LIFE10 ENV/BE/696 RAPPORT LAYMAN

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1 LIFE10 ENV/BE/696 RAPPORT LAYMAN Contacts AGC Glass Europe Christophe Boonaert Carmeuse Bernard Somerhausen

2 TABLE DES MATIERES 1. Introduction... 3 Défi environnemental... 3 Le projet... 3 Partenaires du projet... 4 Coordinateur AGC Glass Europe... 4 Partenaire Carmeuse R&T... 5 Partenaire Carmeuse Be La technologie... 6 Les industries du verre et de la chaux... 6 Procédés de production de verre et sources de CO Processus de production de chaux et sources de CO La capture de CO 2 et la production de biomasse Installation pilote de pré-validation Résultats du projet et analyse économique Transferabilité des résultats du project Localisation géographique du projet Rapport Layman 2

3 1. Introduction Défi environnemental La baisse récente des concentrations de gaz à effet de serre dans l atmosphère est principalement due aux activités humaines et est certainement responsable du phénomène de réchauffement climatique observé au cours des dernières années. Ce phénomène «anthropique» d effet de serre est principalement la conséquence des émissions de CO 2 : plus de 50% des émissions de gaz à effet de serre anthropiques sont des gaz carboniques contribuant à 75% de l'effet de serre d origine anthropique. Cette valeur est en hausse de 90%, en considérant seulement les émissions en provenance de l industrie. Les industries ont donc intérêt à considérer la réduction des émissions de CO 2 comme une priorité. Les procédés industriels (à l exception des industries de l énergie, de fabrication et de construction) représentent un des secteurs les plus responsables d émission de CO 2 (représentant 7% en Europe). Les combustibles fossiles (gaz, pétrole et charbon) représentent aujourd hui environ 80% de l énergie consumée en Europe. Mais, il s agit de ressources limitées et, sans modifier la manière dont nous les utilisons, nos réserves seront complètement épuisées en moins d'un siècle. Afin d éviter de problème et d assurer notre avenir, il est nécessaire de limiter de manière continue notre consommation d énergie fossile. Une des alternatives, soutenue fortement par l Union Européenne, est l augmentation de l utilisation des énergies renouvelables, comme l énergie solaire, l énergie éolienne ou la biomasse. De nos jours, ces énergies représentent environ 10,8% de l énergie totale consumée en Europe. La plus grande source d énergie renouvelable actuellement utilisée est la biomasse, avec une contribution de 62%. Les industries de la chaux et verre consomment des combustibles fossiles et produisent des quantités importantes de CO 2. Le projet Les objectifs du projet étaient doubles : réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation de combustibles fossiles liés à la production de verre et de chaux. Cet objectif aurait été atteint par la capture du CO 2 dans les gaz de combustion en utilisant des cultures de micro-algues, puis par le traitement de ces micro-algues pour extraire les biocarburants, pour être utilisé à nouveau dans le processus de produit afin de réduire la consommation de combustibles fossiles. Le projet visait donc à limiter l impact des activités industrielles sur le changement de climat. Le but éventuel était de démontrer qu il est possible de capturer 360 tonnes de CO 2 par an et par hectare de micro-algues, en produisant ainsi 200 tonnes de biomasse et en extrayant jusqu à 2460 GJ de biocarburant. Par ailleurs, cette technologie innovante aurait été démontrée dans deux industries représentatives : La production de verre : caractérisée par des gaz de combustion avec des concentrations faibles de CO 2 et des hautes températures de gaz, Rapport Layman 3

