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.