Gazéification des résidus municipaux

Gazéification des résidus municipaux :
Un potentiel énergétique non négligeable
Titre à ajouter
(rédaction : février 2007)
1. Résumé
Sommaire récapitulatif
Principales caractéristiques du procédé de gazéification
ƒ Procédé de traitement thermique ayant lieu en présence restreinte d’oxygène et d’air.
ƒ Flexibilité des intrants : accepte une large gamme de matières issues des résidus solides municipaux (RSM).
ƒ Avec la température et la pression, le % d’oxygène permet de contrôler les réactions chimiques afin d’obtenir différents
sous-produits : (1) syngaz - valorisable sous forme d’électricité, de vapeur, de chaleur, de biocarburants ou autres produits
chimiques et (2) autres sous-produits (métaux, résidus stables) facilement valorisables.
ƒ Peu ou pas de résidus à enfouir Æ taux de diversion maximal.
ƒ Analyse du cycle de vie : efficience énergétique très supérieure à l’incinération, réduction des émissions atmosphériques
(NOx, SOx, CO2) et absence de dioxines et furannes. Moindre impact sur l’environnement et production de biocarburant
devraient résulter en une meilleure acceptabilité par le public.
ƒ Pas d’unité commerciale à grande échelle en Amérique du Nord.
Technologies
Enjeux
État / Connaissances et implantation
Gazéification
conventionnelle
sur lit fluidisé
(GLF)
ƒ Nécessite un prétraitement des
déchets : extraction des matières
inorganiques (se combine très bien
avec un programme de recyclage et
de compostage), séchage et broyage
de la matière.
ƒ Oxydation partielle de 700 à 1600 °C.
ƒ Technologie éprouvée : deux leaders, plus de trente
unités de grande échelle en opération au Japon.
Plusieurs entreprises de gazéification de déchets
industriels et spéciaux commencent à se tourner vers ce
marché ainsi que de nouveaux acteurs cherchant à
optimiser le procédé (ex : Enerkem–Byosin au Québec).
Projet en vue à Edmonton, première usine de taille
commerciale.
Gazéification
haute température
(GHT)
ƒ Prétraitement réduit à un simple
compactage en cube de 500 kg.
ƒ Jusqu’à 2000 °C.
ƒ Technologie éprouvée, dominée par IWT avec son
procédé Thermoselect qui compte une dizaine d’usines
en opération au Japon et en Europe, ainsi que plusieurs
projets dont le plus important au monde : celui de Caguas
(Puerto Rico).
Gazéification à
torche à plasma
(GTP)
ƒ Prétraitement reste optionnel.
ƒ Torche à plasma (jusqu’à 8000 °C au
contact de la torche).
ƒ Résidus du procédé stables et
vitrifiés Æ facilite leur valorisation.
ƒ Technicité plus complexe (haute température) / peu
éprouvée à l’échelle commerciale car seulement 2 unités
de grande échelle dans le monde.
ƒ Unité pilote en démonstration à Ottawa (Plasco Energy).
1
2. Principaux constats
2.1 Le procédé de gazéification
Principe de base et objectif du procédé de gazéification
La gazéification est un procédé de traitement thermique des résidus solides municipaux (RSM) et constitue une
alternative potentielle aux techniques d’incinération conventionnelles au même titre que certains traitements
biologiques. Le procédé thermique de la gazéification repose sur une décomposition thermique des matières
résiduelles ayant lieu en présence restreinte d’oxygène et d’air, contrairement à l’incinération (en excès d’oxygène) et
à la pyrolyse (en absence d’oxygène). Avec la température et la pression, le pourcentage d’oxygène permet de
contrôler les réactions chimiques de la gazéification afin d’obtenir différents sous-produits. Le procédé de
gazéification repose sur trois phases :
•
Prétraitement (pour certains procédés) : broyage, tri (récupération des matières recyclables et
inorganiques) et séchage pour avoir un intrant de qualité.
•
Conversion des matières résiduelles en syngaz : le carbone et l’hydrogène présents dans les matières
résiduelles organiques sont transformés en gaz combustible, appelé syngaz (gaz synthétique), à des
températures élevées comprises entre 800 et 2000 °C selon les technologies.
