L'ingénieur, 1 septembre 1981, Septembre - Octobre

A ** 9* VS w 'o, ^6. »IS1 kw(' v - tv-l«r-U\ ¦ffI ’ri.'rt*“l‘rl.'r-L'r-l,-LŸ\ p« l“- .'-I'-Lv-t'-l !•* ^ -t* C*-Wt *ïwü-tY if“ T- Titft Jif^i ÈI*.^ T*.l*“l If *L E»l ori iP®r**r bT fa.i ., *TlV 7rl ÜN1* wlwt» -V.V irvot ilili ¦ïlftïi ffM» fc æsss 91% des municipalités québécoises choisissent les pompes submersibles Pourquoi?Parceque le nom de Flygt n’est plus à faire en matière de rendement et d’excellence de service de ses pompes d’égout.Qui mieux est: Flygt jouit d’une réputation admirable grâce à plus de 91% des municipalités québécoises.Alors.LAVAI! i M ?PTÏrS ça coule en douce avec FLYGT CANADA Pointe-Claire (Québec) (514) 695-0100 Succursales: Montréal, Québec, Sept-îles, Coquitlam, Calgary.Edmonton, Winnipeg, Toronto, Hamilton, Sudbury, Ottawa, Moncton et Saint-Jean (Terre-Neuve) Introduction Avec la découverte et la mise en exploitation des premiers gisements de pétrole, au début du XXe siècle, les pays industrialisés ont connu une ère où les prix de l'énergie étaient en deçà de leur véritable coût de remplacement Ce fut I âge d'or des hydrocarbures La hausse rapide de leur prix, conjuguée à une volonté politique d'autosuffisance énergétique, amènent maintenant les pays occidentaux à rechercher de nouvelles sources d'énergie Parmi celles-ci, la biomasse, définie comme l'ensemble des productions végétales, animales et humaines d'un territoire donné, offre un intérêt grandissant ; elle est appelée à prendre d'ici la fin du XXe siècle un essor considérable Déjà, certains pays sont engagés dans des programmes ambitieux d'utilisation de la biomasse Le Brésil, avec une production prévue de 10,7 millions de m3 d'éthanol produite à partir de la canne à sucre, compte affranchir son secteur des transports de sa dépendance vis-à-vis du pétrole importé Avec l'installation de plus de 8 millions de petites unités de fabrication de biogaz alimentées aux déchets organiques (humains ou animaux), la Chine se chauffe et cuisine D'ici l'an 2,000, la Suède compte couvrir son territoire de plantations énergétiques qui fourniront 20% de ses besoins en énergie sous forme de biomasse forestière Les États-Unis semblent, quant à eux, s'engager dans la production d'éthanol à partir de maïs et de matières cellulosiques De nouvelles voies sont explorées, notamment dans l'utilisation d'enzymes et de bactéries dans les processus de conversion biologique de la matière cellulosique Étant donné l'importance de son potentiel forestier, le Québec a été naturellement porté à considérer la biomasse forestière et la tourbe à des fins énergétiques M Louis-Jean Lussier, dans un premier article, a estimé à 30, 7 millions de tonnes métriques anhydres, la biomasse excédentaire annuellement produite sous forme de déchets d'exploitation forestière, d arbres marchands non récoltés, de résidus d'usinage ainsi que d'autres pertes.Ce potentiel représente un équivalent énergétique annuel de 7 milliards de litres de pétrole H ressort de son étude qu'on n'utilise qu environ 30% du potentiel de la biomasse forestière et qu'on en gaspille 70%.Intégrée à un programme sylvicole approprié, l'utilisation de la biomasse à des fins énergétiques offre, selon l'auteur, à l'industrie et à la société québécoise, la possibilité de remettre en production d'importantes superficies forestières abandonnées ou non utilisées Plusieurs options ou filières énergétiques existent toutefois pour récupérer l'énergie des arbres Dans un deuxième article, ye décris les principaux procédés de conversion énergétique de la biomasse, selon les modes thermo-chimiques (combustion, gazéification, pyrolyse, liquéfaction) et bio chimiques (hydrolyse, fermentation, digestion anéorobique) À chaque type de biomasse correspond souvent un procédé particulier de conversion énergétique À court terme, la combustion directe de la biomasse forestière demeure le moyen privilégié de produire de l'énergie sous forme de chaleur ou d'électricité, notamment auprès de l’industrie forestière Toutefois, à plus long terme, la transformation de la biomasse a pour principal objectif de produire un combustible liquide qui serait utilisé dans les réseaux de marchés existants Deux voies sont ouvertes la gazéification du bois et le traitement subséquent des gaz de synthèse en mé-thanol, ou l'hydrolyse des bois par voie enzymatique ou acide pour la production d'éthanol Le Québec a retenu la première voie qui semble celle qui représente le plus de chances de succès En s'appuyant d'ailleurs sur les objectifs du développement forestier du gouvernement du Québec, M Yves Lévesque décrit dans son article les différentes phases qui mèneront à la réalisation d'un protêt pilote d'usine de méthanol Propriété de NOUVELER, la nouvelle société d'État des énergies nouvelles, cette usine produira 55 millions de litres de méthanol par année, à partir du traitement de 85,000 tonnes anhydres de résidus de bois Ce projet est une première mondiale ; il permettra au Québec de s 'assurer un leadership technologique enviable dans ce domaine et éventuellement de construire des unités de production plus importantes MM André Chamberland et Michel Laurin discutent par la suite des principaux aspects techniques du projet En particulier, ils décrivent une innovation qui consiste en la production de gaz de synthèse à partir du bois dans un gazogène à lit fluidisé Inexistante il y a à peine quelques années, l'utilisation de la biomasse aux fins énergétiques est en train de prendre un essor considérable dans plusieurs pays Une véritable industrie « bio-énergétique » est en train de se développer, à travers un mariage unique des techniques de l'ingénieur, du chimiste, du biologiste et du généticien De nouvelles options de remplacement aux sources non-renouvelables d'énergie sont développées, grâce à l'utilisation d'une ressource abondante, versatile et renouvelable, représentée par la biomasse sous toutes ses formes Son utilisation favorisera également une décentralisation des grands systèmes centralisés de production énergétique, en systèmes à échelle plus réduite, plus polyvalente et plus écologique Avec l'épuisement éventuel des réserves mondiales d'hydrocarbures le XXIe siècle pourrait, qui sait, voir s'établir le règne de l'or vert M.