Sommaire du rapport final du projet de recherche biodiesel

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1 Sommaire du rapport final du projet de recherche biodiesel Financé par L'Impériale, l'institut canadien des produits pétroliers et Ressources naturelles Canada en vertu de l'initiative de démonstration nationale sur le diesel renouvelable (IDNDR) Recherche menée par L'Impériale Division des Produits pétroliers et chimiques Service de recherche Sarnia, Ontario, Canada R Décembre 2009

2 TABLE DES MATIÈRES Page 1. Sommaire Programme d'essai du biomazout domestique Programme d essai du stockage à basse température Programme d essai du rendement à basse température Programme d essai de stabilité thermique et de résistance à l oxydation en situation de stockage Avertissement Ce rapport ne reflète pas nécessairement les points de vue ou prises de position du gouvernement fédéral.

3 2 1. Sommaire En décembre 2006, le gouvernement du Canada a annoncé son intention d élaborer une réglementation exigeant, d ici 2012, une teneur moyenne de 2 % en carburant renouvelable dans le diesel et le mazout, une fois qu il aura été démontré de façon probante que le diesel renouvelable est utilisable dans toutes les conditions climatiques prévalant au Canada. Durant les consultations, les secteurs de l industrie canadienne et les utilisateurs ont soulevé des questions à propos de l'intégration à grande échelle du diesel renouvelable dans les réseaux de distribution existants. L Initiative de démonstration nationale sur le diesel renouvelable (IDNDR) vise à répondre à ces questions avant l'entrée en vigueur de la réglementation proposée. L Institut canadien des produits pétroliers et l Impériale ont tout intérêt à assurer une transition réussie du diesel renouvelable au Canada. Selon l Institut canadien des produits pétroliers et l Impériale, les deux principales préoccupations de l industrie et des utilisateurs devant faire l objet de vérifications/démonstrations avant l'entrée en vigueur de la réglementation proposée sont : 1) le fluage des carburants finis (filtrabilité/rendement au dessus du point de trouble, capacité de fonctionnement du véhicule); et 2) la stabilité (stockage à long terme, en particulier à basse température, formation de dépôts à haute température dans les moteurs et les appareils de chauffage). En réponse aux préoccupations sur le diesel renouvelable au Canada, une proposition préconisant la réalisation de quatre essais au Centre de recherche de Sarnia de l Impériale a été retenue comme la meilleure solution et, à ce titre, bénéficiera du financement de l IDNDR. Le programme de recherche a été conçu dans plusieurs buts : 1} améliorer la compréhension des parties prenantes sur les problèmes techniques liés à l'utilisation du diesel renouvelable par le biais d une expérience pratique; 2) fournir des conseils aux décideurs sur les meilleurs usages du diesel renouvelable et sur le choix de la distribution régionale et/ou saisonnière des mélanges de diesel renouvelable; et 3) fournir des données qui aideront les ingénieurs à concevoir une formule pour les mélanges de diesel renouvelable et qui permettront aux organismes de normalisation d établir des spécifications techniques garantissant l aptitude fonctionnelle des carburants. L Impériale, qui est à l origine de ce projet, a reçu le soutien du Comité technique/consultatif pour un contrôle technique par les pairs. Le Comité compte parmi ses membres des représentants du gouvernement fédéral, de l'institut canadien des produits pétroliers, de l'association canadienne du chauffage au mazout, de l'association canadienne des carburants renouvelables et de l Alliance canadienne du camionnage. Le projet a utilisé des installations existantes et l expertise acquise lors des recherches entreprises dans l industrie, tels que le rendement du diesel renouvelable dans les moteurs légers (Europe), une étude sur les additifs ultra-performants (fluage et résistance à l'oxydation) utilisés avec les mélanges de diesel renouvelable, une étude sur le rendement à basse température de l ester méthylique de soja dans les moteurs de véhicules routiers lourds (industrie américaine), une étude sur le rendement à long terme des diesels B2 et B5 dans les moteurs de véhicules routiers lourds (démonstration du diesel renouvelable de l Alberta) et finalement, des études de conception/pertinence des méthodes d'essai

