Bilan Environnemental Des Technologies En Sucrerie De Canne

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DOSSIERBilan environnemental des technologiesen sucrerie de canneJean-Luc Magalhaes,Fives CailRÉSUMÉCet article présente les performances énergétiques et les émissions de gaz à effet de serre (GES) des équipements de l’avantusine (préparation et extraction) et de l’atelier process sucre(évaporation, cristallisation, essorage et séchage) d’une unitéindustrielle d’exploitation de la canne à sucre.Différentes technologies ont été comparées et font ressortir lestechnologies de Fives Cail qui présentent des avantages énergétiques significatifs.En ce qui concerne les émissions de GES, les technologies économes en énergie sont aussi celles qui limitent le plus les émissions de GES. Les émissions durant la fabrication et la fin de viedes équipements sont très faibles en comparaison à celles de laphase d’utilisation des produits.ABSTRACTThis paper presents energy performance and greenhouse gas(GHG) emissions of front end equipment (preparation and extraction) and of sugar process equipment (evaporation, crystallization, curing and drying) of a sugarcane factory.Different technologies have been compared and highlightedFives Cail technologies which have significant energy advantages.As regards GHG emissions, energy-efficient technologies limit themajority of GHG emissions. GHG emissions for fabrication andend-of-life of equipment are very small compared to operationemissions.1 - ENJEUXAu cours de ces dernières années, les sucreries de canne ont subid’importantes mutations.La première de ces mutations a consisté à valoriser au mieux labagasse en orientant les sucreries vers la cogénération de vapeuret d’électricité pour satisfaire les besoins du site industriel dansun premier temps et ensuite valoriser les excédents de productionélectrique. Ces excédents sont alors revendus au réseau électrique local ou utilisés pour couvrir d’autres besoins tels que l’irrigation. Pour réaliser cette mutation efficacement, il est nécessaire de réduire les consommations de vapeur et d’électricité desateliers énergivores en augmentant les capacités d’une part et enoptimisant les procédés et les technologies d’autre part. Cettemutation est en cours et est loin d’être achevée : de nombreusessucreries ont encore besoin d’optimisations approfondies.De plus, cette production d’électricité à partir de biomasse permet de limiter les émissions de gaz à effet de serre (GES). Cesémissions évitées peuvent être financées par le « Clean Development Mechanism (CDM) » : en 2010, 90 projets de cogénérationsont financés dans 16 pays. Ces projets évitent l’émission de 4,3millions de tonnes de CO2 chaque année (UNFCCC).La deuxième de ces mutations a consisté à diversifier l’utilisationde la canne à sucre avec le développement de la production debioéthanol.Le sucre n’est donc plus le seul produit issu de l’exploitation dela canne à sucre : l’électricité, l’éthanol et le CO2 représententdésormais une part importante de la production et des revenusdes industriels du secteur (figure 1).-36-Industries Alimentaires et Agricoles Juillet-Août 2010Figure 1 –Exploitation de la canne àsucre – Principaux produitsCette filière industrielle rajoute donc à ses préoccupations traditionnelles, l’agriculture et le process sucrier, de nouvelles préoccupations relatives à l’énergie et l’environnement (Moor, Rein).Ces préoccupations conduisent même les industriels ou les distributeurs à communiquer vers le grand public : Tate and Lyle,British Sugar précisent les émissions de GES de leurs productionsde sucre blanc, roux ou raffiné. De son côté, la filière bioéthanolfait l’objet d’analyses détaillées, en particulier au Brésil (BNDES,Macedo, Wang).Dans ce contexte où les impératifs industriels, économiques etenvironnementaux sont intimement liés, cet article a pour objetde quantifier le bilan environnemental des principales technologies utilisées en sucrerie de canne. Pour les aspects environnementaux, nous nous focaliserons plus particulièrement sur l’énergie et les GES.2 - ÉVALUATIONSLes technologies que nous évaluons ci-après sont celles utiliséespar le tronc commun de traitement de la canne à sucre (préparation et extraction) d’une part et les principales technologiesde l’atelier process sucrier (cf. tableau 1 page suivante) d’autrepart: Pour ce qui concerne la préparation de la canne : les coupecannes et le shredder gravitaire qui représentent la technologieconventionnelle, puis le shredder en ligne, Pour ce qui concerne l’extraction du jus sucré de la canne :les moulins conventionnels, les MillMax et le diffuseur, Pour ce qui concerne l’atelier process de production du sucre : les évaporateurs à flot tombant et à grimpage, puis lescuites continues et discontinues, puis les essoreuses continueset discontinues et enfin les sécheurs.Pour ces différentes technologies nous avons évalué les consommations en énergie et en matières d’une part, puis les émissionsde gaz à effet de serre (GES) d’autre part. Les phases du cycle devie des technologies qui ont été prises en compte sont la fabrication, le transport et l’installation sur site, puis l’utilisation et,enfin, le démantèlement en fin de vie.Les données utilisées pour toutes ces évaluations sont préciséesau paragraphe 3. Les évaluations des technologies sont ensuiteprésentées au paragraphe 4.

