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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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Acide Superphosphorique

Lorsque l’acide phosphorique est concentré au-delà de 54 % de P₂O₅, il forme de l’acide superphosphorique ou SPA (Superphosphoric Acid). Cette appellation désigne un acide phosphorique dans lequel une proportion appréciable, généralement 30 % ou plus, du P₂O₅ se trouve sous forme d’acides condensés ou d’acides polyphosphoriques [formule générale : Hₙ₊₂(PₙO₃ₙ₊₁)].

Différentes concentrations d’acide superphosphorique peuvent être produites à partir d’acide phosphorique de voie humide ; elles se situent généralement dans la plage de 69 % à 76 % de P₂O₅. Fondamentalement, la production de SPA consiste d’abord à éliminer l’eau libre contenue dans l’acide plus dilué, puis à éliminer l’eau chimiquement liée. Cette dernière étape peut être représentée par les équations suivantes :

2H₃PO₄ + chaleur → H₄P₂O₇ + H₂O (g)

H₃PO₄ + H₄P₂O₇ + chaleur → H₅P₃O₁₀ + H₂O (g)

où H₃PO₄ est l’acide orthophosphorique, H₄P₂O₇ est l’acide pyrophosphorique, et H₅P₃O₁₀ est l’acide tripolyphosphorique. À une concentration de SPA d’environ 70 % de P₂O₅, la conversion de H₃PO₄ vers d’autres formes est de l’ordre de 25 % à 45 %.

Pour concentrer l’acide de 54 % à 70 % de P₂O₅, il faut environ 1 tonne de vapeur haute pression — environ 2,7 MPa et 230 °C — par tonne de P₂O₅. Les besoins en électricité sont d’environ 24 kWh par tonne de P₂O₅. Lorsqu’un fluide caloporteur de type Dowtherm est utilisé, la consommation de combustible est d’environ 2,7 GJ par tonne de P₂O₅.

Plusieurs types d’évaporateurs peuvent être utilisés pour la production de SPA, mais le plus courant est un système à circulation forcée (Figure 1). Dans la production d’acide superphosphorique à 69 %–72 % de P₂O₅ par concentration d’acide phosphorique de voie humide, la majeure partie du fluor est volatilisée, de sorte que l’acide ne contient plus que 0,2 % à 0,3 % de F.

En ajoutant de la silice réactive pendant l’évaporation afin de renforcer la volatilisation du fluor, la teneur en fluor peut être réduite davantage, jusqu’à environ 0,1 %. Un tel acide convient à la fabrication de produits destinés à l’alimentation animale, comme le phosphate dicalcique ou le phosphate d’ammonium, et il est utilisé à cette fin.

Les autres avantages de l’acide superphosphorique sont les suivants :

  • réduction des coûts de fret par unité de P₂O₅ par rapport à un acide à 54 % ;
  • élimination des boues. Les acides polyphosphoriques complexent la plupart des impuretés courantes ; toutefois, dans certains acides, des pyrophosphates de titane ou de magnésium peuvent précipiter ;
  • l’acide superphosphorique est nettement moins corrosif qu’un acide de concentration plus faible ;
  • l’acide superphosphorique convient à la production d’engrais liquides clairs, notamment des solutions de polyphosphate d’ammonium, car les polyphosphates complexent les impuretés qui, autrement, précipiteraient lors de l’ammoniation ;
  • l’acide superphosphorique convient à la production d’engrais liquides clairs contenant des oligoéléments, grâce à sa capacité à complexer les ions métalliques.

Les principaux inconvénients de l’acide superphosphorique sont les suivants :

  • les besoins énergétiques ;
  • la corrosion dans certains types d’évaporateurs ;
  • la viscosité élevée. La viscosité dépend de la température, de la concentration et de la teneur en impuretés ; certains acides superphosphoriques doivent être chauffés à 60 °C ou plus afin de permettre leur pompage au moyen de pompes centrifuges.

Un exemple de variation de la viscosité en fonction des impuretés et de la température est présenté dans la Figure 2.

Les compositions d’acides superphosphoriques produits à partir de plusieurs types de roches phosphatées sont présentées dans le Tableau 1.

Expédition de l’acide phosphorique

Les avantages de l’acide phosphorique en tant que source de P₂O₅ sont sa polyvalence, la rapidité du chargement et du déchargement des navires, ainsi que sa forte concentration. L’acide phosphorique peut être utilisé pour produire n’importe quel phosphate souhaité ou tout engrais composé répondant aux besoins locaux ; le triple superphosphate ou TSP, ainsi que les phosphates d’ammonium, sont moins polyvalents.