(îuy Drouin est diplômé en génie électrique de l'École Polytechnique de Montréal et détenteur d'un MBA de PL niversité McGill.Depuis plusieurs années, M.Drouin est impliqué dans les secteurs énergétique et forestier ; il a participé à différents travaux portant sur l'un lisation de la biomasse forestière à des fins énergétiques et sur la production de matériaux structuraux nouveaux.a partir de bois de qualité inférieure.Il est également l'auteur de plusieurs études et publications à ce sujet pour le compte de sociétés para-publiques (Société d'Aménagement de l'Outaouais, Hydro-Québec) et privées.M.Drouin a récemment fondé un bureau d'études spécialisé dans ces domaines.Il est membre de plusieurs associations professionnelles, dont le Bio-Energy Council et le Forest Products Research Society, section de l'est du Canada, dont il est administrateur.SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 L’INGÉNIEUR 5 ABSTRACTS SUPPLY AND DEMAND OF WOOD BIOMASS IN QUEBEC 7 by Louis-Jean Lussier, F.E.The existing supply of wood biomass in Quebec is determined by type and regions.The future corn-sumption is also assessed for the next ten years.Many possibilities exist if a proper sylvicultural program is integrated with the utilization of wood biomass.These possibilities are described.BIOMASS ENERGY CONVERSION SYSTEMS : THE PRESENT AND THE FUTURE 15 by Guy Drouin, P.Eng.MBA Many countries are moving with increasing urgency to obtain larger fractions of their energy from biomass.The amount of raw energy stored up in bioresources is simply staggering.There are many ways to convert the raw materials into marketable or useful fuels.The technologies may be thermochemical (such as combustion, gasification, pyrolysis, liquefaction) or biochemical (hydrolysis, fermentation, anaerobic digestion).The present and future possibilities if these conversions processes are assessed.A DEMONSTRATION METHANOL PLANT IN QUEBEC 21 by Yves Lévesque, F.E.The project concerning the construction of a demonstration plant for the production of methanol from forest biomass has received the approval from the Quebec provincial cabinet early in spring 1981.This first plant and many others, if the feasa-bility can be established, sustain many objectives very significant for the economy of the province.Among them, the most important are: 1) to decrease our dependency on oil ; 2) to use the full potential of our forest and trees ; 3) to develop a new technology for the conversion of biomass in liquid fuel.This article present a summary of this pilot project.PILOT PLANT FOR THE PRODUCTION OF METHANOL FROM BIOMASS 25 by André Chamberland, Ph D and Michel Laurin, Ph D.Production of methanol from biomass and peat represents an enormous potential source of energy for Québec.The present paper describes the construction of a pilot plant for the production of methanol from wood residues.Conversion of synthesis gas to methanol, by itself, is not novel.What is novel, in present project, is the development of fluidized bed gasifiers, pressurised by oxygen.We describe how the pilot plant will utilise this novel technique and the means by which this potential source of energy, as yet undeveloped in Québec will be realised.TECHNISOL INC.ÉTUDE GÉOTECHNIQUE ET CONTRÔLE DES SOLS BÉTON - ASPHALTE ACIER 325 DE L ESPINAY QUÉBEC PQ GIL 2J2 647 1402 244 DE LA CATHÉDRALE RIMOUSKI G5L 5J4 / 723-1144 mon - ter - val me.société d axptrtiB»* Géotechnique Géologie Mécanique des Roches Contrôle des matériaux Hydrogéologie 1470 rue mazurette, montréal, que.H4N 1H2 TH.(514) 382-5110 442 ave Centrale, Val d’Or, Qué.J9P 1P5 Tel.(819) 824 6894 LUPlEN, ROSENBERG, JOURNEAUX & ASSOCIÉS INC.études de sols et matériaux Investigations sur le terrain sondages et essais Mécanique des sols et des roches pieux caissons, radiers semelles parois moulees tunnels Design d ouvrages en terre digues barrages remblais Photogeologie recherche de matériaux d emprunt etudes de traces choix de sites d amenagement Investigations de déficiences Instrumentation Environnement physique etudes d impact Contrôle des matériaux et procedures de construction Essais en laboratoire 960, 24e Avenue, Lachine, Québec, H8S 3W7 Tel.: (514) 637-3746 COMPAGNIE NATIONALE DE FORAGE ET SONDAGE INC.1130 OUEST.RUE SHERBROOKE MONTRÉAL H3A 2R5 TÉL : (514) 288-1177 Études géotechniques géologiques sismiques Sondages et forages Contrôle qualitatif sols, béton, asphalte métaux Laboratoires eaux, sols, matériaux Assurance qualité, métallurgie, corrosion Fondée en 1 937 6 L'INGÉNIEUR SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 LES DISPONIBILITÉS DE BIOMASSE FORESTIÈRE AU QUÉBEC ET LEURS PERSPECTIVES D’UTILISATION Louis-Jean Lussier, ing.f.* Cet article fournit quelques données relativement aux disponibilités de la biomasse forestière au Québec et examine les perspectives d'utilisation qui s'offrent au Québec dans ce domaine au cours de la prochaine décennie On peut entrevoir également d’immenses possibilités, notamment en ce qui concerne l’intégration de la production de la biomasse forestière à la remise en valeur de peuplements dégradés Introduction Depuis l'avènement de la crise du pétrole, l'utilisation de nouvelles sources d’énergie fait l'objet d'intenses recherches dans tous les pays du monde occidental.Bien que pourvu de ressources hvdroélectriques importantes, le Québec doit importer de fortes quantités d'hydrocarbures pour satisfaire à ses besoins énergétiques.