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Un calculateur d’empreinte carbone

Sommaire

  1. Introduction
  2. Calcul d’une empreinte carbone
  3. Méthodologie détaillée
  4. Résultats par produit et comparaison des références régionales

Introduction

Fertilizers Europe a commandé le développement d’un outil permettant d’estimer l’empreinte carbone associée à la production d’une sélection de produits fertilisants.

Le calculateur estime le facteur d’émission lié à la production des engrais, exprimé en tonnes d’équivalent CO₂ par tonne de produit [t CO2eˊq/t de produit][t\ CO₂éq/t\ de\ produit][t CO2​eˊq/t de produit]. Toutes les émissions présentant un potentiel de réchauffement global, ou PRG (Global Warming Potential — GWP), sont prises en compte. Le calculateur intègre les émissions directes et indirectes provenant de l’ensemble des matières intervenant dans la fabrication du produit final considéré, jusqu’à sa livraison dans la zone de stockage des produits finis du site de production.

Le calculateur prend également en compte les émissions estimées liées à l’extraction et au transport de l’énergie, depuis sa source jusqu’à l’utilisateur.

Le Calculateur d’empreinte carbone en ligne, ou web-CFC, est accessible gratuitement sur le site Internet de Fertilizers Europe.

Le calculateur permet de sélectionner et de saisir les hypothèses de base relatives aux matières premières, au transport, à l’énergie ainsi qu’aux données propres aux procédés de production.

L’outil a été conçu pour :

○ calculer et fournir des valeurs de référence relatives aux émissions de carbone de certains engrais, sur la base de la moyenne de l’Union européenne — pour l’ammoniac et l’acide nitrique —, des valeurs MTD de l’Union européenne (meilleures techniques disponibles, ou EU BAT) — pour l’ammoniac et l’acide nitrique —, ainsi que d’autres références définies ;

○ calculer les facteurs d’émission nécessaires à un calculateur d’analyse du cycle de vie (ACV, ou Life Cycle Assessment — LCA) appliqué à l’agriculture, tel que Cool Farm Tool, ou à d’autres outils similaires servant à calculer l’ACV des produits alimentaires et des produits agricoles ;

○ fournir des données régionales — Amérique du Nord, Amérique latine, Afrique, Moyen-Orient, CEI, Asie du Sud-Est, Asie du Sud, Océanie et Chine — relatives à l’ammoniac et à l’acide nitrique, afin de les intégrer au calculateur pour déterminer des facteurs d’émission de référence. L’objectif est d’obtenir des valeurs moyennes d’émissions de carbone pour les engrais sélectionnés dans les régions précitées, afin de les utiliser comme points de référence dans le cadre de comparaisons mondiales. Les moyennes régionales peuvent également servir de données d’entrée dans des calculateurs d’ACV, tels que Cool Farm Tool.

L’outil est également destiné aux fabricants d’engrais, afin qu’ils puissent calculer leurs propres facteurs d’émission à des fins de référence interne. Sous réserve que les données soient vérifiées par un auditeur externe — The Carbon Trust ayant été désigné à cet effet par Fertilizers Europe —, les producteurs d’engrais peuvent utiliser le calculateur pour :

○ satisfaire aux exigences de déclaration réglementaire et/ou établir des rapports de développement durable et de responsabilité sociétale des entreprises (RSE) ;

○ communiquer avec les autorités locales ou nationales au sujet des questions énergétiques et environnementales.

Calcul d’une empreinte carbone

Le calculateur est divisé en quatre parties principales :

  1. Définition des engrais devant faire l’objet du calcul.
  2. Définition des sources d’énergie, en utilisant soit les données moyennes intégrées, soit les données spécifiques fournies par l’utilisateur.
  3. Partie « composants », destinée à spécifier les matières importées et les produits intermédiaires fabriqués sur le site.
  4. Partie récapitulative présentant la quantité calculée de CO₂éq pour les engrais sélectionnés.

Un rapport détaillé au format PDF, contenant l’ensemble des informations, peut être généré et téléchargé.

La structure principale des calculs repose sur les principes décrits par Kongshaug (1998), comme illustré à la figure 1.

Méthodologie détaillée

Le CFC est un calculateur couvrant le périmètre « du berceau à la sortie de l’usine » (cradle-to-factory-gate), fondé sur les principes développés par Kongshaug (1998). Cela signifie que les facteurs d’émission des produits finis, exprimés en kg CO₂éq par tonne de produit fertilisant, sont calculés étape par étape, en définissant les matières premières importées, la production des produits intermédiaires ainsi que le procédé de finition au cours duquel ces matières sont combinées pour obtenir le produit final.

Le CFC tient compte du fait que les usines d’engrais ne disposent pas toujours des installations nécessaires pour fabriquer l’ensemble des produits intermédiaires. Dans de tels cas, un ou plusieurs produits intermédiaires sont définis comme des matières premières importées.

Bien que le CFC contienne des valeurs par défaut intégrées correspondant aux références régionales — Union européenne, Russie, Chine et États-Unis — ainsi qu’aux MTD de l’Union européenne (EU-BAT — Best Available Techniques), l’utilisateur peut saisir ses propres valeurs.

[Diagramme et éléments graphiques non traduits, conformément à votre demande.]

Énergie

Les trois sources d’énergie prises en compte dans le CFC sont :

  1. les combustibles fossiles ;
  2. l’électricité ;
  3. la vapeur.

Le facteur d’émission associé aux différentes sources d’énergie dépend du facteur carbone, exprimé en kg CO₂/GJ, correspondant à l’utilisation de l’énergie et à son approvisionnement. Ce dernier englobe les émissions associées à l’exploration et à la production de l’énergie utilisée, ainsi qu’à son transport depuis la « source » jusqu’à l’utilisateur.