•
Post-traitement : processus de nettoyage puis de valorisation du syngaz (électricité, vapeur, chaleur,
biocarburants ou produits chimiques). Avec cette valorisation énergétique, le procédé est autosuffisant
énergétiquement.
Post-traitement non requis / Réduction des résidus destinés à l’enfouissement
La plupart des sous-produits étant valorisés, le volume à enfouir est très faible. Contrairement à l’incinération et aux
traitements biologiques, il n’y a pas de cendres, de boues ou poussières de filtrage nécessitant un coûteux stockage
ou un traitement ultérieur. Les volumes d’eau de lavage sont réduits. Les technologies de conversion thermique
réduisent la quantité de résidus destinés à l’enfouissement de près de 75 % en poids et 85 % en volume [4]. Les taux
de diversion peuvent même atteindre 98 % lorsque les sous-produits sont vitrifiés et donc valorisables dans le cas
des procédés de gazéification les plus performants.
Cycle de vie du procédé de gazéification
Efficience énergétique et émissions atmosphériques
L’efficience énergétique du procédé varie considérablement selon les conditions d’opération (pression, température,
% oxygène) mais aussi selon le type d’intrants et sa qualité (prétraitement). Le papier/carton, le textile ou le
caoutchouc (pneus) ont des pouvoirs calorifiques élevés (voir détails [5]). Les plastiques sont aussi des matières de
choix puisque plusieurs types de plastique, particulièrement les polyoléfines (emballages plastiques), ont une grande
valeur calorifique et une structure moléculaire simple composée principalement de carbone et d’hydrogène [6]. D’une
manière générale, avec des rendements énergétiques entre 300 et 900 KWh/tonne selon le type de procédé utilisé, la
gazéification offre presque toujours des rendements supérieurs aux autres procédés de récupération d’énergie tirée
des déchets [3].
2
Comparaison des impacts environnementaux de différents scénarios de gestion des résidus municipaux
Comparaison de 4 scénarios de
traitement de 1 000 000 de
tonnes par de résidus solides
municipaux :
- traitement thermique avancé
(ATR) / incinération ;
- gazéification ;
- enfouissement ;
- digestion anaérobie (AD).
(1) Emissions atmosphériques
(2) Équivalent carbone par tonne métrique
(3) Consommation énergétique annuelle
Source : URS Corp., 2005 [3]
Au niveau des émissions atmosphériques, le syngaz est plus homogène que les RSM et sa combustion est plus
propre que celle des RSM et a lieu dans un environnement fermé, sans contact direct avec l’extérieur si bien que la
gazéification émet beaucoup moins d’odeurs, de fumée et des taux bien inférieurs de SOx, NOx et CO. De plus, la
production de syngaz ne conduit pas à la formation de dioxines et de furanes. Enfin, les taux de CO2 sont
considérablement réduits. L’étude de Los Angeles [3] estime qu’une unité de 250 000 t/an de RSM traités par
gazéification au lieu d’être enfouis générerait annuellement des économies d’énergie équivalentes à une usine de
30 MW opérant pendant un an, ainsi qu’une réduction de 425 t de NOx, soit l’équivalent des émissions de NOx
émises annuellement par une centrale au gaz naturel de 975 MW.
3
Acceptabilité du public
Compte tenu du contrôle possible des différents paramètres du procédé, la gazéification peut être localisée en zone
industrielle. Comme il s’agit d’une technologie peu répandue et généralement méconnue du public, il est difficile de
déterminer la perception du milieu. Il est toutefois possible qu’une installation de gazéification soit associée à
l’incinération. En effet, les deux procédés impliquent une dégradation par la chaleur et sont utilisées pour produire de
l’énergie. Les installations se ressemblent visuellement à la différence importante que les usines de gazéification ne
présentent pas de haute cheminée ou alors celle-ci est de taille réduite en comparaison avec les incinérateurs. La
différenciation mérite d’être expliquée au public quant aux avantages liés aux résidus solides stables, taux de
diversion, absence de dioxines et furannes, etc. Le fait de produire un biocarburant à partir des déchets ultimes
pourrait aussi permettre de différencier plus facilement les deux procédés et apporter une image plus positive à la
gazéification.