À l'instar des autres pays occidentaux, il investit, de ce fait, beaucoup d'efforts dans la recherche de nouvelles sources d'énergie.Doté d'immenses ressources forestières, il consacre tout naturellement une partie de ses efforts à l'utilisation de la biomasse qui en provient.Au Québec, la recherche et le développement en ce domaine relèvent principalement d'Environnement Canada (programme EN FOR), du ministère québécois de l'Energie et des Ressources (Direction des Energies Nouvelles), et de l'industrie des pâtes et papiers, grand consommateur d’énergie thermique.Définition de quelques concepts On se propose, dans cet article, de fournir quelques données relativement aux disponibilités de biomasse forestière au Québec et d'examiner leurs perspectives d’utilisation au cours de la prochaine décennie.Avant de ce faire, il importe.cependant, de préciser quelques concepts.Le concept sans doute le plus difficile à cerner en foresterie est celui du potentiel de production d'un territoire fores- * M.Louis-Jean Lussier, ing.f.et PhD.(Mew-York State University.1957) a obtenu son baccalauréat en 1951 et sa maitri.se en 1954 à la Faculté de foresterie et de géodésie de l'Université Laval.Après quelques années au Service de recherche de la Quebec North Shore Paper Co.M.Lussier a été professeur de gestion forestière à l'Université Laval, pour ensuite passer au groupe COGEF du ministère des Terres et Forêts du Québec.Membre de l'Ordre des ingénieurs forestiers du Québec et de plusieurs associations professionnelles, il est, depuis 1977.ingénieur-conseil œuvrant principalement dans la mise en valeur du territoire forestier.tier.En effet, si l'on veut demeurer un tant soit peu pratique, un tel potentiel ne peut se définir qu'en tenant compte de certaines contraintes, principalement celles qu'imposent la technologie disponible et les conditions du marché.Avant de proposer une définition du potentiel de production forestière.voyons ce qu'on entend par biomasse forestière.La biomasse d'un territoire forestier peut se définir comme l'ensemble des productions animales et végétales de ce même territoire.La biomasse végétale se subdivise en biomasse aquatique (les algues) et forestière.Cette dernière comprend la matière morte (la tourbe) et la matière vivante qui.à son tour, inclut la végétation herbacée, les arbustes et les arbres.Dans le contexte du présent article, la biomasse forestière ne retient que ces deux derniers éléments, que l'on considère cependant dans leur entier, c'est-à-dire en comprenant le bois, l'écorce, les feuilles, les souches et les racines.Le potentiel de production d’un territoire donné peut donc maintenant se définir comme étant la quantité de biomasse forestière que l'on peut produire à un niveau raisonnable d'aménagement forestier.L'aménagement forestier constitue l'ensemble des activités sylvicoles permettant d'accroître le potentiel naturel de production de la biomasse.Ces activités comprennent divers travaux comme le reboisement, la fertilisation, les éclaircies, etc.L’expression « niveau raisonnable d'aménagement » implique une certaine part de subjectivité mais peut quand même se préciser à l’aide d'études économiques.Un tel niveau varie considérablement suivant les diverses régions du Québec, mais l'expérience démontre qu'on pourrait dans l'ensemble accroître de 50r< le potentiel naturel de croissance de la forêt québécoise.En pratique, plusieurs éléments empêchent la pleine utilisation du potentiel de production de la biomasse forestière.Soulignons dès maintenant que l'on peut grouper l'utilisation des ressources forestières sous trois chefs principaux : 1 ) les activités de protection de l'environnement : 2) les activités récréatives ; 3) les activités industrielles.Bien que le présent article ne porte que sur ces dernières activités, les deux premières ont.ajuste titre, beaucoup d'importance et on ne peut les ignorer lorsqu'il est question du potentiel de production industrielle de la forêt québécoise car elles contribuent.en raison des contraintes auxquelles elles soumettent l'exploitation forestière, à diminuer ce même potentiel.SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 L’INGÉNIEUR 7 Le Québec forestier et son potentiel de production Le Québec, avec ses quelques 500,000 km2 de forêt productive et accessible, constitue un vaste territoire qui représente près de deux fois celui de la Suède.On ne peut analyser le potentiel de production et les perspectives d'utilisation de la biomasse forestière d’un tel domaine sans le subdiviser d’abord en un certain nombre d’unités d’étude.Lors d’une recherche récente sur ce sujet, dirigée par l'auteur de cet article dans le cadre du programme Enfor, le Québec forestier a été subdivisé en 26 unités d’étude (fig.3) à partir des lignes de démarcation des régions administratives (tig.1) et des grandes zones d’aménagement (fig.2) reconnues officiellement par le ministère de l’Énergie et des Ressources.Fiq.l- LE TERRITOIRE FORESTIER DU QUÉBEC ET LES RÉGIONS ADMINISTRATIVES Fig 2- LES GRANDES ZONES D’AMÉNAGEMENT DU QUÉBEC FORESTIER FORÊT PRIVEE I l FORÊT PUBLIQUE DE BANLIEUE.1 -I FORÊT PUBLIQUE .BOIS DE SO AGE I I FORÊT PUBLIQUE .BOIS A PÂTE C3ZD FORÊT NON COMMERCIALE Fig 3- UNITÉS D’ÉTUDE DE LA BIOMASSE FORESTIÈRE Fig.4- POSSIBILITÉ, RÉCOLTE ET DISPONIBILITÉ DE TRONCS MARCHANDS p C=l POSSIBILITÉ « [=?RÉCOLTE D I \ DISPONIBILITÉ FORÊT PRIVÉE 0 P R .D '000,000 T M A 4.I 2|3 m % DU TOTAL • 9,1 15,1 28,6 FORET PUBLIQUE BANLIEUE 0 P 39,0 38,8 39,7 8.4 5,7 | 2.5 SCIAGE P (3) R 9,0 6,8 D -1 41,9 46,1 31,7 FORET HABITÉE © + ® P R D '000,000 T M A 12,5 8,0 4,3 % DU TOTAL 58,1 53,9 68,3 P TOTAL 100 100 100 SOURCE DE BIOMASSE EXCÉDENTAIRE Fig.5-UTILISATION ET EXCÉDENT DE LA BIOMASSE FORESTIÈRE AU QUÉBEC '000 000 TONNES MÉTRIQUES ANHYDRES TRONCS MARCHANDS.EXTENSIF L___i 7,7 EXCÉDENT (36%) 13,8 UTILISATION (64%) AMÉNAGEMENT INTENSIF 21,5 (100%) TRONCS MARCHANDS.INTENSIF L-J 12,4 EXCÉDENT (46%) i.i 13,8 UTILISATI0N(54%) 27,2 (100%) FACTEURS DE BIOMASSE BIOMASSE TOTALE.INTENSIF L.