4 La production de chaux : caractérisée par des gaz de combustion avec des concentrations de CO 2 élévée et des températures faibles. Le CO 2 est directement utilisé par les algues dans le processus de photosynthèse, et la chaleur contenue dans les gaz est utilisée pour le contrôle thermique de la culture, maximisant ainsi l'avantage environnemental des pilotes. Par conséquent, la démonstration sur les deux processus de production serait de montrer la versatilité de la technologie. Partenaires du projet Coordinateur AGC Glass Europe AGC Glass Europe appartient à un des leaders mondiaux de producteurs de verre plat : AGC Glass. AGC Glass combine toutes les activités d AGC en production, procédés et distribution de verre plat. Les champs d activité d AGC Glass Europe sont : la construction, les industries solaires et automobiles avec une organisation orientée vers ces marchés spécifiques. Ses trois divisions «Primary Operations», «Building» et «Automotive» sont soutenues par sept départements transverses, que sont: «Technology & Innovation», «Supply Chain & Procurement», «Finance & IT», «HR & Communication», «Legal & CSR», «Public Affairs & Risk Management» et «the Strategy Office». La division Primary Operations produit et fournit du verre aux divisions «Building» et «Automotive». Elle produit également du verre brut de grandes dimensions (généralement 6x3,21 m) : verre enduit (en ligne ou en hors ligne), verre imprimé, verre feuilleté, verre et miroirs anti-feu. Les produits sont destinés à la transformation. Le traitement se fait soit en interne par les deux autres divisions, ou en externe par les clients eux-mêmes. La division «Building» vend et distribue le verre brut à l industrie de construction (vitrage de façade et de verre pour la décoration intérieure) et transforme le verre brut en produits finis de construction via ses usines de fabrication. Elle vend et commercialise également du verre pour les applications solaires: panneaux photovoltaïques, miroirs concentrateurs solaires (production d'électricité) et de panneaux solaires thermiques (production d'eau chaude). La division «Automotive» produit, vend et distribue une gamme complète de vitrage automobile (pare-brise, vitres latérales, pare-brise arrière, toits panoramiques) pour le marché OEM (Original Equipment Manufacturing) et pour le marché ARG (Automotive Replacement Glass). Ses unités AVO (Added Value Operations) ajoute un ou plusieurs composants au vitrage automobile OEM (raccords, des antennes, des capteurs de pluie...) tandis que l activité ARG exploite des centres de distribution et les stations de montage. La division fournit également des produits à forte valeur ajoutée ainsi qu un service dans le verre de transport pour le rail, maritime et des marchés spécifiques de véhicules. Le centre européen de R&D d'agc Glass Europe, basé à Jumet (Belgique), emploie environ 230 personnes qui travaillent en étroite collaboration avec les départements industriels du groupe. Rapport Layman 4

5 Partenaire Carmeuse R&T Le groupe Carmeuse est un des principaux leaders mondiaux de production de la chaux, avec 150 ans d expérience dans l extraction et la transformation de calcaire riche en calcium et la dolomite en chaux et en produits liés à la chaux pour les clients industriels et commerciaux (production d'acier, maçonnerie, mortiers et matériaux de construction, la construction de routes, la production de verre, de l'agro-alimentaire, papier, produits chimiques, matières plastiques, tapis, peintures, la pollution et le contrôle du gaz, le traitement de l'eau, etc.). Carmeuse R&T est le centre de Recherche et Développement du groupe Carmeuse. Le département R&T joue un rôle important dans le développement des fonctionnalités du produit ainsi que dans le contrôle des outils de production. Partenaire Carmeuse Be Carmeuse Be fait partie du groupe Carmeuse qui est le leader mondial dans la production de chaux, du calcaire riche en calcium ainsi que de la dolomite. Les produits liés à la chaux sont utilisés pour une vaste gamme d'applications (production d'acier, la maçonnerie, mortiers et matériaux de construction, la construction de routes, la production de verre, de l'agroalimentaire, papier, produits chimiques, matières plastiques, tapis, peintures, la pollution et le contrôle du gaz, le traitement de l'eau, etc). Fondé en 1860 dans la ville de Liège, Carmeuse est aujourd hui un leader dans la production et la fourniture de toutes les formes de calcaire et de ses dérivés, y compris de la chaux vive (oxyde de calcium), de la chaux éteinte (hydroxyde de calcium) et la dolomie (calcium et carbonate de magnésium) et est présent dans environ 90 localisations dans le monde. Carmeuse produit et distribue un très large éventail de types de calcaire. Rapport Layman 5

6 2. La technologie Les industries du verre et de la chaux Procédés de production de verre et sources de CO2 Le processus de production de verre plat est présenté en Figure 1 ci-dessous. Après la prise et le mélange des matières premières, le mélange est traité dans le four. Le four est composé de deux parties : la zone de fusion et la zone d affinage. Dans la zone de fusion les brûleurs assurent une température suffisante pour faire fondre les matériaux (au point le plus chaud : C est atteinte). Les brûleurs consomment la majeure partie de l'énergie utilisée dans le procédé de fabrication du verre. Dans la zone d'affinage, le verre est maintenu à température très élevée pour affiner la microstructure, ce qui permet aux bulles de gaz de s'échapper et d'assurer ainsi la haute qualité du verre. Après avoir traversé le four, le verre fondu est formé en plaques planes par des rouleaux (dans le cas de verre imprimé) ou dans un bain d'étain (dans le cas du verre flotté). Enfin, les feuilles sont lentement refroidies et coupées, et ensuite envoyées pour le stockage ou le transport. Dans ce projet, l'accent sera mis sur la capture des fumées provenant des fours, ainsi que sur la provision des biocarburants pour les alimenter. Figure 1: Ligne de production de verre plat 1 Dans le procédé de production, il y a deux sources principales de production de CO 2 : La combustion du combustible dans le four, La perte de matière au cours de la formation du verre. Selon les conditions, la quantité totale de CO 2 émise varie entre 400 et 800 kg/tonne de verre. Processus de production de chaux et sources de CO2 L ingrédient principal de la chaux est le calcaire, qui est un minéral naturel qui se produit sous forme de carbonate de calcium (CaCO 3) ou de dolomie (CaCO3.MgCO 3). Les deux types de chaux qui peuvent être formés sont respectivement la chaux vive (CaO) et la chaux dolomitique (CaO.MgO). 1 Adapted from Rapport Layman 6