2.2 Avancement et diffusion du procédé de gazéification
Principaux procédés
Caractéristiques des procédés de gazéification conventionnelle et de gazéification par torche au plasma
Gazéification conventionnelle sur lit fixe ou sur lit fluidisé
Gazéification à torche à plasma (GTP)
(GLF)
En présence contrôlée d’oxygène entre 700 à 1600 °C.
La gazéification sur lit fixe a lieu dans une grande chambre de
combustion de forme cylindrique dont le fond est recouvert de sable et de
silice. De l’air est injecté à faible vélocité à travers le sable. La présence
du sable a un effet positif sur le transfert de la chaleur de l’air vers les
matières à traiter. Avec la gazéification sur lit fluidisé – généralement
utilisée pour la gazéification conventionnelle des RSM, l’air est injecté à
grande vélocité. En augmentant la vitesse du flux jusqu’à une certaine
valeur critique, cette poussée verticale égale la force gravitationnelle, de
sorte que le lit de particules se trouve en suspension dans le flux
permettant une maximisation du contact entre l’air et les matières à traiter
et donc la chaleur.
Le plasma est produit en faisant passer de
l’air dans un courant électrique. Le résultat
est un jet de gaz surchauffé, appelé plasma.
Celui-ci peut atteindre une température de
8000 °C. Au contact de ce jet de gaz, les
matières résiduelles se décomposent en
molécules simples. Le processus est réalisé à
pression atmosphérique dans un
environnement contrôlé et complètement
fermé.
Source : Groupe SM, 2007 [2]
Une autre technologie [3], dite de gazéification à haute température (GHT) a été spécialement développée afin de
réduire le besoin de prétraitement à la source à une simple compaction. Les matières sont reçues telles quelles dans
les installations et sont compactées en cubes d’environ 500 kg avant leur introduction dans la chambre de
dégazéification/gazéification. Ceci permet de réduire suffisamment le volume d’air dans les matières et d’assurer une
gazéification optimale lorsque les matières sont introduites dans le réacteur à haute température, jusqu’à 2000 °C.
Enfin, on note que la plupart des installations de pyrolyse de grandes capacités (supérieures à 80 000 t/an en
moyenne) sont des installations de thermolyse intégrée, c'est-à-dire, associant au procédé de pyrolyse un procédé de
gazéification du coke de pyrolyse.
4
Principales variations des procédés
Outre la source de chaleur, la température et la pression, ces procédés varient au niveau de leur sensibilité à
l’homogénéité du flux de matières à traiter et à l’humidité des matières et donc au niveau de la gestion à l’entrée
des intrants. Si la gazéification à haute température requiert un simple compactage, les procédés de gazéification
conventionnelle nécessitent l’extraction des matières inorganiques des RSM, notamment les métaux ferreux et le
verre. Les RSM doivent être séchés jusqu’à un pourcentage pondéral d’humidité de 15 % à 30 % et être soumis à un
procédé de texturation pour que la matière atteigne la dimension (inférieure à 5 cm) et la densité appropriées. Une
unité de gazéification conventionnelle qui serait implantée dans le cadre d’un système de collecte à deux voies,
pourrait devoir faire un prétraitement supplémentaire, par exemple un compostage, pour réduire la quantité de
matières organiques et surtout la teneur en eau. Par contre, ce prétraitement ne serait peut-être pas nécessaire dans
un système de gestion à trois voies où environ 50 % à 60 % des résidus verts et résidus alimentaires ne se
retrouvent pas dans le flux de déchets [2]. Dans le cas de la torche à plasma, même si les résidus municipaux
gagnent à être séchés et homogénéisés pour régulariser la production de gaz, ce prétraitement reste optionnel.
La différence se fait également au niveau des sous-produits. L’utilisation de torches à plasma permet de réduire le
temps de séjour des matières résiduelles dans la chambre de gazéification et les cendres lourdes sont gazéifiées dès
la sortie du four mais aussi vitrifiées, facilitant leur valorisation.
Unités en opération, procédés et principaux promoteurs
Bien qu’il n’existe encore en Amérique du Nord aucune unité commerciale de grande échelle traitant des RSM, une
quarantaine d’unités opèrent au Japon, véritable leader dans cette technologie, et en Europe sous l’influence de
législation visant à réduire la mise en décharge. Depuis le début des années 2000, on compte plusieurs nouveaux
projets dans les îles (Japon, Iles Vierges Américaines, Puerto Rico [7], Hawaii) où la question de l’espace occupé par
des décharges pose un problème majeur, ainsi que plusieurs projets pilotes et études d’évaluation dans les grandes
métropoles comme New York [8], Los Angeles [3] ou Toronto [4].