Spécial sucresAtelierPréparationde la canneExtractiondu jus chage eset shredder gravitaireShredder en ligneMoulinsMillMax DiffuseurProcess sucreEvaporateurs à flot tombantEvaporateurs à grimpageCuites continuesCuites discontinuesEssoreuses discontinuesEssoreuses continuesSécheur lEnergie,sucre,éthanolSucreSucreSucreSucre3 - DONNÉES DE BASEL’usine considérée est une usine qui produit du sucre roux etcogénère la vapeur et l’électricité dont elle a besoin. L’excédent d’électricité est fourni au réseau électrique local. Les caractéristiques retenues sont des valeurs typiques rencontréesaujourd’hui.Les tableaux 2 et 3 présentent les caractéristiques de la canne àsucre et de l’usine. Elles ont permis de dimensionner les équipements puis de déterminer leurs consommations.ItemValeurCannes traitées10000 t/jFibres canne14 %Pol canne14 %Pureté jus canne85 %Durée campagne210 joursTableau 2 – Caractéristiques de la canneChaudièreAvant-usineProcessItemFacteur d’émissionRéférenceElectricité (Brésil)283,00 kg CO2 / MWhBNDES and CGEEAcier recyclé1,10 kg CO2 / kgADEMEBéton0,37 kg CO2 / kgADEMETableau 4 – Facteurs d’émissionTableau 1 – Technologies évaluéesItemreprésentent la quantité de GES émise au cours de ces activités.De nombreux facteurs d’émission sont disponibles dans des basesde données internationales reconnues. Le tableau 4 précise ceuxqui ont été utilisés.Valeur60 bar 470 CVapeur process : 2 barCoupe-cannes, shredder gravitaire5 moulins conventionnelsMotorisations électriquesImbibition : 250%Evaporation : grimpage à cinq effetsCristallisation : trois jets, cuites batch,refonte des jets B et C affinésTableau 3 – Caractéristiques générales de l’usineLes consommations électriques des différents équipements considérés sont issues de mesures réalisées sur site par Fives Cail oupar des usines pour ce qui concerne nos équipements propriétaires. Pour les autres équipements, nous avons considéré des valeurs publiées dans la littérature sucrière. Les consommations devapeur sont issues de nos modèles d’usines, utilisés et validés aucours des expertises réalisées pour nos clients au fil des années.Pour évaluer les émissions de GES d’un équipement, il faut considérer les activités unitaires du cycle de vie de cet équipement.Ces activités sont l’utilisation de matériaux pour la fabrication,la maintenance, l’utilisation, le recyclage , l’utilisation de ressources énergétiques pour la fabrication, l’utilisation, le fret etle transport de personnel. Les émissions de GES pour ces activités unitaires sont caractérisées par leurs facteurs d’émission, qui4 - BILAN ENVIRONNEMENTALDES TECHNOLOGIES EN SUCRERIE DE CANNE4.1 - Préparation de la canneLa préparation de la canne consiste à rendre accessibles les cellules contenant le jus sucré pour extraire celui-ci ultérieurement.Cette opération doit se dérouler sans perte de jus et est caractérisée par son indice de préparation. Nous avons considéré deuxtechnologies très répandues : la préparation conventionnelle etle shredder en ligne (S. Inskip). Ces deux technologies permettent d’obtenir les mêmes résultats en ce qui concerne l’indicede préparation. Le shredder en ligne présente, par rapport à lapréparation conventionnelle, plusieurs différences : il nécessitepeu d’équipements et il a un encombrement au sol limité. Nousavons pris en compte pour ces deux technologies des motorisations électriques qui sont bien adaptées à la cogénération. Letableau 5 présente les caractéristiques principales de ces deren ligne1 transporteur principal ; 1 niveleur2 