7 Le calcaire est broyé et lavé, puis transformé en chaux dans un four à chaux. Plusieurs types de fours existent, comme par exemple les fours verticaux et les fours rotatifs. Le processus peut être illustré par un four à axe vertical (Figure 2 a), qui se compose de trois phases, où le matériau passe de haut en bas : Dans la zone de préchauffage, le calcaire est chauffé à environ 800 C, en réutilisant les gaz chauds provenant de la zone de calcination, Le processus principal se produit dans la zone de calcination. L'air préchauffé à partir de la zone de refroidissement est chauffé à environ C (en utilisant des combustibles solides, liquides, ou de combustible gazéifié). Le calcaire est décomposé en dioxyde de carbone et de la chaux (calcination), La chaux est refroidie par l'air de refroidissement dans la zone de refroidissement. Une version moderne d'un tel four utilise deux axes (voir Figure 2 b) qui sont interconnectés afin d augmenter le rendement thermique. Ce type de version est actuellement la meilleure technologie disponible, et est utilisée dans site de production de Carmeuse Be, à Aisemont. Figure 2: Les fours à chaux 2 En ce qui concerne la production de CO 2 lors de la formation de la chaux vive et de dolomie, il existe deux sources principales: La combustion du combustible dans le four produit environ 180 kg CO 2/tonne chaux, La conversion du calcaire en chaux génère environ 720 kg CO 2/tonne chaux (ce qui représente environ 80% du CO 2 total). 2 Rapport Layman 7

8 La capture de CO2 et la production de biomasse Le procédé mis au point dans ce projet est représenté en Figure 3. Figure 3: Illustration du procédé Après le traitement par l'équipement existant, les émanations du four de verre et de chaux sont introduites dans l'unité pilote. L'équipement en amont réduit la concentration de certains produits chimiques dans les gaz (principalement SOx) et capte l'excès de chaleur dans les gaz. Ce gaz est alors compatible avec la culture et peut être introduit dans les photobioréacteurs (PBR). La culture d'algues se compose d'une unité de production dans lequel un environnement contrôlé est créé en ajoutant du gaz, de l'eau et des éléments nutritifs., Des micro-algues se développent, par le processus de photosynthèse ; et, lorqu une concentration suffisante est atteinte, elles sont récoltées et introduites dans l'équipement en aval. L'équipement en aval sépare la biomasse de l'eau (jusqu'à une concentration de 100 à 200 g/l), qui est recyclé à la culture. L équipement délivre une suspension avec 15% de matériau sec pour l'équipement de production de carburant, qui extrait ensuite le gaz ou le liquide provenant de la biomasse (en fonction de l'application industrielle). Le biocarburant est finalement transporté vers les fours, où il est brûlé avec des combustibles fossiles et l'air. Figure 4: Photographie microscopique d une culture d algue Rapport Layman 8

9 3. Installation pilote de pré-validation Au démarrage du projet, les partenaires ont décidé de pré-valider la technologie sur une petite installation pilote de 150 m 2. Le but était double : Valider le choix de la souche d'algues et la potentielle production, Obtenir des données pour permettre une meilleure définition de chaque étape du processus. L installation pilote a été mise à place à Roux entre Mars et Avril L'image ci-dessous présente l installation pilote près du four. Figure 5: Photographie de l installation pilote de 150 m 2 pour évaluation et validation de l équipement Le but était de valider la technologie et de l étendre par la suite à une installation pilote de 1 ha (Figure 6), constitué de 9 unités de production indépendantes et d une unité centrale de traitement. Rapport Layman 9

10 Figure 6: Présentation globale de l installation pilote (1 ha) Par ailleurs, en plus de la culture, les partenaires ont également mis en place l'équipement en aval dans le but de valider l'étape de concentration. Les deux étapes qui ont été testées ont donné de bons résultats (Figures 7 et 8). Figure 7: Suspension concentrée (1,5-2%) après la première centrifugation Figure 8: Biomasse concentrée (15% de matière sèche) après séparation 4. Résultats du projet et analyse économique Au cours de la période Avril-Octobre 2012, les partenaires ont mené plusieurs campagnes de tests avec différentes souches d algues. La Figure 9 présente les résultats de cinq campagnes de tests. Rapport Layman 10

