Optimisation environnementale de la production de vecteurs énergétiques à partir de matières résiduelles dans un contexte d'économie circulaire

L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle de valorisation énergétique de matières résiduelles flexible et sensible à la matière entrante, prenant en compte la performance technologique et les impacts environnementaux potentiels, en vue d'une optimisation menant à un choix technologique. Le développement de ce modèle est réalisé au sein des outils développés par la Chaire de Recherche sur la Valorisation des Matières Résiduelles (CRVMR) et notamment au sein de l'outil VMR-Sys, permettant de prédire les performances techniques des technologies de traitement, ainsi que l'outil VMR-Imp, par la prédiction de leur performance environnementale. Ces modèles sont ensuite utilisés par l'outil d'optimisation MaRCOT (Materials Recovery & Choice of Technologies) permettant la réalisation d'un choix technologique en fonction de l'objectif, des contraintes spécifiées, ainsi que de la matière à traiter par le système. Pour ce faire, les modèles décrivant l'incinération de matières résiduelles ont été évalués afin d'identifier les approches de modélisation pertinentes. Cette évaluation permet alors de mettre en évidence les mécanismes à réutiliser dans le développement du modèle d'incinération ainsi que ceux à affiner, servant également de point de départ pour le développement du modèle de gazéification. Afin d'apporter de la modularité, les technologies ont été décomposées en étapes, et chaque étape a été modélisée individuellement et indépendamment, permettant une paramétrisation et une prise en compte accrue de la sensibilité à la matière alimentée et à l'évolution de la composition de la matière au sein du système. Les modèles d'incinération et de gazéification développés permettent ainsi de prendre en compte l'influence de la matière traitée sur l'efficacité de production des co-produits, notamment l'énergie générée, l'influence de la matière traitée sur les émissions directes à l'air et à l'eau ainsi que la prise en compte des impacts potentiels sur tout le cycle de vie par intégration de l'impact de production des intrants et les impacts évités par substitution des co-produits générés, obtenus grâce à l'utilisation de la base de données ACV ecoinvent pour la description des procédés en arrière-plan. Les modèles ont alors été comparés entre eux afin d'évaluer les performances technologiques et environnementales de l'incinération et de la gazéification pour le traitement d'une même matière. L'influence de la composition de la matière traitée sur ces performances a ensuite été étudiée.

Abstract

The objective of this research is to develop a flexible model of energy recovery from MSW, sensitive to the composition of the input waste, considering technological performance and potential environmental impacts, to conduct an optimization leading to a technological choice. The models developed are part of the framework developed within the Chaire de Recherche sur la Valorisation des Matières Résiduelles (CRVMR) and particularly of the VMR-Sys tool, predicting technical performances of treatment technologies, and the VMR-Imp tool, predicting their environmental performance. Theses models are then used by the optimization tool MaRCOT (Materials Recovery & Choice of Technologies) allowing for a technological choice based on the optimization objective, the specified constraints and the composition of the MSW to be treated by the system. To complete this objective, models for the incineration of waste were evaluated in order to identify modeling approaches to reuse and mechanisms to represent differently while developing the models. The evaluation of incineration models is also the foundation for the development of the gasification environmental modelling. To be able to incorporate modularity, technologies were decomposed in a series of steps, each one modelized individually and independently, allowing an enhanced parameterization and the inclusion of the effect of waste composition on the step's performances. The incineration and gasification models developed allow the quantification of the production of co-products, especially the energy output, and the quantification of the emissions to air and water based on the composition of waste. The potential impacts on the whole life cycle are also integrated by considering the impact of the former production of inputs materials used in the system and substituting generated co-products, linking the LCA database ecoinvent for representation of the background system. Models were then compared to evaluate technological and environmental performances of incineration and gasification during the treatment of the same waste. The influence of waste composition on theses performances were then studied. Results confirmed the importance of the local context of the study on the environmental performances of the systems represented.