La production d’ammoniac et d’acide nitrique exerce l’incidence la plus importante sur l’empreinte carbone. Les données relatives à ces procédés ont donc été intégrées sur une base régionale. Fertilizers Europe a chargé Integer Research d’estimer les facteurs d’émission des installations de production d’ammoniac et d’acide nitrique dans différentes régions du monde : Amérique du Nord, Amérique latine, Afrique, Moyen-Orient, CEI — Communauté des États indépendants, ou Russian Commonwealth dans le texte original —, Asie du Sud-Est, Asie du Sud, Océanie et Chine.

Combustibles fossiles

Les combustibles fossiles peuvent être utilisés à la fois comme source d’énergie et comme matière première destinée à la production du gaz de synthèse nécessaire à la fabrication de l’ammoniac.

Vapeur

Selon le combustible utilisé dans la chaudière à vapeur, différents facteurs carbone peuvent être attribués à l’utilisation de l’énergie et à son approvisionnement. Outre la nature du combustible, le rendement de fonctionnement de la chaudière à vapeur peut varier d’un site à l’autre. Les valeurs de référence relatives à la vapeur sont établies à partir des références propres aux combustibles, en supposant un rendement énergétique de 93 %, sauf pour les chaudières à vapeur alimentées au charbon, pour lesquelles un rendement de 90 % est retenu. En sélectionnant l’option « données propres » (own data), l’utilisateur peut appliquer ses propres valeurs de rendement.

L’exportation de vapeur depuis les unités de production d’ammoniac, d’acide nitrique et d’acide sulfurique peut donner lieu à des crédits d’émission, à condition que cette vapeur soit intégralement utilisée dans d’autres unités de production. Puisqu’il s’agit d’un crédit, celui-ci est comptabilisé dans le CFC sous la forme d’une valeur négative. Le crédit accordé pour la vapeur exportée vers d’autres unités de production est identique à celui appliqué à la consommation de vapeur.

Matières premières

Les matières premières telles que la roche phosphatée, la potasse, le soufre et les matières inertes sont extraites, traitées puis transportées jusqu’au site de production. Les émissions sont donc déterminées par l’ensemble de ces opérations.

Extraction minière et traitement

L’extraction des matières premières est relativement énergivore et génère par conséquent des émissions, comparables à celles associées à l’approvisionnement énergétique. En outre, lors de la transformation de la roche phosphatée (PR, Phosphate Rock) en engrais, du CO₂ est libéré au cours du procédé de fabrication. La quantité de CO₂ émise dépend de l’origine de la roche phosphatée — sédimentaire ou magmatique — ainsi que de sa teneur en carbonates. Pour la roche sédimentaire, la consommation énergétique de l’extraction est estimée à 0,1 GJ par tonne de PR, tandis que l’extraction de roche magmatique nécessite 0,9 GJ par tonne de PR.

En supposant l’utilisation de fioul lourd, avec un facteur carbone lié à la consommation d’énergie de 77,4 kg CO₂/GJ, ces valeurs correspondent respectivement à 7,7 et 69,7 kg CO₂ par tonne de PR. Le facteur carbone associé à l’approvisionnement énergétique n’a pas été pris en compte dans les calculs, les conditions locales n’étant pas connues. Par défaut, le CFC utilise une teneur en P₂O₅ de 32 % ; lorsqu’un utilisateur saisit ses propres valeurs, des calculs inverses sont nécessaires.

La potasse est importée soit sous forme de chlorure de potassium (MOP), soit sous forme de sulfate de potassium (SOP). L’énergie associée à l’extraction et au traitement est estimée respectivement à 3 GJ par tonne pour le MOP et à 1,4 GJ par tonne pour le SOP. En supposant l’utilisation de fioul lourd, cela correspond respectivement à 232,2 et 108,4 kg CO₂ par tonne de MOP et de SOP.

L’extraction et le traitement des matières inertes sont également énergivores. Leur consommation est estimée à 0,8 GJ par tonne de matière inerte, ce qui correspond à 61,9 kg CO₂ par tonne de matière inerte, en supposant l’utilisation de fioul lourd. Le CO₂ contenu dans le calcaire (CaCO₃) et dans la dolomie peut potentiellement être libéré lors de leur application en agriculture, en fonction du pH du sol et d’autres facteurs. Dans les résultats du CFC, le CO₂ contenu dans le produit final et susceptible d’être libéré lors de son utilisation agricole est calculé séparément.

Transport

Les émissions de CO₂ liées au transport dépendent du mode de transport utilisé et de la distance à parcourir. Bien que l’utilisateur puisse utiliser les facteurs d’émission communiqués par ses fournisseurs, des facteurs d’émission moyens relatifs au transport ont également été calculés.

Outre les émissions liées au transport, les autres émissions associées aux matières premières doivent également être prises en compte dans l’empreinte carbone totale. Des données propres à chaque installation concernant la production des produits intermédiaires sont donc intégrées.

Produits intermédiaires et données spécifiques aux installations

Lorsque des produits intermédiaires, tels que l’ammoniac, l’acide nitrique, etc., sont importés sur le site de production, les mêmes facteurs d’émission liés au transport que ceux décrits pour les matières premières s’appliquent. En revanche, le facteur d’émission du produit lui-même n’est pas calculé ; il doit être estimé à partir des données fournies par le fournisseur.

Pour chaque produit intermédiaire fabriqué sur le site — et donc non importé —, il est possible de renseigner des données propres à l’installation concernant la consommation énergétique sous forme de combustible, d’électricité et de vapeur. Pour l’ammoniac (NH₃) et l’acide nitrique (HNO₃), un large ensemble de valeurs de référence est disponible.

Pour l’ammoniac, l’utilisateur peut définir les émissions de CH₄, exprimées en kg CH₄ par tonne de NH₃ ; celles-ci sont automatiquement converties en équivalents CO₂. Pour la production d’acide nitrique, les émissions de N₂O, exprimées en kg N₂O par tonne de HNO₃, ainsi que celles de CH₄, exprimées en kg CH₄ par tonne de HNO₃, sont prises en compte dans le calcul effectué par le CFC. Un traitement d’abattement par défaut au moyen d’un système deNOx ou NSCR — réduction catalytique non sélective — est proposé en option.