¦ .1 30,7 EXCÉDENT (69%) t.J 13,8 UTILISATION (31%) 44,4 (100%) 8 L'INGÉNIEU R/SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 À partir des résultats ainsi ventilés, on a pu connaître géographiquement les excédents et les déficits de biomasse, identifier les régions problèmes et celles dont les perspectives d'utilisation paraissent les plus prometteuses.Cet article constitue en quelque sorte un résumé succinct des nombreux résultats de cette étude.L'estimation du potentiel de biomasse forestière se fonde principalement sur quatre éléments de connaissance : la possibilité de la forêt, soit le volume annuel de bois qu'on peut récolter sans épuiser le stock marchand : la récolte actuelle de diverses catégories de produits (bois à pâte, de sciage, etc.) ; la disponibilité de matière ligneuse qui est la différence entre la possibilité et la récolte : les facteurs de biomasse qui permettent de transformer les volumes marchands découlant de la récolte et des disponibilités en volumes totaux, soit ces volumes qui comprennent non seulement les troncs marchands sans écorce mais également l’écorce, les branches et cimes, les souches et racines et les tiges non marchandes (2 cm - 1 z < co O oc 'U 2 CO Cd Z Z O B CO Z O _J 2 BIOMASSE EN FORÊT SCIURES ?COPEAUX DE RABOTAGE BIOMASSE EN FORÊT SCIURES ?COPEAUX DE RABOTAGE ÉCORCE BIOMASSE EN FORÊT SCIURES ?COPEAUX DE RABOTAGE ECORCE Fig.13- CONSOMMATION DE BIOMASSE FORESTIÈRE PAR CATÉGORIE DE PRODUIT BIOMASSE EN FORÊT SCIURES ET COPEAUX DE RABOTAGE ECORCE SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 /L ’ I N G É N I E U R 11 excédents appréciables de résidus d'usinage.Pour ces différentes raisons, la récolte d'arbres entiers devient prioritaire, d'autant plus qu'elle représente 70*7 de la biomasse disponible.biomasse qui se trouve dans le Québec méridional, près des usines consommatrices de bois.Élément de recherche et de développement Afin qu'une telle récolte devienne plus économique, on devra cependant intensifier la recherche et le développement dans certains domaines particuliers : la mise au point d'engins d’exploitation et de méthodes de travail conçus spécifiquement pour le traitement de peuplements forestiers dégradés ; la densification de la biomasse avant son transport à l'usine (densification par compression, fabrication de boulettes) ; la séparation de la fibre et de l'écorce après déchiquetage ; le développement de nouveaux marchés tels que pièces de dimensions, panneaux gaufrés, à fibre orientée, à fibre laminée, bois tranché-laminé, panneaux composites ou reconstitués ; l'intégration harmonieuse de la récolte d'arbres entiers à la remise en valeur de forêts dégradées ; la conception d'une méthode d'analyse économique qui tienne compte de tous les éléments socio-économiques propres à l'utilisation de la biomasse forestière.Production de biomasse et remise en valeur de la forêt En ce qui concerne l'intégration de la production de biomasse forestière à la remise en valeur de peuplements dégradés, on présente, à la figure 14.un exemple portant sur la conversion d'un peuplement feuillu de faible valeur commerciale en peuplement résineux de haute valeur.Étant donné que de tels peuplements occupant de larges superficies dans le sud du Québec, ce traitement devrait connaître une grande importance dans les prochaines années.Cependant, comme les marchés pour la fibre de faible qualité qui en découle sont largement déficients, le gouvernement hésite à se lancer dans un vaste programme de remise en valeur, les coûts de conversion étant souvent excessifs.Présentement, le gouvernement du Québec accorde aux propriétaires un subside d’environ 1.300$ par hectare en vue d'exécuter une telle conversion.Cependant, si l’on accorde à la récolte de biomasse sa valeur énergétique réelle, on voit, dans l'exemple de la figure 14.que le traitement pourrait s’auto-financer.Conclusion En conclusion, les disponibilités de biomasse forestière sont très grandes au Québec, particulièrement dans la zone de la forêt habitée, mais il reste encore beaucoup à faire avant de pouvoir les exploiter économiquement.En plus de la recherche et du développement déjà soulignés, on devra prévoir la récolte de la biomasse dans le cadre de plans d’aménagement appropriés.On exploitera, au départ, les peuplements forestiers dégradés mais il faudra, au fur et à mesure de leur disparition, se tourner davantage vers les arbres non marchands.les plantations énergétiques et les résidus d'exploita- ,ion- i» RÉFÉRENCES Perspectives d'utilisation de la biomasse forestière du Québec, 1981.J MARANDA et L J LUSSIER.Environnement Canada.Fig.I4- INTÉGRATION DE LA PRODUCTION DE BIOMASSE FORESTIÈRE À LA REMISE EN VALEUR DE PEUPLEMENTS DÉGRADÉS I.TRAITEMENT CONVERSION D’UN PEUPLEMENT FEUILLU EN PEUPLEMENT RÉSINEUX, RÉCOLTE DE LA BIOMASSE ET REBOISEMENT 2 RÉCOLTE: 50 TONNES MÉTRIQUES ANHYDRES À L’HECTARE.BIOMASSE AÉRIENNE SEULEMENT 3.VALEUR DE LA RÉCOLTE POUR FINS ÉNERGÉTIQUES 50 TONNES X 1 53 / TONNE • *2,650 /HA A COÛT D’EXPLOITATION ET DE REBOISEMENT $/HA - ABATTAGE.DÉBAR0A6E.DÉCHIQUETAGE 50 T X 1 25/T.