4 3 (ASTM International, Laboratoire national sur les énergies renouvelables, Comité européen de normalisation, etc.) pour l évaluation des mélanges de diesel renouvelable. Les principales conclusions qui ressortent de ces travaux sont les suivantes : 1) l impact du carburant (jusqu à B10) sur le rendement et le fonctionnement prolongés des appareils de chauffage a été négligeable: 2) l effet délétère des monoglycérides saturés dans le diesel renouvelable sur le rendement à basse température des filtres dans les systèmes de manutention du carburant a également été confirmé, soulignant ainsi la nécessité de limiter la teneur de ces composés afin d éviter d éventuels problèmes sur le terrain à l avenir; et 3) l'utilisation d additifs résistants à l'oxydation vendus dans le commerce améliore la stabilité du stockage prolongé du diesel renouvelable. Les sociétés membres de l'icpp utilisent les données provenant de toutes ces études pour concevoir des formules de diesel renouvelable qui permettront de garantir l aptitude fonctionnelle des carburants. Les résultats de ces travaux ont été communiqués au Comité des distillats moyens de l Office des normes générales du Canada et peuvent être utilisés pour établir les spécifications techniques du carburant renouvelable. Le projet a été exécuté en quatre essais ou tâches dont les résultats sont résumés cidessous : 2. Programme d'essai du biomazout domestique Suite à l adoption de mandats par les autorités fédérales/provinciales (Canada) et des états (É-U.), il faut s attendre à une utilisation accrue des carburants renouvelables, tels que le biodiesel, en Amérique du Nord. Le biodiesel, ou B100, qui est obtenu à partir de la transestérification de graisses et d huiles végétales avec du méthanol, se compose d esters de méthyle d'acides gras (EMAG). Bien que le biodiesel soit destiné principalement aux véhicules diesel, on peut aussi l utiliser dans la composition du mélange pour mazout domestique. Plusieurs études portant sur l utilisation des biodiesels avec les appareils de chauffage localisé et les chaudières de type résidentiel ont été signalées dans la littérature. Ainsi, les essais réalisés sur des chaudières avec brûleur ont montré que des mélanges constitués de 5 % de biodiesel semblent compatibles avec les détecteurs de flamme ordinaires. Ces essais ont également montré que si on utilisait un mélange constitué de seulement 20 % de biodiesel (B20), le système de détection et de contrôle de la flamme pourrait provoquer l arrêt du brûleur lorsque les réglages d excès d air sont moyens ou élevés, comme cela est souvent le cas sur le terrain. De plus, aucune évaluation du rendement à long terme des chaudières résidentielles fonctionnant au biomazout domestique n a été signalée dans la littérature. Un programme d essai a été effectué pour évaluer le rendement à long terme des plus récents modèles de chaudières fonctionnant au biomazout domestique et pour mieux comprendre les préoccupations mentionnées plus haut. L installation d essai a été équipée de trois chaudières Kerr. Chaque essai a consisté en 3 cycles de 40 jours simulant différentes conditions climatiques : printemps/automne, froid modéré et coup de froid

5 4 hivernal. Les chaudières ont été alimentées par un mélange de mazout domestique et d ester méthylique d huile de colza (EMC), d ester méthylique d huile de soja (EMS) et d ester méthylique de suif. Les échantillons EMC, EMS et EMG (B100) ont satisfait les exigences de la norme ASTM D6751. Le mazout domestique de base ainsi que les biomazouts domestiques constitués de 5 % (B5), 10 % (B10) et 20 % (B20) de biodiesel ont été mis à l essai. En l absence de normes, les propriétés du biomazout ont été comparées à la norme CAN/CGSB-3.2. Tous les biomazouts ont satisfait les exigences de la norme CAN/CGSB-3.2. Les divers paramètres de fonctionnement des chaudières (rendement énergétique, excès d air, composition et température des gaz de combustion, indice de fumée, température et tirage des conduits, résistance de la cellule au sulfure de cadmium, température de la pompe et du gicleur) ont été contrôlés chaque semaine pendant toute la durée de l'essai. L'inspection des systèmes (filtres, brûleurs, pompes, gicleurs de brûleur et échangeurs thermiques) a été réalisée après chaque essai. L inspection, le réglage et l entretien de la chaudière ont été effectués par un technicien indépendant agréé qui ignorait la composition des carburants soumis aux essais. Les résultats de ce programme d'essai ont montré que, jusqu à B10, l'impact du biocarburant sur le fonctionnement et le rendement des chaudières était minime. La teneur en biodiesel du mazout domestique ne doit pas dépasser 10 % pour être compatible avec les joints existants de la pompe à carburant. On a trouvé des dépôts de monoglycérides saturés dans les canalisations d évacuation de deux cuves de carburant lors de l'essai réalisé dans les conditions de coup de froid hivernal. Cette observation met en évidence la nécessité de réduire la quantité de monoglycérides saturés dans les esters de méthyle d acides gras afin d éviter d éventuels problèmes sur le terrain. 3. Programme d essai du stockage à basse température Le biodiesel est un carburant obtenu à partir de matières végétales ou animales par un procédé chimique appelé transestérification. En fonction de leur origine, les esters de méthyle d acides gras (EMAG) produits par la transestérification présentent d importantes variations de leur point de trouble, entre -5 et + 15 degrés Celsius. La plupart des régions du Canada se caractérisent par un climat froid, il est donc primordial de bien comprendre les faibles propriétés à basse température de l EMAG et des mélanges contenant des ingrédients similaires (cire, gélification et séparation des phases au dessus du point de trouble) de manière à éviter les problèmes de capacité de fonctionnement. Cela est d autant plus important que des problèmes sur le terrain ont été signalés aux États-Unis et en Europe. Selon les enquêtes effectuées sur ces problèmes, les monoglycérides saturés contenus dans les esters de méthyle d acides gras (EMAG) seraient responsables de l engorgement du filtre. Afin de mieux comprendre le problème associé aux monoglycérides saturés, on a examiné la stabilité du stockage à basse température de 57 biodiesels comprenant principalement des mélanges de type B5 et B20 à base d esters méthyliques de colza, de soja, de palme et de suif. Le programme du laboratoire était conçu pour étudier la séparation des phases des impuretés de l ester de méthyl d'acides gras au dessus du point de trouble du carburant mélangé. La stabilité du stockage a été évaluée en utilisant le test

