Sustainability Assessment of the Hot Water Extraction Biorefinery Process Using a Phased Implementation Approach

L'industrie canadienne des pâtes et papiers (P&P) est confrontée à une concurrence mondiale sans précédent. Ceci l'oblige à développer des solutions innovantes pour maintenir sa compétitivité. dans un contexte où les préoccupations environnementales sont grandissantes, en particulier celle du réchauffement climatique et celle de la consommation des ressources fossiles, qui ont mené à l'établissement de réglementations environnementales plus strictes. Le concept de bioraffinage est de plus en plus considéré comme une solution prometteuse pour améliorer la rentabilité et la performance environnementale des usines de P&P ainsi que pour soutenir la transformation du modèle d'affaire des compagnies forestières. La rétro-installation d'un procédé de bioraffinage dans une usine existante présente de nombreux défis dus à l'incertitude dans la conception de procédé, la mise à l'échelle de technologies émergentes, le choix des matières premières, le choix de la technologie de conversion, la performance des bioproduits en adéquation avec les besoins du marché ciblé, les problèmes potentiels d'intégration avec les procédés existants, le manque de capitaux et le financement. Ces incertitudes engendrent de nombreux risques commerciaux et technologiques. Des stratégies d'implantation incrémentale basées sur une approche systématique par phase peuvent être suivies pour atténuer les risques associés aux projets de transformation en bioraffinerie. Les projets de bioraffinerie ont l'objectif de développer des produits et de l'énergie provenant de sources renouvelables. L'identification de la stratégie la plus durable est donc critique pour la mise en œuvre réussie des projets de bioraffinerie. L'évaluation de la durabilité d'une stratégie de bioraffinage peut être faite en considérant les facteurs les plus importants identifiés par une analyse systématique. Une stratégie de bioraffinage peut être considérée comme durable lorsqu'elle apporte de la rentabilité, de la performance environnementale, de la compétitivité à long terme et qu'elle présente des mesures d'atténuation des risques technologiques et de marché. L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre une méthodologie pratique et systématique pour l'évaluation des stratégies d'implantation du bioraffinage basé sur l'extraction à l'eau chaude (HWE) des hémicelluloses, considérant la durabilité et le potentiel de réduction des risques commerciaux et technologiques. La méthodologie est validée en utilisant une étude de cas impliquant l'intégration à une usine existante d'un procédé de bioraffinage basé sur HWE. Les procédés considérés incluent l'extraction des hémicelluloses et son traitement ultérieur selon différentes applications: production de biogaz, production d'hémicelluloses pour l'alimentation animale, production d'hémicelluloses pour la fabrication d'un sucre à cinq carbones (sucre C5), production d'un sucre C5 et production de furfural. Le sel d'acétate est coproduit dans toutes les options de traitement à l'exclusion du celle pour le biogaz. Suite à l'identification des couples procédé/produit prometteurs, des scénarios d'implantation par phase sont définis pour atténuer les risques financiers, commerciaux et technologiques. Ensuite, les outils d'ingénierie des systèmes sont utilisés pour évaluer la performance en durabilité des options de procédé et de leurs scénarios d'implantation par phase à court et à long terme. Finalement, les résultats économiques, environnementaux et d'analyse des risques sont analysés ensembles afin d'identifier la stratégie de bioraffinage HWE la plus durable. Les résultats de l'analyse économique ont prouvé que sans subvention du gouvernement aucune des options de bioraffinage HWE ne semble économiquement prometteuse, sauf celle produisant le sucre C5 qui obtient un taux de retour interne (TRI) de 25%. Néanmoins, considérant l'évaluation préliminaire des risques, les risques associés à cette option ont été identifiés comme étant relativement élevés. En incluant les subventions, les résultats économiques sont radicalement changés et toutes les options de bioraffinage définies ont montré une rentabilité attrayante - à l'exclusion du biogaz. Il a été montré que le TRI est particulièrement sensible à l'inclusion des subventions, en particulier dans le cas des stratégies à faible coût en capital. Considérant les résultats de l'analyse des scénarios d'implantation, il a été prouvé que la stratégie implantée en deux phases (Phase I : sirop d'hémicelluloses pour fabrication de sucre C5 et sel d'acétate, Phase II : sucres C5 et sel d'acétate) présente une meilleure atténuation des risques que les stratégies implantées en une seule phase directement. En ce qui concerne l'analyse des impacts environnementaux (analyse de cycle de vie conséquencielle "du berceau à la porte"), l'écorce, les produits chimiques et le transport des produits ont été identifiés comme étant les principales sources d'impacts. Les options de bioraffinage, y compris le sirop d'hémicelluloses pour les sucres C5 et les sucres C5 présentent respectivement des réductions des gaz à effet de serre (GES) de 80 % et 68 %. En outre, les résultats montrent une amélioration considérable de la performance (plus de trois fois) dans la catégorie d'impact sur la santé humaine. En raison de la cohérence entre les résultats économiques, environnementaux et d'analyse des risques, l'identification de la stratégie la plus durable est simple. La coproduction du sel d'acétate et d'hémicellulose pour la fabrication de sucre C5 en phase I suivi par la coproduction du sel d'acétate et du sucre C5 en phase II, apparaît comme étant la stratégie de bioraffinage la plus prometteuse et durable.