- TRANSPORT , 50 KM 50 T X • 10/T - COÛT DE PRODUCTION DES PLANTS RÉSINEUX - COÛT DU REBOISEMENT 1,250 500 300 600 TOTAL 2,650 5.COUT DU TRAITEMENT 0 6 MONTANT DES SUBSIDES ACTUELS DU MER-QUÉBEC (GAINS) *1,300 7.FINANCEMENT DE LA RÉCOLTE - INDUSTRIE * 30/TONNE - GOUVERNEMENT (TRANSFERT À L’INDUSTRIE QUÉBÉCOISE DU BOIS DES SUBSIDES ACCORDÉS À L’INDUSTRIE PÉTROLIÈRE ÉTRANGÈRE) 23/TONNE * 53/TONNE +GF+ ROBINET COMPACT intégralement moulé De 1/2"a 2" Pression d utilisation maximum 150 PSI • corps du robinet en PVC • sieges en teflon • joints en buna N Robinet a bille avec servomécanisme électrique 3/8 a 2 Soupape de retenue a bille 3/8 a 3 ” Robinet * a bille a trois voies 3/8" a 1-1/4' Robinet a bille avec servo- " mécanisme pneumatique 3/8 a 2 Robinet de dosage a bille avec cadran 3/8" a 1/2" Robinet a bille avec double cotes de montage 3/8 a 3 my _ Une grande [« timLm expérience *1 ROBINETTERIE EN MATIERE PLASTIQUE G+F une-marque de commerce U S depuis 1915 LES ÉQUIPEMENTS DE Contrôle Devis LIMITEE 10500 CÔTE DE LIESSE SUITE 122 LACHINE OUEBEC H8T 1A4 MONTREAL 514/631 3552 et dans d autres grandes mies au Canada 12 L'INGÉNIE U R/SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 3vU DE FEDERAL PIONEER MENTENT LA STATION TERRIENNE INTERNATIONALE DE TÉLÉCOMMUNICATIONS PAR SATELLITE —z * _***» 'r 'rr-jSjf _ ' t ~ ^ -Lx jb^V-y, 'ÿy W- - - .4-.# § La station des Laurentides est située à Weir, au Québec, et fait partie du réseau Intelsat de télécommunications internationales.Cette installation rurale éloignée des grands centres urbains a nécessité des équipements d'une grande qualité et d'une fiabilité à toute épreuve pour ses systèmes hautement automatisés.Les trois sous-systèmes principaux de l'alimentation sont interconnectés grâce aux équipements basse tension de Federal Pioneer, assurant une distribution fiable et une protection intégrale.Dans ce type d'application aussi sophistiquée, c'est Federal Pioneer qui a conçu et fabriqué le matériel moyenne et basse tension à blindage métallique ainsi que les transformateurs â refroidissement liquide ou par air.Il est possible de fournir cet appareillage en sous-systèmes séparés ou en sous-stations individuelles totalement intégrées.Parmi les systèmes offrant une protection totale, figurent les relais à semiconducteurs de surtension 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perte.Il fut un temps où cette situation était tolérable, mais cette époque est révolue.Celui qui bâtit une maison doit tenir compte de tous les facteurs qui favorisent l’économie de l’énergie.Les maisons d’aujourd’hui doivent être ce que seront les maisons de demain: des maisons qui font un usage efficace de l’énergie.Les consommateurs d’ailleurs l’exigent et l’efficacité énergétique est devenue un facteur clé dans le choix d’une nouvelle maison.Les maisons construites suivant le Programme d’efficacité énergétique^ mis de l’avant par la Ligue de l’Électricité du Québec répondent aux exigences nouvelles des consommateurs.Ce programme comporte un ensemble de recommandations ayant trait à tous les aspects qui influent sur l’efficacité énergétique des maisons: isolation thermique, ventilation, chauffage, éclairage, chauffage de l’eau, etc.L’attitude nouvelle des consommateurs et le comportement critique des acheteurs éventuels de maisons neuves prouvent que l’efficacité énergétique, c’est une responsabilité plus grande pour certains.// y va de l'intérêt de tous! Ligue de l'Électricité du Québec 14 L'INGÉNIEUR SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 LES PROCEDES DE CONVERSION ÉNERGÉTIQUE DE LA BIOMASSE FORESTIÈRE.BILAN ET PERSPECTIVES D’AVENIR Guy Drouin, ing* Le potentiel énergétique de la biomasse forestière est considerable ; il représente une source d’énergie inépuisable, puisque renouvelable Plusieurs options, ou filières énergétiques existent déjà, ou sont en voie de développement pour récupérer ce qu’on pourrait appeler « l'énergie des arbres ».Le présent article décrit les deux grands modes de conversion énergétique de la biomasse le mode thermochimique, qui regroupe les procédés de combustion, de gazéification, de pyrolyse et de liquéfaction, et le mode biochimique qui regroupe les procédés d’hydrolyse, de fermentation et de digestion anaéorobique Les perspectives d’avenir sont par la suite dégagées Introduction Le potentiel énergétique théorique de la biomasse forestière est considérable : il représente une source d'énergie inépuisable.puisque renouvelable.La forêt peut être considérée comme un vaste accumulateur où, année après année, une partie de l’énergie solaire y est stockée.Par photosynthèse, le dioxyde de carbone (C02) et l'eau (H20) sont en efTet transformés en produits énergétiques supérieurs, sous forme de carbohydrates (CH20)n et d'oxygène (02).Si l'on excepte la Chine, où près de 4(XV du bilan énergétique total provient de la biomasse, définie ici dans son sens large comme étant une matière vivante ou autrefois vivante, la biomasse joue dans la plupart des pays industrialisés un rôle modeste, mais qui est appelée à prendre un essor considérable d'ici l'an 2000.La hausse des prix des combustibles conventionnels favorisera en effet les substitutions vers d'autres sources d'énergie plus locales, plus abondantes, plus versatiles et plus économiques, telle la biomasse forestière.C'est d'ailleurs dans cette perspective que le Gouvernement du Québec, lors de la publication du Livre Blanc sur l'énergie en 1978.fixait à 5r< la part que devrait représenter les énergies nouvelles dans le bilan énergétique provincial en l'an 2000.La biomasse occuperait une place prépondérante parmi les énergies dites nouvelles.Celle-ci pourrait toutefois être appelée à devenir encore plus importante : en effet, intégrée à un programme sylvicole approprié, l'utilisation de la biomasse aux fins énergétiques offre à l'industrie et à la société la possibilité de remettre en production, avec des essences appropriées, d'importantes superficies forestières [I], Le présent article décrira donc brièvement les diverses filières énergétiques et leurs procédés pour convertir la biomasse forestière en produits énergétiques de valeur : il conclues sur les perspectives d'avenir, en décrivant les principaux enjeux technologiques actuellement en cause.