Au niveau des promoteurs, trois leaders se détachent en terme de commercialisation des procédés de gazéification
des RSM et comptent pour plus de 80 % de la cinquantaine d’unités en opération : Ebara (Suisse) et Nippon Steel
(Japon) avec des unités de gazéification conventionnelles sur lit fluidisé, toutes au Japon, parfois couplées à de la
pyrolyse et Interstate Waste Technology avec son procédé Thermoselect de GHT (couplage pyrolyse/gazéification).
Outre une réelle expérience opérationnelle, ces entreprises ont développé des partenariats clefs pour valoriser leurs
sous-produits. Cette expérience à grande échelle permet de dire que la technologie est éprouvée pour ces deux
procédés. Par contre, pour la gazéification à torche à plasma, on ne compte que deux unités de grande échelle dans
le monde et la technologie est encore peu éprouvée.
5
Principaux fournisseurs et technologies en opération
Procédé / Entreprise
Tech Unités commerciales en opération
Thermoselect
Interstate Waste
Technology (USA)
GHT
Karlsruhe (1999), Allemagne : 225 000 t/an de RSM, produisant 35-70MW d’électricité.
7 unités au Japon dont :
Chiba (1999), Japon : 100 000 t/an RSM, produisant du syngaz (valorisé à 80 % en aciérie)
et 1,5 MW en électricité.
Mutsu (2003), Japon : 50 000 t/an RSM.
Projets en développement : unité de très grande capacité à Caguas (Puerto Rico) / début
des opérations projeté pour 2010 et devant traiter près de 1 000 000 t/an, ce qui en ferait la
plus grande au monde.
Nippon Steel (Japon)
GLF
+ de 25 unités au Japon, traitant entre 30 000 et 280 000 t/an. Procédé avec le plus
d’opérations dans le monde. Procédé peu diffusé hors Japon.
Ebara Twinrec (Suisse)
GLF
12 unités (plusieurs projets en cours) au Japon, traitant entre 8000 et 180 000 t/an.
Envirotherm SVZ Lurgi-British Gas (R-U)
GLF
Allemagne 250 000 t/an de RSM mélangés à du charbon pour conversion en syngaz
ensuite convertis en méthanol et en électricité.
Hitachi Metals (Japon)
Westinghouse Plasma
(E-U)
GTP
EcoValley Plant Utashinai (2002), Japon : 100 000 t/an de RSM et/ou résidus déchiquetage
automobile. Production d’électricité de 7,9 MW (consommation de 3.8 MW par le procédé +
production nette 4,1 MW).
Enel-Solena (Italie)
GTP
Rome (2004), Italie : 120 000 t/an RSM.
Sources : CMQ, 2004 [9], AES, 2004 [10] et URS, 2005 [3]
Plusieurs promoteurs de la gazéification industrielle commencent à se tourner vers la gazéification de RSM comme
Primenergy (É-U). Deux entreprises canadiennes ont lancé des projets pilotes au Canada et à l’étranger.
6
Autres projets de gazéification des résidus solides municipaux
Procédé /
#
Sites d’opérations de procédé de gazéification
entreprise
Biosyn –
Enerkem Tech.
Inc. (Canada,
Québec)
GLF
-
-
2 usines en Espagne avec la technologie Byosin.
20 000 t/an de plastiques résiduels / prod. 7 MW d’électricité.
Projet semi-commercial à Londres de 100 000 t/an.
Unité de démonstration de Sherbrooke : opérant depuis 2002 au travers d’un partenariat avec
la Ville de Sherbrooke. Il s’agit d’un investissement de 1,2 million $ qui impliquait la conception et
la construction d’une usine pilote capable de transformer quotidiennement 2,5 t/j de matières
résiduelles en syngaz. La Ville fournit les matières résiduelles et l’usine est financée par les
gouvernements fédéral et provincial, par Enerkem et la Société québécoise d’initiatives
pétrolières (SOQUIP).
