Techno-Economic Analysis of a Decentralized Polygeneration System

En plein cœur de la crise climatique, des solutions efficaces sont nécessaires pour décarboner la société. Les systèmes énergétiques décentralisés de petite taille permettent l’usage de ressources locales pour répondre aux besoins de la communauté et de l’industrie. Antar et Robert ont publié une étude thermochimique sur un petit système de polygénération fonctionnant à base de biomasse résiduelle lignocellulosique (copeaux de bois) et produisant de l’électricité, du méthanol, de l’hydrogène et un flux de dioxyde de carbone quasi-pur. L’aspect techno-économique d’un tel système doit être exploré pour qu’il passe un jour de la théorie à la réalité. Cet aspect est évalué ici par une étude techno-économique de l’implantation du système dans une serre du sud du Québec. L’investissement en capital fixe, les dépenses opérationnelles, la valeur actualisée nette (VAN), entre-autres, sont calculées. Une comparaison est faite avec une solution de référence basée sur la combustion simple de biomasse résiduelle pour une durée de vie de 15 ans ; chaque système ayant à répondre aux besoins en chaleur de la serre. Le prix des copeaux de bois est considéré à 100 CAD/TMA (tonne métrique anhydre), équivalent à 66,67 CAD par tonne de biomasse contenant 45% d’humidité. Trois scénarios de marché sont considérés pour les prix de vente de l’électricité, du méthanol et de l’hydrogène : un scénario pessimiste, de base et optimiste ; menant à l’évaluation de 27 scénarios. Le flux de CO2 produit par le système de polygénération est considéré suffisamment pur pour l’injection directe aux fins d’enrichissement de l’atmosphère de la serre. Cinq puissances de chauffage équivalentes sont testées pour les deux types de système dans le scénario de marché de base avec, au besoin, un système de chauffage auxiliaire pour couvrir les pointes de demande. Pour tous les autres scénarios, seule la configuration la plus prometteuse dans le marché de base du système de polygénération est évaluée. Le calcul de l’investissement nécessaire en capital est réalisé en se basant sur les données de coût obtenues dans la littérature et sur l’information provenant du modèle thermochimique du système, réalisé à l’aide de l’outil Aspen Plus. Le système de polygénération peut fonctionner dans quatre modes différents, qui visent chacun la maximisation de la production de l’électricité, du méthanol, de l’hydrogène ou de la chaleur, respectivement. L’optimisation de la performance annuelle des deux types de système est faite en implémentant un programme d’optimisation linéaire mixte à l’aide du langage de modélisation Pyomo et du solveur SCIP. La demande en chaleur est obtenue d’une simulation TRNSYS d’une serre de taille moyenne (20 000 m²) située à proximité de Montréal, Québec. L’optimisation est accomplie pour une durée d’un an en utilisant des pas de temps de 15 minutes. Des cinq configurations du système de polygénération, c’est la plus puissante (8000 kW) qui offre les meilleurs résultats économiques en termes de revenus annuels et de valeur nette actualisée cumulative. En ce qui concerne le système basé sur la combustion, c’est le quatrième plus puissant (5200 kW) qui offre les meilleurs résultats. La performance économique du système de polygénération est majoritairement dictée par le prix de l’hydrogène. Dans le scénario pessimiste du prix de l’hydrogène, seul un sous-scénario (prix optimiste de l’électricité et du méthanol) génère une VAN cumulative positive. Cependant 7 des 9 sous-scénarios présentent une VAN cumulative semblable ou supérieure au système basé sur la combustion. En tout, 19 des 27 scénarios de marché génèrent une VAN cumulative positive. Dans les scénarios de base et optimiste du prix de l’hydrogène, les valeurs de VAN cumulative vont d’environ 15 MCAD à 40 MCAD. La profitabilité du système dépend considérablement de l’évolution future des marchés de l’hydrogène et du méthanol verts. L’adoption généralisée de ces biocarburants en tant que vecteurs énergétiques favoriserait l’implémentation de systèmes similaire à celui développé par Antar et Robert. Si la taxe sur le carbone augmente, le reste du flux de CO2 pourrait être capturé, ce qui a le potentiel de rendre les émissions de carbone du système négatives et d’accroître du même coup les revenus générés. Les serres et autres industries utilisant plusieurs types d’énergie pourraient profiter d’une valorisation locale des ressources en biomasse. Une autonomie accrue, une résilience augmentée face aux prix du marché et le contournement des difficultés reliées aux chaînes d’approvisionnement sont tous des avantages apportés par un système de polygénération. Les communautés isolées pourraient également réduire leur dépendance aux ressources importées en adoptant ce genre de système. Enfin, des applications de chauffage et de production d’énergie communautaire sont à considérer pour de futures études.