panic érigé préfère les régions à plus de 2300 UTM (zones 1 et 2; figure 2.22), alors que l’alpiste roseau tolère les régions plus froides (zones 1, 2 et 3; figure 2.22) [18,88].
Le miscanthus contrairement aux deux autres cultures nécessite une machinerie spécialisée pour l’ensemencement, ce qui en augmente le coût d’approvisionnement [21,92,93]. L’implantation de l’alpiste et du panic est, par contre, relativement lent et difficile, sollicitant un bon désherbage pour éviter la concurrence [21,90]. Ces biomasses herbacées contiennent également des teneurs importantes en azote, augmentant les risques de rejets azotés dans l’environnement. Du côté du miscanthus, ce sont les émissions chlorées qui risquent de poser problème étant donné un contenu plus élevé en chlore dans cette plante.
Finalement, les cultures énergétiques dédiées avec le plus grand potentiel de croissance au Québec sont l’alpiste roseau, le miscanthus, le panic érigé et le saule à croissance rapide selon la présente analyse et les résultats de Desmeules [88]. Brodeur et al. [21] et Lease et al. [92] ont aussi davantage porté leur attention sur ces plantes étant donné les quelques essais dont elles ont déjà fait l’objet. Au niveau international, les travaux d’Eder [251], de Lewandowski et Heinz [179] et de McLaughlin et al. [252] permettent de constater que les cultures énergétiques les plus prometteuses pour la production de combustibles solides en climat tempéré pour de petites installations seraient aussi ces quatre plantes. En résumé, elles :
Possèdent les meilleurs pouvoirs calorifiques après le bois ; Offrent les plus petits taux de cendres après le bois ;
Contiennent des quantités moyennes d’azote, de soufre et de chlore ;
Se cultivent sur des terres peu ou non valorisées (friches, bandes riveraines, etc.) ; Permettent plusieurs récoltes sans avoir à être réimplantées ;
Réduisent l’érosion comme elles sont pérennes ;
Démontrent une possibilité d’intégrer plusieurs marchés outre la combustion.
2.8.3 Choix des propriétés à étudier
D’après la revue des propriétés physico-chimiques des biomasses (section 2.5), il apparaît clair qu’elles possèdent une influence sur la qualité des rejets atmosphériques. Effectivement, un contenu élevé en certains éléments chimiques, des particules grossières de combustible et une date de récolte hâtive sont des facteurs qui peuvent affecter négativement l’efficacité de la combustion et provoquer des émissions plus importantes de contaminants dans l’atmosphère. L’effet de ces paramètres et la quantification de leur influence font d’ailleurs l’objet des chapitres 4 et 5.
2.8.4 Choix du type de modèle de prédiction
Globalement, l’établissement et la résolution des modèles de la section 2.7.1 sont complexes, d’autant plus que la reproduction de leur programmation mathématique est utopique. En effet, pour la très grande majorité des publications, les auteurs prennent pour acquis que les lecteurs sont assez expérimentés pour comprendre le raisonnement et la démarche générale sans avoir à développer davantage sur les équations de base impliquées [72]. Par ailleurs, ce type de modèle est plus ou moins requis étant donné que l’objectif n’est pas par exemple d’optimiser le design des appareils de combustion. De plus, la résolution des modèles multidimensionnels requiert généralement des équipements informatiques performants [62].
Par conséquent, le modèle de prédiction des émissions sera basé sur la minimisation de l’énergie libre de Gibbs, dont la méthode de résolution été exposée au cours de la section
2.7.2. Cette approche, bien que très théorique, reste simple (aucun calcul de phase et 0D) et l’outil développé pourra être utilisé facilement par des utilisateurs peu expérimentés dans ce domaine.
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