Conception de la chaîne logistique des bioraffineries forestières intégrées et vertes

L'industrie forestière canadienne est un puissant moteur qui contribue au développement économique et social du pays. Cependant, depuis quelques années, cette industrie et principalement celle des pâtes et papiers (P&P) opère dans un contexte économique difficile qui est dû entre autres à la faible demande pour les produits papetiers de base, à la concurrence étrangère et la diminution du dollar canadien par rapport au dollar américain. Identifier de nouvelles gammes de produits pour enrichir celle existante semble être une solution intéressante pour l'industrie canadienne de P&P afin de surmonter cette crise et de demeurer compétitive. D'autre part, plusieurs milliards de tonnes de combustibles fossiles sont consommées annuellement dans le monde. L'utilisation de ces sources d'énergie est la cause principale de plusieurs problèmes environnementaux notamment les pluies acides et l'augmentation de la concentration du dioxyde de carbone dans l'atmosphère [1, 2]. D'autres facteurs tels que la hausse des prix de ces réserves d'énergies et l'incertitude quant à leur disponibilité à long terme ont encouragé le développement des produits renouvelables. La conversion de la biomasse en bioproduits à valeur ajoutée et à faible empreinte de carbone dans un contexte de bioraffinerie forestière intégrée et verte (BRFIV) semble être une solution prometteuse pour remédier à l'ensemble des problèmes cités. Le concept de la BRFIV peut être défini comme un complexe industriel intégré, composé d'une usine de P&P et d'une unité de bioraffinage. Cette dernière est capable de transformer la biomasse lignocellulosique en une grande variété de produits, générant ainsi des profits pour l'ensemble de la BRFIV et éliminant l'utilisation de l'énergie fossile. Plusieurs procédés de conversion biochimiques et thermochimiques peuvent être implantés dans l'unité de bioraffinage forestier à savoir la fermentation, la pyrolyse ou la gazéification. Bien que les bioraffineries biochimiques de première génération prennent de plus en plus d'ampleur, les bioraffineries de deuxième génération, notamment les bioraffineries de gazéification n'ont pas encore vu le jour. Ceci est dû principalement au coût élevé du procédé de gazéification, sa complexité et son degré de maturité. Toutefois, cette technologie est capable d'annuler la dépendance des industries papetières aux énergies fossiles, de proposer une panoplie de bioproduits et reste flexible par rapport à la matière première utilisée. L'intégration des bioraffineries de gazéification dans des usines de pâtes et papiers canadiennes pourrait alors assurer la compétitivité de ces dernières et en même temps diminuer les impacts environnementaux associés à l'implémentation de ce complexe. Toutefois, la configuration de la chaîne logistique des bioraffineries de gazéification intégrées n'est pas encore établie au Canada. En effet, étant donné qu'il est possible d'utiliser diverses matières premières, de générer une variété de bioproduits et d'alimenter plusieurs industries pétrochimiques, chaque maillon de la chaîne de valeur doit être défini et optimisé ainsi que la chaîne entière afin de garantir la viabilité économique et environnementale du complexe. De plus, le choix des usines de P&P canadiennes favorables pour une transformation en BRFIV doit être déterminé en tenant compte de la disponibilité de la matière première ainsi que de leurs emplacements par rapport aux industries chimiques. L'objectif de cette thèse s'insère dans ce contexte. Il s'agit de contribuer au développement des bioraffineries forestières intégrées et vertes à travers la conception optimale de la chaîne logistique de la bioraffinerie de gazéification intégrée aux usines de P&P. En d'autres termes, il s'agit de conduire au développement d'outils d'aide à la décision intégrant des indicateurs économiques et environnementaux pour déterminer les emplacements optimaux des bioraffineries intégrées aux usines papetières, le choix de la source de biomasse et de la méthode de récupération correspondante, le choix du bioproduit à générer, les capacités optimales des unités de bioraffinage, le réseau de distribution optimal ainsi que les flux de matières échangés entre les unités de la BRFIV. Le but est de maximiser la rentabilité économique ainsi que la viabilité environnementale des BRFIV. Les critères de décision considérés sont les coûts totaux de production, les émissions de gaz à effet de serre ainsi que la consommation évitée des ressources fossiles. L'outil d'aide à la décision est basé sur des modèles mathématiques de planification stratégique et tactique et intègre des indicateurs environnementaux calculés à partir d'analyse de cycle de vie de scenarios de chaîne logistique. Il a été appliqué à deux études de cas comparant les provinces de l'est et de l'ouest du Canada et deux types de bioraffineries de gazéification à savoir les bioraffineries de production du méthanol et du diesel Fischer-Tropsch. Les résultats ont permis de mettre en avant les alternatives et les scenarios de chaîne logistique les plus intéressants et ceux à écarter aussi bien au niveau économique qu'au niveau environnemental. Ils ont démontrés également que le Canada a le potentiel de générer de la gazoline contenant jusqu'à 10 % en volume de méthanol produit à partir de biomasse forestière. Une teneur en carburant renouvelable de 4 %, basée sur le volume de carburant diesel pourrait être entièrement satisfaite dans l'ouest du Canada en exploitant la biomasse accessible dans un rayon de 150 km des usines de pâtes existantes.