La majeure partie de l’acide expédié à l’étranger présente une concentration d’au moins 52 % à 54 % de P₂O₅, bien qu’un certain acide dit « superphosphorique », à 69 %–72 % de P₂O₅, ait également été expédié.

Comparée à l’importation de matières premières, l’expédition de 1,0 tonne de P₂O₅ sous forme d’acide phosphorique ne nécessite que 1,85 tonne d’acide à 54 % de P₂O₅ ou 1,43 tonne d’acide à 70 % de P₂O₅, contre environ 4,3 tonnes de matières premières — soit 3,3 tonnes de roche phosphatée plus environ 1 tonne de soufre.

La rapidité du chargement et du déchargement réduit les coûts grâce aux économies de main-d’œuvre, à la diminution du temps passé au port et à la réduction de l’encombrement portuaire. La manutention de l’acide phosphorique — comme celle de tout liquide — est exempte de poussières, ce qui évite la contamination atmosphérique par les poussières et minimise les pertes.

Certains inconvénients résident dans la nécessité de disposer de navires spécialement équipés, ainsi que de terminaux spécifiques comportant des pompes et des réservoirs de stockage aux points d’expédition et de réception. Le besoin d’un traitement ultérieur par l’importateur limite le marché aux pays dont la demande est suffisante pour justifier de telles installations.

L’acide phosphorique destiné à l’expédition doit être relativement exempt de solides susceptibles de former des boues, de préférence à une teneur inférieure à 1 %. Pour satisfaire à cette exigence, l’acide doit généralement être refroidi et clarifié. La quantité de boues dépend de la composition de la roche phosphatée et du procédé de production de l’acide phosphorique ; dans certains cas, la clarification n’est pas nécessaire.

Deux moyens de protection contre la corrosion des parois des réservoirs sont actuellement couramment utilisés :

  • le revêtement intérieur des réservoirs en acier doux par des feuilles de caoutchouc à base de chloroprène autovulcanisant ;
  • le revêtement intérieur des réservoirs en acier doux par un plaquage d’acier inoxydable allié au molybdène, principalement de type 317L, ou bien la construction complète du réservoir dans ce matériau.

Selon le code international de l’Organisation maritime internationale (OMI) relatif aux produits chimiques en vrac, l’acide phosphorique de qualité marchande exige un degré modéré de confinement en raison de sa nature corrosive et de sa densité élevée, généralement autour de 1,7. De plus, un navire doit comporter un double fond et des ballasts latéraux si la section de réservoir doit être utilisée pour transporter de l’acide.

Étant donné que les impuretés présentes dans l’acide tendent à former une boue épaisse et visqueuse, difficile à éliminer, les citernes utilisées pour le transport — et le stockage — doivent également être équipées d’agitateurs afin de maintenir l’acide en mouvement.

L’acide superphosphorique est généralement chauffé pendant le transport afin d’éviter une longue période de réchauffage avant le déchargement ; les navires-citernes destinés au transport de SPA doivent donc être équipés de dispositifs de chauffage.

Pour la construction des réservoirs de stockage, l’acier revêtu de caoutchouc est couramment utilisé, bien que des revêtements en acier inoxydable puissent aussi être employés. Dans certains cas, des bassins ou lagunes sont utilisés pour le stockage. Ces bassins sont revêtus de feuilles épaisses de caoutchouc ou de plastique, reposant sur une couche de gravier munie d’un drainage vers un puisard, de manière à ce que toute fuite puisse être détectée et renvoyée vers un autre bassin.

Une installation de ce type, située près de Tampa, comprenait quatre bassins d’une capacité totale de 11 000 tonnes. Les bassins étaient dotés de couvertures plastiques gonflables afin de les protéger de la pluie ou d’autres contaminations. La plupart des réservoirs de stockage disposent d’équipements permettant d’agiter occasionnellement l’acide afin d’éviter la décantation.

Références

7, (1949), Slurry Dispersion Methods for the Granulation of Superphosphate Fertilisers, J T Procter

21, (1953), Manufacture of Triple Superphosphate, J J Porter, J Frisken

23, (1953), Ammoniation of Superphosphate, J Angus

42, (1957), Use of Different Types of Phosphate Rock in Single and Triple Superphosphate Production, T P Dee, R J Nunn, K Sharples

91, (1966), NPK Fertiliser Production Using Superphosphoric Acid, G Bischofberger, R R Heck

Becker, P. (1989) Phosphates and Phosphoric Acid: Raw Materials: Technology, and Economics of the Wet Process. Marcel Dekker, Inc., New York, NY, U.S.A.

Havelange, S. et al. (2022). Phosphoric Acid and Phosphates in Ullmann’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry.

Slack, A.V. (1968). Phosphoric Acid (Part I and II). Marcel Dekker, Inc., New York, NY, U.S.A.