coupe-cannes1 transporteur auxiliaire ; 1 shredder gravitaire ; Motorisationsélectriques1 transporteurprincipal ;1 niveleur ;1 shredder enligne ;Motorisationsélectriques 90 % 90 %4064 kW3403 kW20482 MWh17151 MWh5800 t CO2 / an4900 t CO2 / anTechnologieComposantsprincipauxPerformances :indice de préparation de la cannePuissance absorbéeConsommationélectrique annuelleEmissions de GESannuelles (consommation électrique)Tableau 5 – Technologies de préparation de la canne à sucreLes consommations électriques et les émissions de GES associéesfont apparaitre un écart entre ces deux types de technologies. Leshredder en ligne a une consommation électrique environ 16 %inférieure à celle de la préparation conventionnelle. Les émissions de GES, proportionnelles à la consommation électrique,sont plus faibles de 16% pour le shredder en ligne que pour lapréparation conventionnelle.Pour ce qui concerne le shredder en ligne, une analyse plus finedes émissions de GES au cours du cycle de vie de ce produit estprésentée dans les tableaux 6 et 7.Industries Alimentaires et Agricoles Juillet-Août 2010-37-

DOSSIERItemMasse équipements (acier)Génie civil (béton)Maintenance annuelle (acier)Recyclage acier équipementsRecyclage acier rechargement marteauxRecyclage béton génie civilValeur89 t134 t3500 kg80 %0%0%Tableau 6 – Caractéristiques complémentaires du shredder en ligne(niveleur shredder motorisations)4.2 - Extraction du jusPour extraire le jus sucré, deux principes sont mis en œuvre actuellement : l’extraction par pression entre les rouleaux de moulins et l’extraction par lixiviation. Dans les deux cas cette opération est définie principalement par l’extraction de l’atelier etpar l’humidité de la bagasse. Les technologies que nous avonsconsidérées sont les moulins conventionnels ou les MillMax pour l’extraction par pression et le diffuseur à grilles fixes avecdeux moulins de répression pour l’extraction par lixiviation (P.Rein, S. Trancart). Nous avons considéré la même imbibition pourles trois technologies. Le tableau 8 présente les caractéristiquesprincipales de ces trois technologies.Batteriede moulinsconventionnelsBatterie deMillMax DiffuseurTechnologieItemEmissions de GESFabrication - Montage148 t CO2Utilisation4900 t CO2 / anFin de vie-78 t CO2Tableau 7 – Emissions de GES du shredder en ligne(niveleur shredder motorisations)Cette analyse montre que les émissions de GES sont essentiellement concentrées sur la phase d’utilisation de l’équipement.La fabrication et la fin de vie ne représentent que 0,05 % desémissions avec une hypothèse de durée de vie de l’équipementde 30 ans. La maintenance annuelle ne représente que 0,1%des émissions. La préparation de la canne est un gros consommateur d’énergie. La technologie conventionnelle fait souventappel à une turbine pour apporter l’énergie nécessaire. Il estessentiel, dans une première étape, de remplacer les turbinespar des motorisations électriques (ou hydrauliques) car cetteétape permet de réduire très fortement le besoin en vapeurpour l’usine ; ce qui, par conséquent, améliore le bilan énergétique global de l’usine. Dans une deuxième étape, tant pourla consommation électrique que pour les émissions de GES, latechnologie de shredder en ligne est plus avantageuse que lapréparation conventionnelle (figure 2). Elle permet d’exporterplus de MWh vers le réseau externe. La puissance absorbée estréduite de 660 kW dans notre exemple, soit 3300 MWh exportésen plus chaque année, ce qui est une source de revenus complémentaires.5 moulins5 MillMax