Pour les unités de production d’acide nitrique, le rendement de conversion par défaut est fixé à 95 %, soit 284 kg de NH₃ par tonne de HNO₃, mais des facteurs de rendement spécifiques peuvent également être utilisés.

Résultats par produit et comparaison des références régionales

Après avoir défini tous les paramètres relatifs à la production de l’engrais, l’empreinte carbone totale — exprimée en tonnes de CO₂éq par tonne de produit — est calculée pour l’engrais sélectionné.

Pour les principaux produits fertilisants tels que le nitrate d’ammonium (AN), le nitrate d’ammonium calcique (CAN), l’urée et l’UAN, des informations plus détaillées concernant les émissions sont fournies. Il s’agit notamment :

  • des émissions de CO₂ associées aux matières premières, à l’exclusion du gaz naturel utilisé comme matière première ;
  • des émissions de CO₂ associées à l’approvisionnement énergétique, y compris le gaz naturel utilisé comme matière première ;
  • des gaz à effet de serre émis au cours de la production ;
  • ainsi que, dans le cas de l’urée et de l’UAN, du CO₂ capté dans le produit et susceptible d’être libéré ultérieurement dans les champs.

Une comparaison avec les valeurs de référence régionales est également disponible pour ces produits. La figure 2 présente un exemple de résultat obtenu pour le nitrate d’ammonium.

Les données régionales relatives aux émissions ainsi que les données régionales d’approvisionnement énergétique ont été utilisées pour calculer l’empreinte carbone des quatre engrais azotés suivants : nitrate d’ammonium, nitrate d’ammonium calcique, urée et engrais liquide UAN-30.

Références

Kongshaug. (1998). Energy consumption and greenhouse gas emissions in fertilizer production. IFA Technical Conference, Marrakech, Morocco

639, (2008), GHG Emissions and Energy Efficiency in European Nitrogen Fertiliser Production and Use, F Brentrup, C Pallière

751, (2014), Assessing the Carbon Footprint of Fertilisers, at Production and Full LCA, B Christensen, F Bentrup, L Six, A Hoxha, C Pallière

805, (2019), The Carbon Footprint of Fertiliser Production: Regional Reference Values, A Hoxha, B Christensen

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Efficacité énergétique de la production d’engrais

Sommaire

  1. L’importance de l’efficacité énergétique de la production d’engrais
  2. Amélioration de l’efficacité énergétique de la production d’engrais azotés
  3. Unités de production d’ammoniac
  4. Économies d’énergie grâce à l’intégration des unités d’ammoniac aux unités de production d’engrais
  5. Autres facteurs influant sur l’efficacité des installations
  6. Mesure de l’efficacité des unités d’ammoniac et des émissions de gaz à effet de serre

L’importance de l’efficacité énergétique de la production d’engrais

Les analyses du cycle de vie réalisées pour les cultures agricoles montrent systématiquement que le principal impact environnemental du processus de production est lié aux émissions de gaz à effet de serre, et que l’énergie mise en œuvre dans la production des engrais constitue une composante importante de cet impact. La figure 1 montre que les émissions de N₂O provenant de la production d’engrais azotés (N) et des champs agricoles sont les principales sources de gaz à effet de serre.

Les émissions de gaz à effet de serre provenant de la production d’engrais azotés résultent principalement de deux sources : le CO₂ issu de l’utilisation de sources d’énergie fossiles — principalement le gaz naturel — comme matière première et comme combustible dans la synthèse de l’ammoniac, et le N₂O émis lors de la production d’acide nitrique. Environ 70 % du gaz naturel, c’est-à-dire du méthane, utilisé pour fabriquer l’ammoniac sert de matière première et fournit 60 % de l’hydrogène H₂ nécessaire à la réaction avec l’azote N₂ de l’air afin de synthétiser l’ammoniac. Les 40 % restants de l’H₂ proviennent de l’eau dans les unités modernes d’ammoniac utilisant le reformage à la vapeur. Ces réactions ont pratiquement atteint leur rendement théorique maximal. Les 30 % restants du méthane sont utilisés comme combustible pour chauffer les procédés. La figure 2 présente les niveaux d’émissions de gaz à effet de serre associés à la production de nitrate d’ammonium (AN) pour différents niveaux technologiques.

Figure 1. Empreinte carbone de la production de blé, exprimée en kg d’équivalent CO₂ par hectare, ventilée selon les différents gaz à effet de serre et leurs sources. Source : Actes IFS 639.

Amélioration de l’efficacité énergétique de la production d’engrais azotés

Pour les raisons exposées ci-dessus, l’amélioration de l’efficacité énergétique constitue l’objectif principal des évolutions technologiques dans le domaine de la production d’engrais azotés. Ces évolutions sont mises en pratique aussi bien par l’amélioration de la conception des nouvelles installations que par la modernisation des installations existantes.

Les unités de production d’ammoniac sont de grandes consommatrices d’énergie. Une partie de cette énergie est utilisée sous forme d’électricité et de gaz combustible, mais la majeure partie est consommée sous forme de gaz d’alimentation. Ce gaz d’alimentation, généralement du gaz naturel, est transformé dans la section amont d’une unité d’ammoniac avec de la vapeur afin de produire de l’hydrogène. L’air constitue la source d’azote.

Figure 2. Émissions de gaz à effet de serre provenant de la production de nitrate d’ammonium, d’après Jenssen et Kongshaug (2003), pour une technologie vieille de 30 ans, et d’après les données de l’EFMA — Fertilizers Europe — pour les catégories « Moyenne européenne 2006 » et « Meilleures techniques disponibles — MTD ».

Un aperçu des évolutions historiques et des tendances futures de la production d’ammoniac est présenté sur la page FertInform consacrée à la production d’ammoniac à haute efficacité énergétique.

