À la mi-janvier, VTT, l'institution de recherche basée à Helsinki, a annoncé un programme de recherche « Emission-Free Pulping », un projet de recherche de 15 millions d'euros sur cinq ans visant à « réduire considérablement la combustion de la biomasse et augmenter le rendement de la matière ligneuse utilisée pour la mise en pâte d'environ 50 % à environ 70 % ».
A première vue, le premier objectif semble être un pas en arrière et le second a déjà été atteint (il s'appelle pâte thermomécanique - PTM). Cependant, je pense que c'est un peu plus compliqué que ça ! Examinons ces deux objectifs à la lumière de l'histoire, de la science et de l'ingénierie.
Combustion de biomasse
L'industrie a passé les dernières décennies à augmenter considérablement la combustion de la biomasse et à réduire l'utilisation de combustibles fossiles, en utilisant la biomasse résiduelle telle que l'écorce, la sciure de bois et les résidus de récolte. Non seulement cela réduit les émissions de GES (puisqu’on considère que le CO2 biogénique fait partie du cycle naturel du carbone à court terme), mais il y a encore 20 ans, lorsque le pétrole lourd était bon marché, il était courant de mettre l'écorce dans les sites d'enfouissement, ce qui lui permettait de se décomposer anaérobiquement en méthane, qui a un potentiel de réchauffement planétaire 27 à 30 fois supérieur à celui du CO2. On ne veut pas recommencer à faire ça !
De nombreuses chaudières à biomasse plus anciennes, cependant, ont été conçues comme un moyen de se débarrasser d'un déchet qui, pour la plupart, était assez humide. Il était courant d'utiliser l'écorçage humide et de stocker l'écorce à l'extérieur où elle devenait plus humide en raison de la pluie et de la neige dans les climats nordiques. Un combustible fossile était ajouté dans la chaudière en tant que combustible supplémentaire pour s'assurer que le combustible humide pouvait être consommé. Aujourd'hui, l'écorçage à sec est plus courant et certaines installations sèchent leur biocarburant solide avec de la chaleur résiduelle avant la combustion et/ou le broient en une poudre sèche à utiliser dans un four à chaux. Cela nécessite un certain investissement, mais réduit les émissions de CO2 fossile et biogénique. En outre, avec l'objectif mondial de zéro émission nette d'ici 2050, les biocarburants solides actuellement utilisés par l'industrie des produits forestiers deviendront probablement plus chers à mesure que d'autres secteurs de l'industrie se feront concurrence pour réduire leurs émissions. C'est le bon moment pour s'assurer que leur utilisation par le secteur des produits forestiers est aussi efficace que possible sur le plan énergétique!
Rendement de 70 %
Passons en revue l'historique de la mise en pâte. La pâte mécanique de meule, avec un rendement proche de 100 %, a été développée pour la première fois en 1843, avant la mise en pâte chimique, qui a été brevetée pour la première fois en 1854. Bien sûr, cette pâte n'était pas très utile pour fabriquer du papier en soi; une recette typique pour le papier journal jusqu'en 1960 était 70 % de pâte mécanique de meule et 30 % de pâte chimique. Les chercheurs ont essayé de trouver des recettes moins chères avec un rendement global plus élevé. La première vague de solutions s'est produite dans les années 1960 à 1980 lorsque des pâtes semi-chimiques « alphabet » principalement basées sur la chimie des procédés au sulfite et au bisulfite, telles que HYS, VHYS, SCMP, BCMP, TCMP et CTMP, ont été développées. Le rendement de ces pâtes variait généralement de 70 % à 94 % et, bien sûr, contenait beaucoup d'hémicellulose et de lignine. Ce rendement élevé a aidé à réduire les coûts car on utilisait moins de bois par tonne de pâte, mais il y avait trois inconvénients : (1) moins de résistance que les pâtes chimiques, (2) jaunissement avec l'âge, causé par l'oxydation du composant lignine et (3) l'absence d'un cycle de récupération comme celui du procédé kraft pour récupérer les produits chimiques inorganiques et brûler la partie organique, et la liqueur de pâte était rejetée dans l'environnement. En fin de compte, le développement de la PTM, avec un rendement de 97-98 %, assez fort pour fabriquer du papier sans pâte de renfort, a été le grand gagnant. Lorsque le traitement secondaire des effluents est devenu obligatoire dans les années 1990 et que la demande de papier journal a commencé à chuter, les usines de papier journal qui n'avaient pas investi dans la PTM ont été les premières à être fermées, en raison des coûts de production plus élevés, des coûts de main-d'œuvre plus élevés (pour produire deux types de pâte au lieu d'un seul) et des coûts de traitement environnemental plus élevés.
Mais revenons à l'objectif mentionné : augmenter le rendement de la pâte à 70 %. Le bois contient généralement 25 à 30 % de lignine et le reste est de la cellulose et de l'hémicellulose. Le procédé de mise en pâte chimique est conçu pour éliminer la lignine et l'élimination de l'hémicellulose est un dommage collatéral. Mais que se passerait-il si seulement la lignine pouvait être éliminée ? Cela donnerait un rendement de … environ 70 % ! Bien sûr, ce ne serait pas facile, car une portion de l'hémicellulose est éliminée simplement par exposition à l'eau chaude, et une partie de la lignine est chimiquement liée à la cellulose ! Mais nous sommes en 2024, pas en 1854. Nous en savons beaucoup plus sur la chimie de la lignocellulose. Au lieu d'utiliser le marteau de la chimie à base de soufre, pourrait-il être possible de concevoir une chimie plus intelligente pour retenir l'hémicellulose et éliminer la lignine ?
Pendant ce temps, il existe d'autres projets en cours partout dans le monde pour faire des progrès significatifs dans l'amélioration de l'efficacité énergétique du processus kraft. La liqueur noire faible doit-elle être à une concentration aussi faible ? La technologie membranaire peut-elle remplacer une partie du travail énergivore des évaporateurs ? Des pompes à chaleur à haute température peuvent-elles être appliquées au processus pour économiser de l'énergie ?
Alors, ce sont des idées qui valent la peine qu’on dépense de l'argent pour la recherche !
Martin Fairbank a travaillé dans le domaine de la foresterie pendant 31 ans, y compris de nombreuses années pour un producteur de pâtes et papier et deux ans avec Ressources Naturelles Canada. Détenteur d'un PhD en chimie et d'une expérience en amélioration de procédés, développement de produits, gestion d'énergie et de production rentable, Martin est actuellement un conseiller indépendant basé à Montréal. Il est également écrivain et a publié récemment Resolute Roots qui relate les 200 ans d'histoire de la compagnie Produits forestiers Résolu et de ses prédécesseurs.
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