Transporteurs Transporteurs1 diffuseurintermédiaires intermédiaires2 moulinsComposantsChutesChutesde sMotorisations esImbibition /250 %250 %250 %fibrePerformances :Extraction pol96,3 %96,3 %96,3 %Humiditébagasse50 %50 %50 %Puissance4215 kW2646 kW2196 kWabsorbéeConsommationélectrique21244 MWh13336 MWh11068 MWhannuelleConsommationde vapeur6,3 t / hcomplémentaireExport annueld’électricitépour complé0*0-4202 MWhments devapeurEmissions deGES annuelles( c o ns o m ma 6000 t CO2 / an 3800 t CO2 / an 4300 t CO2 / antion électriqueet écart exportélectricité)(*) Valeur de référenceTableau 8 – Technologies d’extraction du jus sucréFigure 2 – Consommations électriques et émissions de GES annuellesde la préparation en ligne conventionnelle et du shredder en ligne-38-Industries Alimentaires et Agricoles Juillet-Août 2010En ce qui concerne les consommations électriques, le diffuseur a laconsommation électrique la plus faible, suivi par le MillMax et lesmoulins conventionnels. A cela, il faut ajouter la consommation devapeur nécessaire au maintien en température du diffuseur. Ayantpris en compte la même imbibition pour les trois technologies, iln’y a pas d’autre écart de consommation de vapeur. Cette consommation de vapeur conduit à une réduction de la quantité d’électricité exportée. Sur une période d’un an, 4202 MWh seront exportésen moins, comparativement aux moulins et aux MillMax .

Spécial sucresLe bilan global, tenant compte de la consommation électrique etde la consommation de vapeur donne l’avantage au MillMax , puisau diffuseur et, enfin, au moulin conventionnel (figure 3). Il fautcependant noter qu’une analyse financière plus complète amène leMillMax et le diffuseur à des niveaux très proches.Figure 3 – Consommations électriques annuelles et émissionsde GES des technologies d’extractionUne analyse plus fine des émissions de GES au cours du cycle devie de ces trois technologies est présentée tableaux 9 et 10.TechnologieMasse équipements (acier)Génie Recyclagebéton géniecivilBatteriede moulinsconventionnelsBatteriede MillMax Diffuseur1016 t777 t641 t1015 t775 t930 t80 %80 %80 %18 t11 t7t80 %80 %80 %0%0%0%TechnologieBatteriede moulinsconventionnelsBatteriede MillMax DiffuseurFabricationMontage1500 t CO21100 t CO21000 t CO2Fin de vie4.3 – Evaporation du jusLa concentration du jus a pour objectif d’évaporer une grandepartie de l’eau contenue dans le jus clarifié pour obtenir un siropde brix défini, sans cristalliser à l’intérieur des évaporateurs et encolorant le jus au minimum. Nous avons considéré deux technologies : l’évaporation à grimpage et l’évaporation à flot tombantavec tubes (J. Coustel). Ces deux technologies sont présentéesen 4 ou 5 effets. Le tableau 11 présente les caractéristiques etles performances principales de ces deux technologies.Evaporateurs Evaporateursà grimpage à grimpage4 effets5 effetsEvaporateurs Evaporateursà flotà flottombanttombant4 effets5 effetsTechnologieTableau 9 – Caractéristiques complémentaires des technologiesd’extractionUtilisation0,3 à 0,4 % des émissions pour une durée de vie des équipementsde 30 ans. De même, la maintenance annuelle ne représente que0,3% des émissions.L’extraction du jus, comme la préparation de la canne, est un grosconsommateur d’énergie. La technologie conventionnelle faitsouvent appel à des turbines pour apporter l’énergie nécessaire.Comme pour la préparation, il est essentiel, dans une premièreétape, de remplacer les turbines par des motorisations électriques. Dans une deuxième étape, tant pour la consommation