Les unités de production d’urée sont également consommatrices d’énergie. Elles nécessitent de la vapeur à moyenne pression provenant d’une source externe, généralement une unité d’ammoniac. En revanche, les unités d’urée produisent elles-mêmes de la vapeur à basse pression. La vapeur provenant de ces deux sources, ainsi que l’énergie électrique nécessaire, doivent être utilisées dans le procédé de fabrication de l’urée avec la meilleure efficacité énergétique possible. Des techniques de modernisation ont été développées afin d’améliorer l’efficacité énergétique des unités d’urée fonctionnant de manière « autonome », tandis que d’autres gains d’efficacité peuvent également être obtenus grâce à une meilleure intégration énergétique entre les unités d’ammoniac et d’urée.

Contrairement aux unités consommatrices d’énergie, les unités de production d’acide nitrique sont productrices d’énergie. La vapeur générée dans la section réactionnelle est utilisée pour entraîner le compresseur d’air. Toutefois, cette vapeur n’est pas suffisante à elle seule : la majeure partie de la puissance nécessaire à l’entraînement du compresseur est généralement fournie par la turbine de détente des gaz résiduaires de l’installation.

Unités de production d’ammoniac

Les principales étapes du procédé sont similaires pour toutes les conceptions d’unités d’ammoniac : compression de l’air de procédé, traitement de la charge, reformage primaire, reformage secondaire, génération de vapeur, conversion du monoxyde de carbone par réaction de décalage, élimination du CO₂, méthanation, purification complémentaire du gaz de synthèse, compression, synthèse de l’ammoniac, réfrigération et stockage de l’ammoniac. Les principales différences entre les différentes conceptions sont globalement les suivantes :

○ type d’entraînement du compresseur d’air de procédé : turbine à vapeur ou turbine à gaz ;

○ type de préchauffage de l’air de procédé et de la charge dite mixte, constituée d’un mélange de gaz naturel et de vapeur ;

○ type de récupération de la chaleur résiduelle provenant des fumées dans la section de convection du reformeur primaire, ainsi que de l’effluent du reformeur secondaire ;

○ pression et température de la vapeur produite ;

○ type de système d’élimination du CO₂ ;

○ pression de fonctionnement dans la boucle de synthèse de l’ammoniac ;

○ type de récupération de la chaleur résiduelle provenant de la boucle de synthèse de l’ammoniac.

Le taux de consommation de gaz d’alimentation par tonne d’ammoniac est similaire pour toutes les conceptions d’unités d’ammoniac, et les possibilités d’action sur cette consommation sont limitées. Par conséquent, les efforts d’amélioration de l’efficacité portent principalement sur la réduction de la consommation de gaz combustible, utilisé dans les brûleurs radiants du reformeur primaire, dans une turbine à gaz lorsqu’elle est installée, ainsi que pour l’alimentation des brûleurs des surchauffeurs de vapeur ou des chaudières auxiliaires.

Les techniques développées pour améliorer l’efficacité du processus de production comprennent notamment les suivantes :

○ Utiliser des équipements rotatifs présentant de meilleurs rendements de compression et de détente, ce qui permet de réduire les besoins en puissance d’entraînement, en particulier pour les deux principaux consommateurs d’énergie rotatifs : le compresseur d’air de procédé et le compresseur d’appoint du gaz de synthèse.

○ Utiliser un entraînement à vitesse variable plutôt qu’un entraînement à vitesse fixe, afin d’éviter le recyclage dans le train de compression à faible charge et d’améliorer davantage le système de régulation anti-pompage, en évitant l’ouverture fixe de la vanne anti-pompage aux faibles charges.

○ Améliorer la section d’élimination du CO₂, notamment par l’utilisation de catalyseurs plus performants et/ou par l’installation d’un rebouilleur dit à « reflux riche ».

○ Reconcevoir les brûleurs radiants du reformeur primaire, par exemple en envoyant la charge gazeuse mixte vers les tubes radiants à une température plus élevée, en ajoutant un préreformeur au système ou en appliquant un rapport vapeur/carbone plus faible dans la charge gazeuse mixte.

○ Préchauffer le combustible et l’air de combustion afin de réduire la consommation de combustible, en utilisant les échangeurs de chaleur des courants de procédé ou des fumées, partout où une marge thermique est disponible.

○ Ajouter un serpentin de saturateur de gaz azoté dans la section de convection, à l’endroit où sont introduites l’eau d’alimentation de chaudière et les condensats de procédé.

○ Utiliser de nouveaux catalyseurs améliorés dans la section de conversion du monoxyde de carbone afin de consommer moins de vapeur et de fonctionner à plus basse température. Le fonctionnement du catalyseur de conversion à haute température à une température plus faible permet de disposer de davantage de chaleur pour produire de la vapeur dans la chaudière de récupération située en amont de l’étage de conversion à haute température.

○ Augmenter la température de préchauffage de l’air de procédé.

○ Augmenter la pression de la vapeur générée dans la section amont de l’installation. Cette modification est plus facile à réaliser lors de la construction d’une nouvelle unité que dans le cadre de la modernisation d’une unité existante.

○ Préchauffer l’eau d’alimentation de chaudière à haute pression en utilisant des sources de chaleur telles que les courants d’entrée et de sortie du convertisseur de décalage à basse température, ou la chaleur de la section de convection, au lieu d’utiliser l’effluent du convertisseur d’ammoniac, qui peut être valorisé plus efficacement pour produire de la vapeur à haute pression.

○ Lorsqu’un tel système n’est pas déjà installé, adopter un système utilisant une solution d’aMDEA pour l’élimination du CO₂.

○ Réduire au minimum le glissement de méthane à la sortie du reformeur secondaire, afin de maintenir la pureté du gaz d’appoint de synthèse et de réduire la nécessité de purger le gaz.

○ Réduire au minimum les pertes de charge dans la section amont. Utiliser des vannes pilotées afin d’augmenter les pressions de fonctionnement lorsque cela est économiquement avantageux, par exemple dans le réseau de vapeur.