11 Figure 9: Production de biomasse sur le pré-pilote pour chaque design Tout au long de la période d essai de 7 mois sur notre petite installation pilote, le plus grand rendement moyen était de 10 tonnes/an/ha. Il a été atteint après ajustement de plusieurs paramètres (souche de micro-algues, régulation thermique, la géométrie de la culture, etc.) lors des différentes campagnes de tests. En se basant sur ces résultats, les partenaires ont envisagé d autres améliorations des cultures et ont sélectionné l équipement nécessaire à une application d 1 ha. Ils ont estimé que le potentiel maximum absolu de capture serait de 80 tonnes/an/ha. Cela se traduit par une capture de 144 tonnes par an de CO 2. Sur base de ces informations, les partenaires ont effectué un business case. La Table 1 résume les analyses CAPEX/OPEX ainsi que les hypothèses techniques. Table 1: Valeurs de calcul des coûts par tonne de biomasse et GJ d'énergie Parameter (for 1 ha) Value Productivity Gross energy of algae CAPEX (10yr depreciation) OPEX 80 tonnes / year 20 GJ/tonne /yr /yr Les coûts pris en compte sont les suivants: CAPEX : o 9 unités de production d algue, o 1 unité centrale de traitement en amont et en aval, o Un réseau de distribution. OPEX : o La consommation d'électricité, o Salaires des opérateurs de l installation, Rapport Layman 11

12 o o Maintenance, Les matières premières et les effluents (nutriments, de l'eau, de traitement de condensat). De cette analyse économique, il a été constaté que le coût du biocarburant produit serait d'environ 650 / GJ, soit environ 100 fois plus cher que dans le commerce des ressources énergétiques traditionnelles (gaz naturel, fuel lourd). Par conséquent, il a été conclu que la technologie n était pas économiquement réalisable dans les conditions actuelles du marché. L'évaluation de cette installation pilote a conduit les partenaires à abandonner le projet, puisque le projet a été beaucoup plus difficile que prévu d'un point de vue technique et économique. 5. Transferabilité des résultats du project Comme énoncé auparavant, les partenaires ont pris la décision d arrêter le projet car la technologie n aurait pas été viable. Cette solution est valable pour toute l'industrie qui vise à produire des biocarburants à partir de micro-algues. De plus, la technologie de ce projet n'a pas de potentielle transférabilité dans le contexte économique et technologique actuel. Cependant, les partenaires ont effectué pendant le projet un bref inventaire des solutions alternatives de valorisation de la biomasse. Une option très prometteuse semble être la valorisation des algues dans les applications de l'aquaculture. L industrie est actuellement à la recherche de substituts de farine de poisson et d huile pour introduire dans la préparation pour animaux. Il est important de noter que l usage direct de micro-algues pour nourrir les poissons (plutôt que de passer par le zooplancton et par les anchois) procure un avantage environnemental d un point de vue trophique (voir la Figure 10). En plaçant les micro-algues directement dans la nourriture de poisson, un rendement biologique pourrait être atteint et ce rendement pourrait être 100 fois plus élevé que si les algues étaient passées à travers la chaîne alimentaire classique. Rapport Layman 12

13 Figure 10: Comparaison de la chaine trophique, basée sur la farine de poisson et l aquaculture de micro-algues La solution mentionnée ci-dessus va au-delà du périmètre du projet et au-delà de l expertise des partenaires. Mais il pourrait avoir un avenir en fournissant à la fois un impact positif sur la réduction des émissions de carbone et l'écologie marine. En termes de valorisation, l'aquaculture offre des perspectives prometteuses avec une vente annuelle de poissons de ~ 50 millions de tonnes ayant un taux de croissance annuel de 6,6% et représentant en 2008 un chiffre d'affaires de 98,4 millions de dollars US. Ce marché consomme 5 millions de tonnes de farine de poisson qui est vendu au prix sur le marché de 1000 à 1500 par tonne. Rapport Layman 13

14 6. Localisation géographique du projet Les localisations du projet sont indiquées sur la carte ci-dessous. Il est à noter que l installation pilote (expliqué auparavant) a été mis en place à Roux. L installation pilote Carmeuse, qui a été prévu pour être intégré dans une deuxième étape du projet, n'a pas été mis en place. Pilote 1 AGC Roux Pilote 2 Carmeuse Aisemont Rapport Layman 14