électrique que pour les émissions de GES, la technologie MillMax est plus avantageuse que les moulins conventionnels. Elle permetd’exporter 7900 MWh de plus vers le réseau externe chaque année, ce qui est une source de revenus complémentaires.6000 t CO2/ an-900 t CO23800 t CO2 / an-700 t CO24300 t CO2/ an-600 t CO2Tableau 10 – Emissions de GES des technologies d’extractionCette analyse montre que, comme pour la préparation de la canne, les émissions de GES sont essentiellement concentrées sur laphase d’utilisation de l’équipement. Quelle que soit la technologie retenue, la fabrication et la fin de vie ne représentent queComposants45principaux évaporateurs etotale17000 m²19000 m²13500 m²15000 m²installéeCristal3 jets ; Cuites discontinues ; Prélèvements optimiséslisationConsommationde vapeur414 kg / tc 360 kg / tc 403 kg / tc 350 kg / tcatelier processsucreElectricitéexportée0*15290 MWh 2240 MWh 17110 MWhannuellementEmissions deGES annuelles04300 t CO2/an 600 t CO2/an 4800 t CO2/anévitées(*) Valeur de référenceTableau 11 – Technologies d’évaporation du jusDu point de vue énergétique, les différences entre ces technologiesproviennent pour l’essentiel de la consommation de vapeur de l’usine résultant de l’organisation des prélèvements mise en place lorsque le schéma d’évaporation est défini. Nous avons considéré, pourchaque cas, la même avant-usine et la même cristallisation. Pourla pertinence des comparaisons, les prélèvements ont été optimisésIndustries Alimentaires et Agricoles Juillet-Août 2010 -39-

DOSSIERpour chacun des schémas considérés. A ces différences de consommation de vapeur s’ajoute un écart de consommation électrique dûaux pompes, qu’il est nécessaire d’utiliser avec les évaporateurs àflot tombant. La technologie à flot tombant permet de réduire leschutes de température entre les différents effets par l’absence dechute de température hydrostatique. Cela conduit à un léger gainen consommation de vapeur d’environ 3% par rapport au grimpage,que l’on opère en 4 ou en 5 effets. Par ailleurs, une station d’évaporation à 5 effets conduit à une réduction de la consommation devapeur d’environ 13% par rapport à une station à 4 effets, que l’onsoit en technologie grimpage ou à flot tombant. Le nombre d’effetsa un impact sur la consommation plus important que la nature desévaporateurs. Pour évaluer l’impact global des différentes stationsd’évaporation, nous avons déterminé les quantités d’électricité disponibles à l’export, qui dépendent en particulier de la consommation électrique des stations d’évaporation ainsi que de la consommation de vapeur de l’usine. Pour ce faire, nous avons pris commeréférence le grimpage à 4 effets. Par rapport à cette référence, lestendances sont proches de celles obtenues en ne considérant quela consommation de vapeur : le flot tombant est légèrement plusperformant que le grimpage et le 5 effets est beaucoup plus performant que le 4 effets. En effet, le flot tombant permet d’exporterenviron 2000 MWh de plus que le grimpage, que l’on soit en 4 ouen 5 effets, et une station à 5 effets permet d’exporter entre 15000et 17000 MWh de plus qu’une station à 4 effe

Les consommations e lectriques des diffe rents e quipements consi-de re s sont issues de mesures re alise es sur site par Fives Cail ou par des usines pour ce qui concerne nos e quipements proprie tai-res. Pour les autres e quipements, nous avons conside re des va-leurs publie es dans la litte rature sucrie re. Les consommations de

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