○ Utiliser un catalyseur de méthanation à basse température, afin d’éviter l’emploi de vapeur à haute pression pour préchauffer la charge du méthanateur.

○ Réduire l’énergie nécessaire à l’étage de compression du gaz d’appoint de synthèse grâce à des modifications telles que le refroidissement du gaz d’appoint à l’aspiration du compresseur de gaz de synthèse, l’abaissement de la pression de fonctionnement de la boucle de synthèse par modification de la conception du panier du convertisseur, ou l’ajout d’un troisième lit catalytique à la boucle de synthèse de l’ammoniac.

○ Transformer la boucle de synthèse humide en boucle sèche par l’utilisation d’un sécheur ou d’un lavage à l’ammoniac.

○ Récupérer la chaleur résiduelle de la boucle de synthèse, de préférence par la production de vapeur à haute pression, ou par une combinaison de production de vapeur à haute pression et de préchauffage de l’eau d’alimentation de chaudière.

○ Surchauffer davantage la vapeur à haute pression afin de réduire sa consommation dans la turbine.

○ Améliorer le refroidissement intermédiaire des étages des compresseurs afin de réduire la consommation d’énergie, par exemple en refroidissant le gaz au moyen d’un compresseur frigorifique à ammoniac lorsqu’une marge suffisante est disponible.

○ Utiliser une machine frigorifique à absorption de vapeur, ou VAM, afin de valoriser la chaleur de faible niveau thermique, par exemple pour réduire la température d’entrée du compresseur d’air de procédé.

○ Utiliser un système de nettoyage en ligne par boules des condenseurs de surface sur les sites où l’encrassement des échangeurs fonctionnant avec de l’eau propre est fréquent.

○ Utiliser une turbine de détente au lieu de simplement détendre un fluide d’une haute pression vers une basse pression, afin d’intégrer énergétiquement ce courant à d’autres courants, par exemple en produisant de l’électricité au moyen de la turbine de détente d’une boîte froide.

Économies d’énergie grâce à l’intégration des unités d’ammoniac aux unités de production d’engrais

Lorsqu’une unité d’ammoniac est intégrée à une unité de production d’engrais, plusieurs moyens supplémentaires permettent d’améliorer l’efficacité énergétique :

○ Acheminer l’ammoniac vers une unité d’urée sous forme de gaz à basse pression ou d’ammoniac liquide chaud.

○ Utiliser des chaudières hors site ainsi que des réseaux de vapeur intégrés, ce qui permet de supprimer la chaudière auxiliaire.

○ Utiliser dans l’unité d’ammoniac l’excédent de vapeur produit par l’unité d’acide nitrique.

○ Fournir à une unité d’urée le dioxyde de carbone provenant de l’unité d’ammoniac.

Autres facteurs influant sur l’efficacité des installations

Outre les changements de conception et de technologie, d’autres facteurs peuvent influencer l’efficacité d’une installation, et tous ne sont pas sous le contrôle de la direction. Certaines conditions climatiques peuvent notamment avoir un tel effet.

Les autres facteurs influençant l’efficacité d’une installation comprennent notamment :

○ Le nombre de démarrages et d’arrêts de l’installation, durant lesquels de l’énergie est consommée alors qu’aucun produit n’est fabriqué.

○ Le démarrage d’une unité d’ammoniac peut augmenter la consommation énergétique annuelle de 0,1 GJ/t.

○ Un déclenchement partiel de la section aval d’une unité d’ammoniac pendant 24 heures entraîne une augmentation de la consommation énergétique annuelle d’environ 0,1 GJ/t.

○ Un démarrage complet de l’installation, associé à quatre jours de déclenchements de la section aval, peut ainsi augmenter la consommation énergétique annuelle de 0,5 GJ/t.

○ La réduction des catalyseurs : lors du remplacement de certains catalyseurs, une opération de réduction du catalyseur, consommatrice d’énergie, est nécessaire.

○ Les performances des équipements et des catalyseurs. Les unités d’ammoniac sont de grandes installations à train unique, dont les arrêts généraux ont généralement lieu tous les deux à quatre ans. Les performances des équipements et des catalyseurs se détériorent avec le temps. Bien qu’une grande partie des performances soit rétablie lors d’un arrêt général, une restauration complète peut ne pas être réalisable.

○ Le débit de production : les périodes de fonctionnement à charge réduite ont généralement un effet défavorable sur l’efficacité de l’installation.

Mesure de l’efficacité des unités d’ammoniac et des émissions de gaz à effet de serre

Les rendements des unités d’ammoniac sont calculés et communiqués pour plusieurs raisons, parmi lesquelles figurent notamment les suivantes :

○ Les supports promotionnels des fournisseurs démontrent l’efficacité des installations et des technologies.

○ Le contrôle et la surveillance internes mettent en évidence l’importance de l’efficacité et permettent de suivre son évolution dans le temps.

○ Les audits d’installation comparent les performances actuelles aux performances historiques et mettent en évidence les possibilités d’amélioration.

○ Études comparatives — benchmarking — selon Williams et al., 2007 :

○ performances antérieures : comparaison des performances actuelles aux performances historiques ;

○ moyenne du secteur : comparaison fondée sur un indicateur de performance établi, tel que la performance moyenne reconnue d’un groupe d’installations comparables ;

○ meilleure performance de la catégorie : comparaison avec les meilleures performances du secteur, et non avec la moyenne ;

○ meilleures pratiques : comparaison qualitative avec certaines pratiques établies, considérées comme les meilleures du secteur.

À quelques exceptions notables près, la base utilisée pour le calcul de l’efficacité est souvent peu claire. Il existe plusieurs manières différentes de calculer l’efficacité, et aucune ne peut être considérée comme absolument correcte ou incorrecte. Un calcul thermodynamique complet de l’efficacité d’une installation peut prendre beaucoup de temps ; diverses conventions ont donc été établies afin de simplifier les calculs. Bien que la plupart des données relatives à l’efficacité soient incontestablement adaptées à l’objectif pour lequel elles ont été initialement élaborées, leur utilisation peut être trompeuse lorsque des données existantes sont appliquées à un nouvel objectif sans connaître précisément la base sur laquelle elles ont été calculées. Il en va de même lorsque des données provenant de différentes sources sont combinées ou lorsque des données d’efficacité globale d’une installation sont utilisées sans connaître leur ventilation détaillée.