* A/.Guy Drouin, ing.MBA.est le coordonnateur du present numéro.Les procédés de conversion Plusieurs options ou filières énergétiques existent pour récupérer ce qu'on pourrait appeler « l'énergie des arbres ».Ce n'est, en effet, que par le développement d'une technologie appropriée qu'il sera possible d'ici la prochaine décennie de surmonter l'obstacle majeur à une utilisation à plus grande échelle de la biomasse forestière, soit sa très faible densité énergétique, et également de la transformer de façon à ce qu'elle puisse se prêter aux différentes utilisations dans les secteurs résidentiel, industriel, commercial et celui du transport.On reconnaît actuellement deux grands modes de conversion énergétique de la biomasse, soit le mode thermochimique et le mode biochimique.Le premier mode regroupe les procédés de combustion, de gazéification, de pyrolyse et de liquéfaction, alors que le deuxième mode regroupe les procédés d'hvdrolvse.de fermentation et de digestion anaérobi-que.La figure 1 illustre ces différents procédés et les produits qui en dérivent.Les principaux aspects de chacun de ces procédés seront décrits dans les paragraphes qui suivent.Combustion directe La combustion est une réaction chimique exothermique qui combine l'oxvgène de l'air et le carbone du bois pour former un dioxvde de carbone (C'(>2).alors que la complète oxydation de l'hvdrogène du bois donne un peu d'eau : c A- Oo C02 -h 32.8 MJ /Kg de C 2Hj + 02 2H20 + 142.1 MJ/Kg de \\ > C'est le moyen le plus connu et le plus utilisé pour libérer l'énergie de la biomasse, afin de produire de la chaleur.L'industrie forestière récupère déjà une grande quantité d'énergie à partir du bois, grâce à la combustion des déchets de bois (écorce, sciure, branches) et des liqueurs usées des usines Kraft.Au Québec, l'industrie forestière brûle à l'heure actuelle environ 1 million de tonnes métriques anhydres d'écorce.D'après une étude récente, on estime que 9.3 millions de tonnes métriques anhvdres de résidus peuvent être facilement récupérées, représentant un potentiel équivalent d'environ 2 milliards de litres d'huile no.2 par année, ayant une valeur marchande d'environ 500$ millions [2], La façon la plus répandue d'utiliser les déchets de bois est de les brûler comme tels, à l'état vert, dans de grandes chaudières classiques et de récupérer la chaleur sous forme de vapeur dans des chaudières à écran d'eau.Les compagnies SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 L’INGENIEUR 15 - - Figure 1 — Procédés de conversion énergétique de la biomasse.Volcano.Babcock et Wilcox et Combustion Engineering sont d'importants fabricants de ce type de chaudières.Il existe toutefois plusieurs autres types de chaudières ou de brûleurs adaptés selon les propriétés particulières des déchets de bois utilisés (teneur en humidité, granulométrie, teneur en cendres, etc.) et selon les conditions désirées d'opération.On distingue, par exemple, les fours de type « Dutch Oven ».suivi d’une chaudière aquatubulaire.les chaudières à chambre unique, les chaudières à chambres multiples, les incinérateurs en suspension directe et les incinérateurs à lit fluidisé [3].Selon la teneur en humidité du combustible ligneux.les rendements thermiques varient de 60% à 75%.Toutefois, avec la hausse constante des prix de l'électricité.il est devenu de plus en plus intéressant de considérer la production conjointe de vapeur et d'électricité, d'autant plus que le coût marginal d'investissement d'un kilowatt installé de cette façon est dans plusieurs cas inférieur à celui d’un projet hydroélectrique.Cogénération En effet, s'il existe un marché captif d’au moins 45 tonnes métriques/hre de vapeur en continu, avec un facteur de charge d'environ 70%.il devient alors intéressant de considérer la génération simultanée de vapeur et d'électricité [4], ou la cogénération.Le principe consiste à porter la vapeur à haute pression (4800 Kpa).qui.en se décomprimant dans une turbine, fournit un travail mécanique utile aux fins de production d'électricité.La vapeur, extraite à différentes pressions d'utilisations, est utilisée dans les procédés industriels.Pour être rentable, la production d'électricité doit être considérée comme étant un sous-produit de la production de vapeur.La figure 2 nous montre un projet type de cogénération industrielle, actuellement étudié dans le cadre de l'établissement d'un complexe forestier dans l'Outaouais (5).Par la combustion de quelques 28 tonnes métriques anhydres de résidus à l'heure, la centrale fournit environ 110 tonnes métriques/hre de vapeur selon des pressions d’utilisation variant de 350 Kpa à 1800 Kpa.et génère une puissance d'environ 15.7 Mw.