Usine de démonstration de taille commerciale à Edmonton (première en Amérique du
Nord)
Technologie retenue en 2006 pour le traitement de 100 000 t de matières résiduelles municipales
bioséchées, sur le site du Edmonton Waste Management Center. Projet de 87M $, cette usine
devrait produire de 10 à 12 MW d’électricité et 12 MW additionnels de chaleur utilisable pour le
séchage des bio-solides. Avec les infrastructures de transfert et le processus au complet, ce
processus dépassera les 100 M $. Cette usine fera l’objet de R&D poussée notamment pour la
production de sous-produits à plus haute valeur ajoutée (méthanol / hydrogène). Ce projet est
co-financé par la Ville d’Edmonton, AERI et le développeur-opérateur EPCOR. Le Edmonton
Waste Management Centre of Excellence coordonnera la R&D. Ce projet a également reçu le
financement de la Fédération canadienne des municipalités (FCM), de Ressources naturelles
Canada et du Alberta Energy Research Institute (AERI).
Plasco Energy
(Canada)
GTP
-
Autres firmes /
gazéification des
RSM
GTP
Integrated Environmental Technologies, É-U ; Phoenix Solutions, É-U; Pyrogenesis, Canada ;
Advanced Plasma Power (APP), R-U.
Eneco (Canada) / CORE- Technology.
GLF
Deux projets pilotes en Espagne, à Barcelone et Castellgali
Usine pilote d’Ottawa
Projet visant à traiter près de 36 000 t/an de RSM (85 t/j) afin de produire 5 MW, dont 1 MW
utilisé pour les opérations et 4 MW revendus à Hydro Ottawa (équivalent 3600 maisons).
Financée en partie par Technologies du développement durable Canada (TDDC), elle fait l’objet
d’un partenariat avec la Ville d’Ottawa dans le cadre du projet « Partnership for a Zero-Waste
Ottawa ». Devant être mise en service en mai 2007, l’usine devrait opérer pendant deux ans
pour mener des tests indépendants afin d’évaluer la performance environnementale de l’unité.
Coûts d’implantation
Les prix varient d’un promoteur à l’autre. La taille de l'unité, la capacité de traitement, la nature des matières à traiter
et le mode de valorisation énergétique du gaz choisi déterminent le coût d'achat et d'installation d'un système de
gazéification. Des économies d’échelles peuvent être réalisées avec une installation de plus grande capacité,
cependant le fait de réaliser plusieurs petites unités au lieu d’une très grande peut réduire le transport des RSM et les
problèmes de transmission au réseau électrique [11].
7
Dans son étude de 2004 [8], la Ville de New York estime, en se basant sur les offres des promoteurs retenues en
présélection, les coûts de la gazéification dans les mêmes gammes de prix que la pyrolyse : de 25 à 85 M $ pour une
unité de 50 000 t/an et de 50 à 170 M $ pour une installation de 100 000 t. Selon Enerkem, pour une unité de
production de 5 à 10 MW, les coûts (2002) varient entre 2500 $ et 3000 $ par kW installé, en incluant le couplage
avec le système de distribution électrique.
Coûts d’opération
La valeur de la revente d’électricité ou du biocarburant a un grand impact sur le prix de revient. Selon l’étude de la
Ville de New York [8], le coût total est de 70 à 160 $/t pour des installations de 20 000 à 200 000 tonnes et plus par
an, considérant un prix de rachat de l’électricité entre 62 $ et 74 $ / MWh et le coût d’élimination des résidus en
enfouissement. Les coûts totaux donnés par les promoteurs sélectionnés comprennent le coût d’amortissement de
l’investissement sur 15 et 20 ans, les coûts d’opération et les recettes de vente. Selon Enerkem, l'exploitation d’une
unité de production de 5 à 10 MW, fonctionnant 8000 h par an, nécessite une équipe de 8 à 12 personnes selon le
niveau d'automatisation. Les coûts liés au fonctionnement de l'unité se situent entre 0,025 $ et 0,035 $ par kW
d’électricité produit.