On suppose souvent qu’il existe une relation entre l’efficacité énergétique et les émissions de CO₂. Bien qu’une telle relation puisse effectivement exister, ce n’est pas toujours le cas, en particulier pour les installations efficaces qui exportent d’importantes quantités de vapeur.

L’efficacité énergétique peut être définie comme suit, d’après CEFIC, 1998:

La situation devient quelque peu complexe lorsqu’un combustible est également utilisé comme matière première, comme c’est le cas dans la production d’ammoniac, et il existe des arguments valables en faveur ou à l’encontre de l’inclusion de cette matière première dans le calcul. La convention adoptée par l’industrie de l’ammoniac consiste à inclure l’élément « matière première », de sorte que l’efficacité d’une unité d’ammoniac est généralement calculée comme suit :

où :

La « matière première » correspond à la quantité de charge introduite dans l’installation, c’est-à-dire celle qui traverse finalement les reformeurs.

Le « combustible » correspond à la quantité de combustible utilisée dans le reformeur primaire et dans les autres appareils de chauffage à combustion. Bien que cette définition exclue les recyclages internes, tels que les gaz de purge de la boucle et du système de réfrigération, qui sont souvent utilisés comme combustibles, leur contenu énergétique est intégré au terme « matière première ».

Le terme « autres » comprend la vapeur, l’électricité et les matières premières — certaines installations pouvant, par exemple, importer ou exporter de l’hydrogène, du gaz de synthèse et de l’azote — ainsi que les corrections liées à l’état du produit et la consommation énergétique des utilités associées.

Cette définition est logique, car la frontière entre la matière première et le combustible peut être difficile à distinguer dans certaines conceptions d’unités d’ammoniac, et parce que les réactions de combustion qui se produisent dans le reformeur secondaire en utilisant la « matière première » constituent une source d’énergie plutôt qu’une source d’hydrogène, et donc d’ammoniac.

Dans de nombreuses unités d’ammoniac, la matière première constitue le terme dominant. Il est important de reconnaître que les besoins en matière première ne peuvent jamais être réduits en dessous des niveaux imposés par la stœchiométrie de la réaction.

Dans les installations « typiques » présentant une efficacité énergétique moyenne, les autres crédits et débits énergétiques sont faibles par rapport à la somme « matière première + combustible ». L’efficacité énergétique d’une unité d’ammoniac peut alors être calculée, avec une faible marge d’erreur, de la manière suivante :

Dans ces installations, il existe une forte corrélation entre l’efficacité énergétique de l’unité d’ammoniac et les émissions de CO₂ pour les unités utilisant des matières premières et des combustibles similaires. Dans d’autres unités, notamment dans de nombreuses installations parmi les plus efficaces comme parmi les moins efficaces, le terme « autres » peut être significatif et affaiblir la relation entre l’efficacité énergétique de l’unité d’ammoniac et les émissions de CO₂.

Références

Dybkjær, I. (1984). ‘Energy Consumption in Ammonia Production: Influence of External Conditions and Key Process Factors’ IFA, Paris.

Jenssen, T.K. and Kongshaug, G. (2003). Energy consumption and greenhouse gas emissions in fertiliser production. Proceedings International Fertiliser Society, 509.

Williams, G.P. and Al-Ansari, F. (2007). IFA Benchmarking of Global energy Efficiency in Ammonia Production, IFA Technical Committee Meeting, Ho Chi Minh City, Vietnam. IFA, Paris. http://www.fertilizer.org/

479, (2001), Energy Conservation: Key to Survival for Fertiliser Producers, W D Verduijn, J J de Wit

484, (2001), Energy Audits of Fertiliser Production Plants, I R Barton, J Hunns

509, (2003), Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions in Fertiliser Production, T K Jenssen, G Kongshaug

601, (2007), Ammonia Production: Energy Efficiency, CO2 Balances and Environmental Impact, J D Pach

602, (2007), Ammonia Plant Energy-saving Project: Design and Implementation, W T Nobel, R B J Waggeveld, M J Walton, P A Sharp

639, (2008), GHG Emissions and Energy Efficiency in European Nitrogen Fertiliser Production and Use, F Brentrup, C Pallière

643, (2009), EU Climate Policy and Emission Trading: Challenges for the European Fertiliser Industry, R Zwijers, J A M van Balken, E Y E Hamälä, M Croyans, C Pallière

747, (2014), Ammonia Technology Development from Haber-Bosch to Current Times, J G Reuvers, J R Brightling, D T Sheldon

770, (2015), World-Wide Trends in Urea Process Technologies, J M G Eijkenboom, M J Brouwer

787, (2016), Targeting Improving Performance and Conversion Efficiency in Nitric Acid Plants, O Kay and T Buennagel

788, (2016), Improvements in Nitrogen Addition to the Fertiliser Production Flowsheet, I Blazsek and M J Cousins

803, (2017), Changes, challenges, and opportunities in fertiliser-manufacturing processes: A personal review and outlook, J G Reuvers

818, (2018), Dual pressure nitric acid technology with high energy recovery, P Muñoz

853, (2021), Reducing Emissions from Ammonium Nitrate Based Fertiliser Operations, G. Cousland, M. Dean, R. Peddie

854, (2021), New Developments in Emissions Control for Ammonium Nitrate Based Plants, A. Gullà, S. Spreafico

856, (2021), Progress in Using Artificial Intelligence in Process Control to Reduce Energy Usage, S. Rademakers

860, (2021), Identifying and Resolving Root Causes of Poor Performance in Nitric Acid Plants, J. Ashcroft

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Rendre à nouveau attractive la récupération de l’uranium à partir des phosphates ?