à un prix de revient comparable aux prix courants de l'électricité.Le cycle de la turbine à vapeur, ou cycle de Rankine, a été retenu dans ce cas-ci ; d'autres cycles thermodynamiques ont été étudiés, tels le cycle combiné, où une turbine à gaz avec combusteur externe (cycle de Brav-ton) fonctionne en série avec le cycle de la turbine à vapeur.Ce système a été mis au point par Solar Turbine International.de San Diego [6], et permet d'optimiser la génération de CENTRE INTEGRE DE TRANSFORMATION ET D'UTILISATION FORESTIERE DE LA HAUTE-GATINEAU SCENARIO TYPE DE COGENERATION INDUSTRIELLE Figure 2 puissance.Il existe également d'autres cycles, tel le cycle simple de la turbine à gaz alimenté directement par un gaz à faible teneur énergétique produit par un gazéificateur [7].et enfin le cycle diesel à 4 temps, démontré par Duvant Moteurs de France [K] et Volvo Penta de Suède.Mis à part le cycle de la turbine à vapeur, les autres cycles sont pour la plupart à un stade de recherche expérimentale, ou en voie de commercialisation : ils répondent, en général, à des conditions d'opération très spécifiques, où une optimisation des rendements est surtout recherchée.Toutefois, à l'heure actuelle.les efforts en recherche et développement visent surtout à développer des systèmes qui améliorent les caractéristiques physiques de la biomasse avant la combustion, pour augmenter ainsi les rendements énergétiques et les conditions d'opération.Densification et pré-séchage En effet, la combustion de la biomasse aux fins de production de vapeur et/ou d'électricité amène plusieurs contraintes en raison de la nature même de ce combustible.La biomasse a généralement une faible densité énergétique par masse et par volume, ce qui est un inconvénient majeur par rapport aux combustibles conventionnels qui sont ainsi plus faciles à stocker, à transporter et à brûler.Le tableau I illustre ces caractéristiques.Le rayon maximum d'approvisionnement d'une usine est ainsi limité à environ 80 kilomètres.Au-delà de ce rayon, les coûts croissants de transport rendent.dans la plupart des cas.prohibitive l'utilisation de la biomasse aux fins énergétiques.La biomasse se caractérise également par une forte teneur en eau, qu'il est désirable d'éliminer avant la combustion afin d'en améliorer le rendement.Pour améliorer les propriétés physiques du combustible, plusieurs procédés ont été développés, dont la mise en boulettes de bois par densification [9].Un combustible propre, homogène, sec et peu polluant est ainsi produit.Quelque 17 usines de boulettes de bois existent aux Etats-Unis, construites par Woodex, Guaranty Performance Inc.et Mar’dee Corp.La boulette constitue un combustible satisfaisant pou- 16 L'INGÉNIEUR SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 vant être brûlé comme supplément ou substitut au charbon ou à l'huile.Au Québec, toutefois, la mise en boulettes ne peut se justifier que si le lieu de production de la biomasse est éloigné de son centre de consommation! 10).Elle devra également soutenir la concurrence de sources d'énergie plus faciles à stocker, ou à manutentionner, comme le gaz naturel dont le Canada possède de grandes réserves.Il est.en général, beaucoup plus rentable de pré-sécher les résidus de bois en récupérant les gaz d’échappement de la fournaise.Des systèmes intégrés de pré-séchage existent sur le marché, tel celui de Bahco.de Suède [11.12] et de Thomson.des États-Unis.Une récente étude effectuée dans le cadre du projet de la centrale thermique de l'Outaouais conclue de la même façon.Prix et rentabilité Les résidus de bois possèdent un avantage économique certain pour la production de chaleur et/ou d'électricité.Le tableau II illustre les prix respectifs de différentes formes de combustible.À un prix moyen de 30$/tonne anhydre, qui est un prix représentatif pour les résidus de bois provenant des scieries dans un rayon de 80 kilomètres dans le nord de l'Outaouais.et en tenant compte des facteurs d'efficacité énergétique, le prix moyen des résidus de bois est de 2.63S/GJ.par rapport à 4.95S/GJ pour le gaz naturel et 7.45S/GJ pour l'huile no.2.Toutefois, à l'investissement, les systèmes de combustion et de cogénération alimentés aux résidus de bois sont plus coûteux, compte tenu des systèmes de stockage et de manutention plus complexes.Une analyse coût-bénéfice déterminera la faisabilité technico-économique de chaque cas ; règle générale, le taux de rendement interne sur l'investissement est positif, surtout s’il s'agit d’une entreprise forestière qui désire brûler ses propres déchets de bois.Gazéification La gazéification est une réaction chimique complexe se produisant lorsque l’on chauffe une matière organique dans un milieu pauvre en oxygène.Le gaz produit renferme de l'hydrogène (H2), du monoxyde de carbone (CO), du bioxyde de carbone (C02) et des hydrocarbures à forte teneur en azote (N2), si l’air est utilisé à la place de l’oxygène pure (02).C'est un gaz de faible teneur énergétique (4 MJ/m3) qui peut être brûlé sur place pour la production de chaleur, ou utilisé dans une turbine à gaz ou un moteur diésel.Le gaz ainsi produit ne convient pas très bien à la conversion chimique, puisqu'il renferme un grand excédent d’azote qu'il faut extraire pour créer un gaz de synthèse.L’utilisation de catalyseurs tels la cendre ou l’oxyde de calcium (CaO) peut TABLEAU I DENSITÉ ENERGETIQUE DE DIFFERENTS PRODUITS ENERGETIQUES BTU/lb (brut) Efficacité % MMBTU/tonne (net) Densité en vrac (Ib/pi ) BTU/pi (net) GJ/m * % Résidus en vrac 4.350 62 5 39 20 53,940 20.1 1.00 Résidus séchés 7,400 76 11.25 15 84,360 31 4 1.56 Boulettes 8,500 78 13.26 40 265,520 98.9 4 92 Charbon 13,000 78 20 28 55 557,700 207 7 10.34 Huile no 2 19,665 83 32 64 51 832,320 310.1 15.43 Huile no 6 19,430 83 32.25 55 886,880 330.4 16 44 TABLEAU II PRIX COMPARATIF DES BOULETTES PAR RAPPORT AUX COMBUSTIBLES CONVENTIONNELS ET L’ÉLECTRICITÉ, POUR LA PRODUCTION DE VAPEUR BTU Efficacité BTU (net) S S/MMBTU (net) S/GJ Résidus en vrac 4,350 /Ibs 62% 2697/Ibs 15/tonne 2.78 2.63 Boulettes 8,500/lbs 78% 6630 Ibs 64/tonne'1» 4.83 4 58 Huile Jt 2 168,000/gai 82.5% 138,600/gal 1.09/gaK2» 7 86 7 45 Huile s* 6 172,000/gal 82.5% 141,900/gal 0 87/gal«3» 6 13 5.81 Électricité 3413/KwHr 90% 3071/KwHr 2.4C/KwHr 7 81 7 40 Gaz naturel 1000 /pi3 77% 770 /pi3 4.02/pi}(4) 5.22 4 95 (1 ) Coût de la matière première — $30 donne anhydre ou $15/tonne verte (courte) (2) Prix 1982 24C/litre FOB utilisateur — Montréal (Réf Gulf Canada) (3) Prix 1982 19C/litre FOB utilisateur - Montréal (Réf Gulf Canada) (4) Prix 1981 pour une consommation annuelle de 36,000 Mpc.