6 de mesure de filtrabilité FBT (ASTM D ). Les dépôts des mélanges B20 sélectionnés ont été analysés par chromatographie en phase gazeuse/spectrométrie de masse (CG-SM) afin de déterminer les causes du problème. 5 L étude a montré que des précipités se forment dans le carburant après dix jours de stockage à une température de 1 C ou à une température de 2 à 4 C au dessus de son point de trouble. Les analyses des précipités sélectionnés par CG-SM montrent que leur teneur en monoglycérides saturés est enrichie. Le test de mesure de filtrabilité (FBT) était assez bien corrélé (R 2 = 0.71) avec la teneur en monoglycérides saturés du carburant. Cette corrélation sert d indicateur de la teneur en monoglycérides saturés dans le diesel renouvelable, ce qui donnerait une valeur FBT de <1,4 similaire à celle des carburants diesel traditionnels. Des travaux supplémentaires pour améliorer la corrélation entre les monoglycérides saturés et le test de mesure de filtrabilité, ainsi qu une étude fondamentale de la cinétique de la précipitation et de la redissolution des monoglycérides saturés, dont notamment l impact de la teneur aromatique du carburant de base, pourrait s avérer extrêmement utiles. Les résultats de cette étude viennent confirmer les précédentes mentions dans la littérature de l'effet délétère des monoglycérides saturés dans les esters méthyliques d'acides gras sur la capacité de fonctionnement à basse température des filtres des systèmes de manutention du carburant. C est un facteur important dont il faudra tenir compte lors de la formulation de diesels renouvelables adaptés aux conditions climatiques qui prévalent au Canada. 4. Programme d essai du rendement à basse température Le biodiesel est un carburant obtenu à partir de matières végétales ou animales par un procédé chimique appelé transestérification. En fonction de leur origine, les esters de méthyle d acides gras (EMAG) produits par la transestérification présentent d importantes variations de leur point de trouble, entre -5 et + 15 degrés Celsius. La plupart des régions du Canada se caractérisent par un climat froid, il est donc primordial de bien comprendre les faibles propriétés à basse température de l EMAG et des mélanges contenant des ingrédients similaires (cire, gélification et séparation des phases au dessus du point de trouble) de manière à éviter les problèmes de capacité de fonctionnement. Cela est d autant plus important que des problèmes sur le terrain ont été signalés aux États-Unis et en Europe. Selon les enquêtes effectuées sur ces problèmes, les monoglycérides saturés contenus dans les esters de méthyle d acides gras (EMAG) seraient responsables de l engorgement du filtre. Afin de mieux comprendre ces préoccupations, on a examiné, dans un dynamomètre à enceinte climatique, la capacité de fonctionnement à basse température, au dessus du point de trouble, d un biodiesel B5 à base d'ester méthylique de colza (EMC) enrichi de trois groupes de monoglycérides saturés (SMG) sur des modèles 2004/2005 de camions lourds. Les niveaux de monoglycérides saturés (SMG) ont été sélectionnés pour donner au test de filtrabilité FBT (ASTM D2068) une mesure variant