Gerald Steiner, Bernhard Geissler, and Nils Haneklaus

Introduction

Les États-Unis sont le plus grand consommateur mondial d’uranium. En 2017, la très grande majorité, soit 93 %, de cet uranium était importée. Une enquête récente menée par l’administration actuelle a conclu que les importations étrangères d’uranium et l’approvisionnement en produits connexes — essentiels pour l’arsenal nucléaire américain, la marine hauturière et les centrales électriques — ne constituaient pas une menace pour la sécurité nationale. Toutefois, le déclin de l’exploitation minière nationale de l’uranium est considéré comme une préoccupation importante.

Les exploitants miniers d’uranium aux États-Unis ont lancé cette enquête dans l’espoir d’obtenir des quotas sur les importations étrangères d’uranium, ce qui leur permettrait de mieux concurrencer les entreprises étrangères, souvent publiques et fortement subventionnées. Des quotas, s’ils étaient mis en place, pourraient en effet relancer l’exploitation minière de l’uranium aux États-Unis. Ils pourraient également redonner un intérêt à la récupération de l’uranium à partir de ressources non conventionnelles, notamment les phosphates, qui, à leur apogée, ont contribué à près de 20 % des besoins du pays en uranium dans les années 1980. Cette voie pourrait redevenir rentable et être mise en œuvre beaucoup plus rapidement que l’ouverture de nouvelles mines d’uranium, lesquelles finiraient nécessairement par devoir être implantées quelque part, avec les oppositions locales que cela implique.

Les phosphates — et plus précisément ici les roches phosphatées sédimentaires — peuvent contenir des quantités considérables d’uranium associé, aussi bien en termes de concentrations que de quantités globales. La roche phosphatée est le quatrième matériau le plus extrait au monde et elle est principalement utilisée, à plus de 90 % à l’échelle mondiale, pour la production d’engrais minéraux.

Les techniques permettant de récupérer l’uranium à partir de l’acide phosphorique, produit intermédiaire liquide de la fabrication des engrais phosphatés, sont bien connues et ont été utilisées aux États-Unis, ainsi que, dans une moindre mesure, ailleurs, à l’échelle industrielle jusqu’à la fin des années 1990, lorsque les prix de l’uranium se sont effondrés, rendant la récupération non rentable pour les producteurs d’engrais.

Quantités d’uranium dans les phosphates

La sensibilisation accrue aux enjeux environnementaux, la sécurité énergétique nationale et la possible hausse des prix de l’uranium ont suscité un regain d’intérêt mondial pour cette technologie. Gabriel et al. ainsi qu’Ulrich et al. ont estimé que les producteurs d’engrais phosphatés pourraient fournir un peu plus de 15 % des besoins mondiaux en uranium en temps de paix. Des études similaires ont été réalisées pour l’Argentine, où l’uranium récupéré comme coproduit de la production d’engrais phosphatés pourrait couvrir 8 à 9 % des besoins en uranium ; pour l’Union européenne, environ 2 % des besoins en uranium ; et pour les États-Unis, environ 10 % des besoins en uranium.

Dans ces études, les quantités d’uranium récupérables à partir des phosphates dépasseraient souvent la production actuelle issue des mines d’uranium conventionnelles nationales. Kim et al. ont par exemple estimé que 5,5 millions de livres de U₃O₈, soit davantage que la production nationale américaine de 2014, qui était de 4,9 millions de livres de U₃O₈, auraient pu être fournies par l’industrie américaine des phosphates.

La figure 1 compare la production annuelle d’uranium aux importations annuelles d’uranium aux États-Unis. Elle indique également la récupération historique de l’uranium à partir des phosphates ainsi que le potentiel de récupération de l’uranium à partir des phosphates aux États-Unis. Avec la diminution de l’exploitation minière de l’uranium en 1990, les quantités d’uranium qui auraient pu être récupérées à partir des phosphates étaient supérieures aux quantités effectivement extraites des mines.

Dans la figure 1, sont pris en compte l’uranium provenant de toutes les mines de phosphate des États-Unis ainsi que l’uranium contenu dans les importations de roches phosphatées. Bien que sa concentration soit relativement élevée en Floride, environ 160 mg/kg — à comparer à la mine de Rössing en Namibie, l’une des plus anciennes exploitations commerciales d’uranium en activité et la cinquième plus grande mine d’uranium commerciale, avec des concentrations moyennes d’uranium de 200 à 300 mg/kg et une teneur moyenne de 0,003 mg/kg d’uranium dans l’eau de mer — cette teneur justifierait une récupération. Toutefois, la concentration peut être moins élevée dans d’autres régions, par exemple 107 mg/kg dans l’Idaho et 65 mg/kg en Caroline du Nord. Dans ces conditions, une récupération rentable de l’uranium serait plus difficile.

Dans ce contexte, il convient de noter que la majorité de l’uranium radiotoxique, soit 70 à 80 %, qui n’est pas récupéré est — et continuera d’être — dispersée avec les engrais sur les sols agricoles. Le reste se retrouve dans le flux de déchets de phosphogypse, c’est-à-dire une boue composée de sulfate de calcium et d’eau, présentant de faibles niveaux de radioactivité et donc des possibilités d’utilisation limitées.

Figure 1. Importations américaines d’uranium, production nationale d’uranium, récupération potentielle et historique de l’uranium à partir des phosphates, prix moyens pondérés de l’uranium, ainsi que coûts minimaux et maximaux projetés pour la récupération de l’uranium par extraction par solvant (a) et par échange d’ions (b) aux États-Unis.
Source : EIA (8) et Beltrami et al. (1).