à Montréal (1000 m3) SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 L ’ I N G É N I E U R 17 grandement améliorer la production de gaz à teneur énergétique plus élevée [13].Toutefois, la production de gaz de svnthèse pour transformation subséquente en méthanol (CH3OH) ou en d’autres produits énergétiques à pouvoir calorifique plus élevé (ammoniac — NH3, hydrogène H2.méthane — CH4) sera possible en choisissant un gazogène utilisant l'oxygène pure comme carburant [14].La figure 3 illustre les différentes filières de transformation.Il semble que la voie ouverte par la production de méthanol à partir du gaz de synthèse soit celle qui offre les meilleures perspectives d’avenir, même si le rendement énergétique du procédé est faible (environ 38'ï ).C'est l'option décrite par MM.Cham-berland et Laurin dans ce numéro.Le marché potentiel du méthanol est.en effet, considérable : mélangé dans une proportion d’environ 1:10 avec l'essence, le méthanol peut être une solution attrayante vers la recherche de substitut valable au pétrole importé.À moyen terme, grâce au développement d'un nouveau procédé mis au point par Mobil Oil Corp.le méthanol peut être transformé en essence à indice d'octane élevé.Des projets de construction d’usines sont en planification en Nouvelle-Zélande [15], aux États-Unis et en Allemagne de l'Ouest.La technologie de la gazéification se perfectionne de plus en plus.Les efforts en recherche et en développement ont donné des résultats concrets avec, entre autres, la mise en opération d’un gazogène commercial à Hearst, en Ontario, mis au point par la Société Omnifuel.D'autres sociétés sont actives dans le domaine, telles la Westwood Polygas, en Alberta, la Union Carbide qui a développé le svstème Purox, Andco-Torrax.Erco et Forest Fuels Inc., aux États-Unis.Les prochaines années verront des développements technologiques rapides dans ce domaine.Pyrolyse ou carbonisation La pyrolyse est définie comme étant la décomposition physico-chimique de matière organique en l'absence d'oxvgène.Les sous-produits de la pyrolyse sont le charbon de bois (28 MJ/Kg), une huile lourde appelée huile pyrolytique ou pyroligneux (22 MJ/Kg) et un gaz à basse teneur énergétique (4 MJ/m3).Selon la façon dont sont fixées les variables de contrôle du procédé (température, pression, vitesse de carbonisation), il est possible de produire à des proportions variables les trois sous-produits.Typiquement, une tonne de résidus de bois à 5(T< de teneur en eau peut produire 160 kg de charbon de bois.41 litres d’huile lourde, et 325 m3 de gaz.Règle générale.le gaz à faible teneur énergétique est brûlé sur place pour sécher le bois.La figure 4 illustre un cas typique d'un pvrolyseur mis au point par la société Tech Air Corp.On distingue deux types de pyrolyse : la pyrolyse à vitesse lente et la pyrolyse à vitesse rapide (flash pyrolysis).Tech Air Corp.d'Atlanta.Géorgie, est une des entreprises actives dans le domaine de la pyrolyse à vitesse lente [16].L'huile pvrolytique est équivalente à l'huile lourde no.6 ; elle est toutefois très visqueuse et souvent malpropre.Des recherches se poursuivent toutefois pour tirer de cette huile, par méthode de fractionnement, des produits chimiques à haute valeur ajoutée, tels l'acétol, le gaïacol, le pvro-catéchine [17].La pyrolyse à vitesse rapide, expérimentée, entre autres, par Occidental Research Corp [18] et Diabold and Associates [19], génère dans une grande proportion une huile riche en oléfines qui peut, par synthèse chimique, être convertie en alcools, glvcols, éthers, essence, etc.En conclusion, la pyrolyse du bois est une technologie en développement qui offre une gamme variée de produits potentiels.Aucune installation commerciale n’a été à ce jour installée.^ • .«¦< 11 .ir« Figure 3 - Gazéification.fcott toy*** PYROLYSE DE RESIDUS DE BOIS BALANCE MASSE - ENERGIE Figure 4 NéMl Figure 5 — Hydrolyse.Liquéfaction catalytique La liquéfaction catalvtique.également appelée hydrogénation ou carboxilolyse, est une réaction de réduction où le monoxyde de carbone (CO) réagit avec la matière cellulosique à des températures de 250 à 350°C et à des pressions de 70 à 350 atmosphères.Le combustible liquide produit ressemble à l'huile no.6 ; il possède toutefois un pouvoir calorifique plus faible, soit environ 30 MJ/Kg.Dans le procédé original, développé par le U.S.Bureau of Mines en 1974.le monoxyde de carbone (CO) est utilisé comme agent réducteur, avec la vapeur et/ou l’hydrogène, en présence d'un catalyseur (Na2C03 ou HC02Na), à une température de 350JC et à une pression de.18 L ‘ I N G É N I E U R/SEPTEMBRE-OCTOBRE 1981 340 atmosphères Dans ces conditions, une huile lourde est produite : toutefois, le matériel contenant un taux élevé de lignine se prête mal à la réaction catalytique.Une unité expérimentale de production a été par la suite mise en opération, à Albany.Oregon.La haute viscosité de l'huile et son impureté posent certains problèmes.Les recherches actuelles visent à régler ces questions [20].Hydrolyse Le bois est principalement composé de cellulose, de hemi-cellose, (polysaccharides) et de lignine dans des proportions moyennes de 4CT