Life Cycle Assessment of Waste Oil-to-Jet Fuel Production via the HEFA Process with Integrated Co-generation

Résumé Technique : Analyse du Cycle de Vie de la Production de Carburant d'Aviation à partir d'Huiles Usagées via le Procédé HEFA avec Cogénération Intégrée

Énoncé du Problème
La production de carburant d'aviation durable (SAF) à partir d'huiles usagées via le procédé d'hydrotraitement des esters et des acides gras (HEFA) fait actuellement face à des défis concernant sa dépendance vis-à-vis de l'électricité et de l'hydrogène externes, ce qui peut compromettre sa durabilité environnementale globale. Alors que le secteur de l'énergie mondiale s'oriente vers la décarbonation, il est crucial d'évaluer quantitativement comment l'intégration de la cogénération (chaleur et électricité) et la substitution des sources d'hydrogène affectent la performance environnementale du cycle de vie de la production de SAF. Cette étude comble la lacune dans la compréhension des compromis entre les voies HEFA conventionnelles et un système intégré HEFA-PG (Puissance et Gaz) sous des scénarios de transition énergétique futurs, spécifiquement dans le contexte de l'évolution du réseau électrique et du paysage de production d'hydrogène en Chine.

Méthodologie
L'étude emploie une Analyse du Cycle de Vie (ACV) du berceau à la tombe suivant le cadre ISO 14040. L'unité fonctionnelle est définie comme la production de 100 tonnes de carburant de bio-jet.

• Limites du Système : L'analyse couvre la collecte et le transport des huiles usagées, le prétraitement, la production (hydrogénation et hydrotraitement), la distribution et l'utilisation finale. Deux voies sont modélisées : un procédé HEFA conventionnel et un procédé HEFA-PG intégré à une unité de cogénération (CHP).
• Simulation et Données : Les simulations de processus ont été réalisées à l'aide d'Aspen Plus pour déterminer les flux de matières et d'énergie. Les données de l'Inventaire du Cycle de Vie (ICV) ont été compilées sur la base de ces simulations et de paramètres régionaux pour la région de Pékin-Tianjin-Hebei.
• Évaluation de l'Impact : La méthode ReCiPe 2016 a été utilisée pour évaluer les impacts environnementaux à travers six indicateurs de milieu (Potentiel de Réchauffement Global [GWP], Potentiel de Formation de Particules [PMFP], Potentiel d'Acidification Terrestre [TAP], Potentiel d'Eutrophisation des Eaux Douces [FEP], Potentiel de Toxicité Humaine [HTP] et Potentiel d'Épuisement des Combustibles Fossiles [FFP]) et trois indicateurs de fin de vie (Disponibilité des Ressources, Diversité des Écosystèmes et Santé Humaine).
• Allocation et Scénarios : Une allocation basée sur la masse a été appliquée au procédé HEFA conventionnel pour les sous-produits, tandis que le procédé HEFA-PG a utilisé une approche par évitement de charge pour l'électricité générée en interne. Des analyses de sensibilité ont été effectuées pour projeter la performance environnementale sous des scénarios de décarbonation du réseau électrique (2030–2060) et pour comparer l'hydrogène issu du reformage du gaz naturel à l'hydrogène électrolytique alimenté par l'éolien.

Contributions Clés et Résultats
L'étude fournit une analyse comparative des charges environnementales du HEFA conventionnel, du HEFA-PG intégré et du kérosène d'aviation d'origine fossile.

1. Performance du HEFA-PG vs HEFA Conventionnel :

   • Le procédé HEFA-PG démontre des avantages environnementaux significatifs par rapport à la voie HEFA conventionnelle. En générant de l'électricité verte interne, le système HEFA-PG atteint une réduction nette du GWP à environ 66 % de la ligne de base HEFA conventionnelle.
   • L'étape de cogénération intégrée fournit un effet de compensation d'environ 35 % pour les indicateurs FEP, HTP et FFP.
   • En termes de formation d'ozone, le procédé HEFA-PG réduit les contributions de 80 % (dans le HEFA conventionnel) à environ 10 %, atténuant considérablement la formation d'ozone au niveau du sol.

2. Comparaison avec le Kérosène d'Aviation Fossile :

   • Les deux voies de bio-jet présentent une performance environnementale bien supérieure à celle du kérosène d'aviation fossile. Le GWP des voies HEFA et HEFA-PG est réduit respectivement à 13,3 % et 7,2 % de la ligne de base fossile.
   • La voie HEFA-PG présente la charge environnementale la plus faible dans toutes les catégories, y compris TAP et PMFP, suivie du HEFA, le fossile étant le plus élevé.

3. Impact de la Décarbonation du Réseau Électrique (2030–2060) :

   • À mesure que le réseau électrique devient plus propre, le GWP du procédé HEFA conventionnel diminue progressivement en raison de l'intensité carbone plus faible de l'électricité achetée.
   • Inversement, l'avantage de GWP du procédé HEFA-PG diminue avec le temps. À mesure que le réseau se décarbone, le bénéfice de crédit carbone lié au déplacement de l'électricité du réseau diminue, provoquant le dépassement éventuel du GWP du HEFA-PG par rapport au HEFA conventionnel d'ici 2060.
   • Cependant, le procédé HEFA-PG maintient un avantage robuste en matière de POFP (réductions >80 %) et reste moins sensible aux changements du réseau concernant l'HTP, car sa charge de toxicité est concentrée dans la logistique des matières premières et la production d'hydrogène plutôt que dans la production d'électricité.

4. Substitution par l'Hydrogène Vert :

   • Le remplacement de l'hydrogène issu du reformage du gaz naturel par de l'hydrogène électrolytique alimenté par l'éolien réduit davantage le GWP pour les deux voies.
   • Compromis Critique : Malgré les bénéfices carbone, l'hydrogène électrolytique entraîne un Potentiel de Toxicité Humaine (HTP) plus de quatre fois supérieur à celui du reformage du gaz naturel. Cette augmentation est principalement attribuée aux charges environnementales associées aux résidus de sulfure hors site générés lors de la fabrication des équipements éoliens.
   • Dans les conditions techniques actuelles, le reformage du gaz naturel présente une performance environnementale globale supérieure au sein du système HEFA-PG. Les inconvénients de toxicité de l'hydrogène électrolytique ne peuvent être atténués que par une fabrication plus propre des équipements éoliens ou une révision de l'allocation des charges environnementales entre les co-produits.

Signification et Revendications
L'article affirme que le procédé HEFA-PG est une conception hautement efficace pour les transitions énergétiques à court et moyen terme, offrant des bénéfances substantielles en matière de réduction des émissions grâce à l'électricité co-générée. Cependant, l'étude souligne que la supériorité environnementale à long terme de ce système intégré dépend du rythme de décarbonation du réseau électrique.

De plus, la recherche met en lumière une nuance critique dans l'adoption de l'hydrogène « vert » : bien que l'hydrogène issu de l'électrolyse éolienne réduise l'empreinte carbone, elle peut involontairement augmenter les risques de toxicité humaine en raison des impacts de fabrication en amont. Par conséquent, les auteurs affirment que, sous les contraintes technologiques actuelles, le reformage du gaz naturel demeure la source d'hydrogène la plus équilibrée sur le plan environnemental pour la production de SAF. L'étude identifie la collecte/le transport des matières premières et la production d'hydrogène comme les principaux points critiques environnementaux, suggérant que les améliorations futures doivent se concentrer sur la fabrication plus propre des équipements éoliens et sur des stratégies d'allocation optimisées des co-produits pour réaliser pleinement le potentiel de l'hydrogène vert dans le secteur du SAF.