Économie de la récupération

Malgré des prix de l’uranium relativement faibles, les propriétaires et exploitants de réacteurs électronucléaires civils aux États-Unis ont acheté, en 2018, un total de 40 millions de livres d’équivalent U₃O₈ auprès de fournisseurs américains et étrangers, à un prix moyen pondéré de 38,81 dollars américains par livre de U₃O₈. Près de 42 % de cet uranium provenait du Canada et d’Australie ; environ 40 % provenait du Kazakhstan, de Russie et d’Ouzbékistan ; et près de 10 % provenait des États-Unis. L’uranium d’origine américaine a été livré à un prix moyen pondéré de 45,26 dollars américains par livre de U₃O₈.

Dans ce contexte, les coûts de récupération de l’uranium à partir de l’acide phosphorique, au moyen d’une technologie d’extraction par solvants industriellement éprouvée, sont estimés aujourd’hui aux États-Unis entre 44 et 61 dollars américains par livre de U₃O₈. Ces coûts se situent donc à la limite de la rentabilité économique.

La récupération de l’uranium au moyen de procédés fondés sur l’échange d’ions n’est pas encore une technologie commerciale éprouvée pour la récupération de l’uranium, mais elle est actuellement testée à l’échelle pilote aux États-Unis par PhosEnergy, une société australienne. Elle pourrait réduire davantage les coûts, jusqu’à environ 33 à 54 dollars américains par livre de U₃O₈.

Des économies encore plus importantes pourraient être réalisées si l’uranium radiotoxique était lixivié directement, avant l’étape d’attaque/digestion, à partir de la roche phosphatée enrichie. Cela permettrait de rendre non seulement l’engrais final, mais aussi le sous-produit phosphogypse, pratiquement exempts d’uranium.

Bien que le gypse soit un matériau de construction largement utilisé, le phosphogypse est généralement stocké indéfiniment en raison de sa faible radioactivité, qui résulte de la présence naturelle d’uranium et, dans une moindre mesure, de thorium dans les roches phosphatées traitées. Quelque 100 à 300 millions de tonnes de phosphogypse sont produites chaque année dans le monde. Rendre ce matériau disponible pour des utilisations non contestables pourrait donc permettre à l’industrie des engrais d’économiser des centaines de millions de dollars américains en coûts annuels de stockage qui s’accumulent autrement.

Par ailleurs, au regard des coûts directs précédemment mentionnés pour la récupération de l’uranium à partir des phosphates, qui peuvent être estimés aujourd’hui, il convient de souligner que nous pourrions être confrontés à des coûts indirects croissants liés à la purification des eaux souterraines contaminées par l’uranium issu des engrais si les pratiques actuelles restent inchangées.

Quo vadis, récupération de l’uranium ?

La récupération de l’uranium à partir des phosphates est déjà une bonne idée du point de vue de la conservation des ressources et des Objectifs de développement durable, ODD, des Nations unies. Le cadre établi par les décideurs politiques américains déterminera si l’uranium sera ou non à nouveau récupéré au cours de la production d’engrais.

Dans ce contexte, des quotas sur les importations étrangères d’uranium aux États-Unis pourraient, de manière consciente ou non, fournir un cadre incitatif à la récupération de l’uranium pendant la production américaine d’engrais, et ainsi rendre à nouveau attractive la récupération de l’uranium à partir des phosphates.

Informations sur les auteurs

Auteur correspondant

Nils Haneklaus — Danube University Krems, Krems, Autriche, et RWTH Aachen University, Aix-la-Chapelle, Allemagne ;
ORCID : orcid.org/0000-0002-673-0376 ;
Email : nils.haneklaus@rwth-aachen.de

Autres auteurs

Gerald Steiner — Danube University Krems, Krems, Autriche

Bernhard Geissler — Danube University Krems, Krems, Autriche

Les informations complètes de contact sont disponibles à l’adresse suivante :
https://pubs.acs.org/10.1021/acs.est.9b07859

Notes

Les auteurs déclarent ne pas avoir d’intérêts financiers concurrents.

Références

(1) Beltrami, D.; Cote, G.; Mokhtari, H.; Courtaud, B.; Moyer, B. A.; Chagnes, A. Recovery of Uranium from Wet Process Phosphoric Acid by Solvent Extraction. Chem. Rev. 2014, 114, 12002–12023.

(2) Singh, D. K.; Mondal, S.; Chakravartty, J. K. Recovery of Uranium From Phosphoric Acid: A Review. Solvent Extr. Ion Exch. 2016, 34, 201–25.

(3) Gabriel, S.; Baschwitz, A.; Mathonnière, G.; Fizaine, F.; Eleouet, T. Building future nuclear power fleets: The available uranium resources constraint. Resour. Policy 2013, 38, 458–469.

(4) Ulrich, E.; Schnug, H.-M.; Prasser, E. Frossard Uranium endowments in phosphate rock. Sci. Total Environ. 2014, 478, 226–234.

(5) López, L.; Castro, L. N.; Scasso, R. A.; Grancea, L.; Tulsidas, H.; Haneklaus, N.; Nacional, C.; Atamica, D. E.; Libertador, A.; Aires, C. B. Uranium supply potential from phosphate rocks for Argentina’s nuclear power fleet. Resour. Policy 2019, 62, 397–404.

(6) Tulsidas, H.; Gabriel, S.; Kiegiel, K.; Haneklaus, N. Uranium resources in EU phosphate rock imports. Resour. Policy 2019, 61, 151–156.

(7) Kim, H.; Eggert, R. G.; Carlsen, B. W.; Dixon, B. W. Potential uranium supply from phosphoric acid: A U.S. analysis comparing solvent extraction and ion exchange recovery. Resour. Policy 2016, 49, 222–231.

(8) EIA. Uranium Marketing Annual Report, 2019; https://www.eia.gov/uranium/marketing/.

(9) Hore-Lacy, I. Production of Byproduct Uranium and Uranium from Unconventional Resources; Elsevier Ltd, 2016; http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-100307-7.00009-0.

(10) Al Khaledi, N.; Taha, M.; Hussein, A.; Hussein, E.; El Yahyaoui, A.; Haneklaus, N. Direct leaching of rare earth elements and uranium from phosphate rocks. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019, 479, 012065.