Abstract

Canadian pulp and paper (P&P) industry has encountered the challenge of an ever-growing level of global competition in the product market. This in turn implies the necessity for innovative solutions for the P&P industry to maintain its competitive position. In addition, P&P companies have faced further restrictions due to the existence of strict environmental regulations; increase of environmental concerns regarding the global warming and limitations in the fossil-based resources. Biorefining is increasingly considered as an alternative solution for enhancing P&P mill's profitability, improving their environmental performance and facilitating their market transformation. Retrofitting a biorefinery process into an existing mill introduces numerous challenges due to uncertainties in process design and scale-up, various types of feedstock, different biorefinery conversion technologies, bioproduct properties and market position, potential problems in the mill's process due to biorefinery integration and lack of capital and financing. These uncertainties result in several market and technology risks. Strategies such as incremental implementation of the biorefinery processes based on a systematic phased approach can be followed for mitigating the risks associated with biorefinery projects. In addition, the main objective of implementing a biorefinery project is to develop sustainable sources of renewable energy and products. Therefore, identification of the most sustainable strategy plays a significant role in the successful implementation of biorefinery projects. Several indicators can be defined for the sustainability evaluation of biorefinery processes, but a systematic analysis can help identifying the most important factors to consider. A sustainable biorefinery implementation strategy is the one that provides profitability and long-term competitiveness, mitigates market and technology risks in a proper manner and presents remarkable environmental performance. The objective of this thesis is to apply a systematic and practical methodology for evaluating the hot water extraction-based (HWE) biorefinery implementation strategy, using a perspective of sustainability and assessing the potential for technology and market risk mitigation. The methodology is demonstrated by using a case study that involves the integration of HWE pretreatment process into an existing P&P mill. The biorefinery process includes hemicellulose extraction and its further processing for different applications including biogas, hemicellulose for animal feed, hemicellulose for C5-sugars, C5-sugars and furfural. Acetate salt is the by-product of all the process options excluding the biogas. Following the identification of feasible HWE-based process-product alternatives, phased approach scenarios are developed to mitigate the financial, market and technology risks. Then, systems engineering tools are employed to assess the economic, environmental and risk performance of the developed process options in short-term and long-term and to evaluate metrics for the sustainability evaluation. Finally the results of the analysis are interpreted and analyzed to identify the most sustainable HWE-based biorefinery process option. Results of the economic analysis proved that before the inclusion of government subsidy and except for C5-sugars option with the Internal Rate of Return (IRR) of 25%, none of the HWE-based biorefinery options looked economically promising. Nonetheless, according to a preliminary risk assessment, market and technology risks associated with C5-sugars option were identified to be relatively high. By including subsidy, the economic landscape changed drastically and all the defined biorefinery options, excluding biogas, showed considerable project profitability. It was realized that IRR was particularly sensitive to subsidy, specifically in the case of low capital cost process options. Considering the results of risk analysis, it was proved that the two-phase strategy, which aggregated the production of acetate salt and hemicellulose for C5-sugars in phase I and C5-sugars and acetate salt in phase II, had better risk mitigation performance, when compared with single-phase strategies. Regarding the environmental analysis (“Cradle-to-gate” consequential LCA), bark, chemicals and product transportation identified to be as main sources of impacts. Biorefinery options including hemicellulose for C5-sugars and C5-sugars presented GHG reduction of 80% and 68%, respectively. Also, these options proved a considerable improvement of more than three times in the human health impact category, relative to the existing processes at the mill. Due to the consistency between the economic, environmental and risk analysis results, identification of the sustainable process option is straight-forward. The two-phase option including acetate salt and hemicellulose for C5-sugars application in phase I and acetate salt and C5-sugar in phase II was identified to be the most promising and sustainable biorefinery process option.