Abstract

The Canadian forest industry has been for a long time a significant contributor to the economic and social development of the country. However, during the last two decades, the forest sector, and mainly the Pulp and Paper (P&P) industry, has been operating in a challenging economic environment, due in part to the declining market demand for traditional paper products, the price competition and the Canadian dollar weakness against its American counterpart. Identifying new products to enlarge the existing platform has appeared to be a promising opportunity for the Canadian P&P industry to overcome this crisis and remain competitive. On the other hand, several billion tons of fossil fuels are consumed annually in the world. The use of these resources is the main cause of several environmental problems, namely the acid rain and the increase of the carbon dioxide concentration in the atmosphere [1, 2]. Other factors such as the uncertainties concerning fossil fuels availability and prices have encouraged the development of bioproducts. Biomass conversion into bioproducts with low carbon footprint in the context of the Green Integrated Forest Biorefinery (GIFBR) could be a promising contribution to climate change, dependence on fossil resources, and P&P mills profit grow. The GIFBR concept can be defined as an integrated industrial complex, composed of a P&P receptor mill and a biorefinery unit for the production of wide range of bioproducts. The transition of the P&P mill to a GIFBR generates new profit streams and eliminates the use of fossil fuels resources. A range of biochemical and thermochemical conversion processes can be deployed in the biorefinery unit, including fermentation, pyrolysis or gasification. First generation biorefineries that are built around biochemical conversion technologies are extensively explored. However, second generation biorefineries based on thermochemical processes, such as gasification based-biorefineries, are under development due to the high cost and complexity of the process in addition to its low level of maturity. Nonetheless, gasification is a flexible technology regarding feedstock type and provides a wide range of bioproducts alternatives combined with the subsequent syngas conversion pathways. The integration of gasification based-biorefineries in the P&P mills could ensure nil fossil fuels consumption and an economic viability of the GIFBR complex. However, the optimal configuration of the GIFBR supply chain is not yet established in Canada. Since it is possible to use various raw materials, to generate a variety of bioproducts and to feed several petrochemical industries, each link of the value chain must be defined and optimized as well as the entire chain in order to ensure the economic and environmental viability of the GIFBR complex. In addition, the potential sites for biorefining activities must be identified taking into account the location of the P&P mills and the availability of biomass feedstocks. The purpose of this thesis is to contribute to the development of the GIFBR concept through the design of the optimal supply chain related to the gasification-based GIFBR. The ultimate goal is to develop decision-making tools, based on strategic and tactical models, that integrate economic and environmental indicators to determine the optimal biomass feedstock type and the corresponding biomass treatment methods, the location and capacity of the GIFBR, the choice of the bioproduct to be generated and the flows of feedstocks and biofuels between biomass procurement sites, GIFBR and demand industries (petroleum refineries). The production cost is selected to be the quantitative measure of the economic objective while the environmental performance of the GIFBR supply chain is evaluated with respect to greenhouse gases emissions and fossil fuel consumption based on the life cycle analysis. The applicability of the proposed model is illustrated through two case studies representing the Eastern and Western Canada and involving two biofuels alternatives, namely methanol and F-T diesel. The results allow to select the most interesting alternatives and supply chain scenarios from economical and environmental perspectives. They show that, by valorizing forest biomass within a radius of 150 km from the GIFBR, Canada has the potential to synthesis gasoline containing up to 10 % biomethanol. However, only Western Canada could produce diesel with 4% renewable content which exceed the blend mandate fixed by the federal government (2% renewable content).