7 d environ 1 à 6 sur la base des résultats de la précédente étude sur le stockage à basse température. 6 Cette étude à montré que la séparation des phases des monoglycérides saturés enrichis du diesel renouvelable à -16 C (largement au dessus de son point de trouble de -26 C), avait un effet négatif sur le rendement des systèmes d alimentation associés aux camions diesel lourds testés. La teneur de 250 mg/l de monoglycérides saturés enrichis a provoqué une défaillance; la teneur de 200 mg/l a provoqué une forte baisse de pression du filtre à carburant et une recirculation réduite du carburant; la teneur de 150 mg/l a provoqué une forte baisse de pression du filtre à carburant sans pour autant entraîner de problèmes de recirculation Les monoglycérides saturés présents sur le filtre à carburant ne se sont pas redissous dans le carburant devenu chaud sous l effet de la recirculation du carburant ou du réchauffement du camion à la température ambiante. Cela s explique par le point de fusion élevé (entre 71 et 81 C) des différents éléments qui composent les monoglycérides saturés. Le rendement des systèmes d alimentation associés aux camions diesel lourds testés était assez bien corrélé avec le test de mesure de filtrabilité (FBT) des carburants enrichis après un prétrempage à basse température. Les données semblent indiquer que le FBT du mélange de carburant renouvelable devrait se situer dans une fourchette de 1 à 1,4 comparable aux diesels traditionnels. Il serait utile dans les prochains travaux de déterminer si la procédure/le niveau d enrichissement des monoglycérides saturés a eu un effet négatif sur la formation des précipités dans le diesel renoulevable. Les résultats de cette étude viennent confirmer les précédentes mentions dans la littérature de l'effet délétère des monoglycérides saturés dans les esters méthyliques d'acides gras sur la capacité de fonctionnement à basse température des filtres des systèmes de manutention du carburant. C est un facteur important dont il faudra tenir compte lors de la formulation des diesels renouvelables adaptés aux conditions climatiques qui prévalent au Canada. 5. Programme d essai de stabilité thermique et de résistance à l oxydation en situation de stockage Le biodiesel est un carburant obtenu à partir de matières végétales ou animales par un procédé chimique appelé transestérification. De par sa structure chimique, le biodiesel, et plus précisément les esters méthyliques d acides gras (EMAG) qui le composent, peut être extrêmement sensible à l oxydation et à la dégradation thermique. En fonction des matières biologiques utilisées, certains biodiesels peuvent contenir des antioxydants d origine naturelle. Les propriétés de stabilité à l'oxydation du biodiesel peuvent aussi être améliorées par l utilisation d additifs antioxydants ou d amélioration de la stabilité vendus dans le commerce. L oxydation du biodiesel peut entraîner la formation d acides et de dépôts corrosifs susceptibles d aggraver l usure des pompes d alimentation du moteur et des injecteurs de carburant.

8 7 Afin de mieux comprendre la stabilité à l oxydation des mélanges de biodiesel, on a examiné, pendant une période de 12 semaines, la stabilité de stockage de 54 biodiesels comprenant principalement des mélanges de type B5 et B20 à base d ester méthylique de colza (EMC), d ester méthylique de soja (EMS) et d ester méthylique de suif, avec ou sans antioxydant. Deux types d antioxydants (la tert-butylhydroquinone et un mélange de phénols/amines stériquement entravés) actuellement en vente dans le commerce ont été utilisés pour cette étude. Le programme du laboratoire était conçu pour étudier le phénomène de formation de produits d oxydation insolubles dans les mélanges de biodiesel durant une période de stockage prolongée. La stabilité à l oxydation a été évaluée par l essai de stabilité à l oxydation Rancimat (pren ) avant et après le stockage prolongé ainsi que par les composés insolubles totaux (ASTM D ) et par le test de mesure de filtrabilité FBT (ASTM D ) sur les échantillons après le stockage prolongé. Suite aux résultats des mesures obtenues par les méthodes d essai mentionnées ci-dessus, l étude a montré que l utilisation d additifs antioxydants a amélioré la stabilité du stockage prolongé des mélanges de biodiesel de types B5, B20, EMC, EMS et d ester méthylique de suif. Les deux types d antioxydants mis à l essai (la tertbutylhydroquinone et le mélange de phénols/amines stériquement entravés) ont procuré une stabilité de stockage prolongé satisfaisante. Aucune tentative n a été réalisée pour optimiser la concentration des inhibiteurs d oxydation. La concentration de 50 ppm s est avérée particulièrement efficace pour les carburants de type B5. Quant aux carburants de type B20, ils peuvent nécessiter une concentration supérieure à 50 ppm. Les résultats de cette étude viennent confirmer que l utilisation d un antioxydant améliore la stabilité du stockage prolongé des biodiesels. C est un facteur important dont il faudra tenir compte lors de la formulation des diesels renouvelables afin d'éviter la dégradation thermique et la formation de sédiments en situation de stockage prolongé. En vue d optimiser les avantages de l antioxydant, l additif doit être ajouté au biodiesel pur (B100) pendant le processus de fabrication après la transestérification et les étapes de purification conformes aux meilleures pratiques de l industrie.