La gazéification au plasma est généralement considérée dans la littérature comme étant légèrement moins coûteuse
que l’incinération conventionnelle. Toutefois, cette évaluation est très dépendante des conditions locales de chaque
projet. Par contre, les coûts d’opération sont plus élevés que les autres procédés à cause des températures plus
élevées et l’opération de la torche au plasma vient réduire la production nette d’électricité [9]. Dans son offre à la Ville
d’Ottawa, Plasco Energy en se basant sur un prix de revente de l’énergie de 11 cents / kWh et des montants encore
plus élevés lors des périodes de pointe, fixe les coûts pour la Ville à 50 $/t pour la première usine de taille
commerciale (200 t/j) et entre 55 et 65 $/t pour les usines suivantes. Si ce site pilote fonctionne tel que planifié et que
des usines commerciales sont construites aux États-Unis, Ottawa pourrait recevoir jusqu’à 35 M $ en redevances sur
les 10 prochaines années pour avoir permis à Plasco d’y tester la technologie [11].
3. Pour poursuivre la recherche…
Comment s’y retrouver pour chercher de l’information?
L’information disponible sur la gazéification est de plus en plus abondante grâce à la diffusion croissante des
technologies et à l’information fournie par les promoteurs mais aussi grâce aux différents appels d’offres et études
d’évaluation menés par plusieurs grandes villes qui ont étudié la gazéification comme technologie de traitement en
alternative à l’enfouissement (New York, Los Angeles, San Francisco, Toronto, etc.).
Termes français
ƒ
ƒ
ƒ
Termes anglais
Gazéification sur lit fluidisé (GLF)
Gazéification par torche à plasma (GTP)
Gazéification haute température (GHT)
ƒ
ƒ
8
Conventional Gasification-Fluid Bed
Plasma Arc Gasification
Sites Internet des principaux promoteurs :
http://www.interstatewastetechnologies.com/tech_dev.htm
http://www.nsc.co.jp/shinnihon_english/ (Nippon Steel)
http://www.ebara.ch/_en_/products___services.php?n=1 (Ebara)
http://www.westinghouse-plasma.com/
http://www.solenagroup.com/html/tech/tech.asp
http://www.enerkem.com/
http://www.plascoenergygroup.com/
4. Références utilisées
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
JENKINS, S.D. Conversion technologies, A new alternative for MSW management,
http://www.earthscan.co.uk/news/article/mps/uan/519/v/5/sp/ (page consultée le 25 avril 2007).
CONSULTANTS S.M. INC. (février 2007). Analyse comparative des technologies de traitement des matières
résiduelles pour la MRC du Haut Saint François, 60 p.
http://www.mrchsf.com/consultation/analyse_fiches_sm_fev2007.pdf.
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Evaluation of Alternative Solid Waste Processing Technologies, 40 p. www.lacity.org/SAN/alternativetechnologies-summary-report.pdf.
MAC VIRO (30 mai 2006). Evaluation of “Alternatives to” and Identification of the Preferred Residuals
Processing System, Durham/York Residual Waste Study, 93 p.
http://www.durhamyorkwaste.ca/processing_system.php.
WILLIAMS, R.B., JENKINS, B. J., AND NGUYEN, (2003). Solid Waste Conversion- A review and database
of current and emerging technologies: Final Report for California Integrated Waste Management Board,
CIWMB interagency agreement IWM-C0172, 129 p. http://biomass.ucdavis.edu/pages/reports/ConversionPhaseI_IWM-C0172.pdf.
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http://www.cpia.ca/files/files/files_files_gasification_aug03.pdf
CIEMADES (2006). Caguas Waste to Energy Overview,
http://ciemades.suagm.edu/ppt/Nov.%203/Mark%20Augenblick,%20Caribe%20Waste.pdf.
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Prepared for: New York City Economic Development Corporation and New York City Department of
Sanitation, p. http://www.nyc.gov/html/dsny/downloads/pdf/guides/swmp/swmp-4oct/appendix-f.pdf.
COMMUNAUTÉ MÉTROPOLITAINE DE QUÉBEC RIVE-NORD (Décembre 2004). Plan de gestion des
matières résiduelles - Annexe C - Étude sommaire des technologies de gestion des matières résiduelles, 24
p. http://www.ville.quebec.qc.ca/fr/document/pgmr_annexe_c.pdf.
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www.alamedapt.com/newsroom/reports/gasification.pdf.
PATRICK DARE. Gasification waste plan surpasses standards: Bryden,
http://www.canada.com/ottawacitizen/news/local/story.html?id=052ec9c2-668a-4852-b427513b9275bdc6&k=0 (page consultée le 30/04/2007).
9