L'impératif croissant pour la gestion intégrée des ressources

Dans la course mondiale vers les émissions nettes nulles et les économies circulaires, l'expansion parallèle de la bioénergie et de l'exploitation des ressources minérales représente à la fois un défi et une opportunité. La bioénergie, dérivée de matières organiques telles que les résidus agricoles, les déchets forestiers et les cultures énergétiques spécialisées, devrait fournir jusqu'à 20 % de l'énergie primaire mondiale d'ici 2050 dans des scénarios climatiques ambitieux.

L'extraction minière repose fortement sur l'énergie produite par les combustibles fossiles, tandis que la production de bioénergie ignore souvent la teneur en minéraux de ses matières premières. Cependant, un nouveau paradigme émerge : la co-utilisation, où les caractéristiques complémentaires des ressources minérales et bioénergie sont délibérément exploitées pour créer des systèmes plus efficaces, moins gaspillages et plus solides sur le plan économique.

Comprendre la co-utilisation : définitions et synergies fondamentales

La co-utilisation se réfère à l'utilisation simultanée ou séquencée des ressources en bioénergie et des ressources minérales d'une manière qui améliore la chaîne de valeur globale. Au cœur de ce concept, on exploite les synergies : la bioénergie peut fournir la chaleur, l'énergie ou les agents chimiques nécessaires à la transformation des minéraux, tandis que les sous-produits minéraux peuvent améliorer l'efficacité de la conversion de bioénergie, réduire les émissions ou servir de coproduits précieux.

Les principes clés qui sous-tendent la co-utilisation sont les suivants :

  • Complémentarité dans les propriétés: La biomasse contient souvent des volatiles, de l'humidité et des alcalins qui peuvent être utilisés pour le traitement thermique des minerais; les matrices minérales peuvent agir comme sorbants ou catalyseurs dans les réactions bioénergétiques.
  • Débit de matériaux circulaires :[ Les déchets d'un cours d'eau deviennent des intrants pour l'autre, réduisant ainsi la mise en décharge et l'extraction des ressources vierges.
  • L'utilisation de bioénergie renouvelable pour l'extraction minérale réduit l'empreinte carbone de l'exploitation minière, tandis que les additifs à base de minéraux peuvent permettre une production de bioénergie plus efficace.

En s'éloignant des activités siloées, les industries peuvent réduire leurs coûts opérationnels, prolonger leur durée de vie des ressources et s'aligner sur les objectifs environnementaux, sociaux et de gouvernance (ESG). Pour un contexte plus large sur la gestion circulaire des ressources, le rapport de l'Agence internationale de l'énergie sur les minéraux dans les transitions vers une énergie propre fournit une lecture fondamentale.

Approches novatrices en détail

1. Traitement des minéraux bioénergétiques

La co-utilisation est peut-être le plus directement utilisée par la bioénergie, sous forme de biomasse solide, de biogaz ou de biocarburants liquides, pour répondre aux besoins thermiques et électriques des opérations minières et de transformation minérale. La valorisation minérale traditionnelle (crutement, broyage, séchage, grillage, fusion) est une activité énergétique intensive et repose depuis toujours sur le charbon, le gaz naturel ou l'électricité provenant des réseaux électriques provenant des combustibles fossiles.

Comment ça marche: Les gazéifiants de biomasse peuvent produire des gaz synthétisants qui remplacent le gaz naturel dans les fours rotatifs pour la granulation de minerai de fer ou dans les fours à chaux. Les biogaz provenant de la digestion anaérobie des déchets organiques peuvent alimenter des unités de chaleur et d'énergie combinées (PCH) dans les sites miniers.

Exemple réel: En Suède, la société minière de Boliden a expérimenté le remplacement des combustibles fossiles par des résidus forestiers et des granulés de bois dans ses opérations de fusion du cuivre, ce qui a permis de réduire sensiblement les émissions de CO2.

Considérations techniques :[ Les défis comprennent la densité variable de l'humidité et de l'énergie de la biomasse, la nécessité de prétraitement (séchage, granulation) et d'assurer une offre cohérente. Toutefois, les progrès de la torréfaction de la biomasse et de la pyrolyse produisent des matières premières à densité plus élevée qui imitent mieux les combustibles fossiles.

2. Utilisation des sous-produits minéraux dans la production de bioénergie

À l'inverse, de nombreux sous-produits de l'industrie minière, à savoir les scories, les cendres, les poussières et les résidus, contiennent des éléments précieux qui peuvent améliorer les processus de bioénergie ou servir de coproduits.

  • Scories comme catalyseur ou support catalyseur:[ Les scories en acier riches en oxydes de calcium, de fer et de magnésium peuvent être utilisées comme catalyseurs pour la gazéification de la biomasse ou la pyrolyse, augmentant la fissuration des goudrons et le rendement en hydrogène.
  • Fly frêne comme amendement du sol après la production de bioénergie:[ Le frêne issu de la combustion de biomasse contient du potassium et du phosphore; lorsqu'il est combiné avec des cendres minérales provenant du charbon (cocombustion), il peut être formulé comme engrais à libération lente, ce qui permet de retourner les nutriments à l'agriculture et à la foresterie.
  • Mouche rouge de la bauxite : Ce déchet hautement alcalin peut être utilisé comme sorbant pour capturer le CO2 de la mise à niveau du biogaz ou comme catalyseur de production de biodiesel.Les chercheurs de l'Université du Queensland ont démontré que la boue rouge atteint des taux de méthanation jusqu'à 90 % lorsqu'elle est utilisée comme support pour les catalyseurs de nickel.

Impact sur l'économie circulaire :[ En répurant les sous-produits minéraux, les entreprises évitent les coûts de mise en décharge, réduisent le besoin de matériaux de catalyseur vierges et créent de nouveaux flux de revenus.

3. Systèmes agro-industriels intégrés

Une stratégie de co-utilisation plus globale consiste à associer la culture de la biomasse à l'extraction minérale sur la même terre. Ce concept, parfois appelé « phytominage » ou « agrimonisation », utilise des plantes qui hyperaccumulent les métaux du sol. La biomasse récoltée est ensuite traitée pour récupérer les métaux et l'énergie.

  • phytomine du nickel:[ Des espèces comme La murale d'Alyssum[ et Berkheya coddii[ peuvent accumuler jusqu'à 2 à 3 % de nickel dans leur matière sèche.Après la récolte, la biomasse est brûlée ou gazéifiée, produisant une bioénergie et une frêne riche en nickel (bio-or) qui peuvent être fondues directement, ce qui évite la nécessité d'exploiter à ciel ouvert des sols à faible teneur en nickel.
  • Les cultures énergétiques sur les résidus miniers:[ Les terres forestières perturbées par l'exploitation minière peuvent être reboisées avec des arbres à croissance rapide (p. ex. saules, peuplier) qui absorbent les métaux résiduels et produisent de la biomasse pour le chauffage urbain local.

Proposition de valeur: Des projets pilotes de phytominage en Albanie et dans les Balkans ont montré que la production de nickel provenant de la biomasse peut être compétitive par rapport à l'exploitation minière classique à des prix de nickel supérieurs à 15 000 $ par tonne, tout en fournissant des crédits pour les énergies renouvelables.

4. Conversion thermo-chimique avec additifs minéraux

Les additifs minéraux peuvent être introduits directement dans les processus de conversion de la biomasse pour améliorer l'efficacité, réduire les émissions ou produire des extrants de plus grande valeur.

  • Les sorbants à base de calcium dans les gazéifiants de lit fluidisés:[ L'ajout de calcaire ou de dolomite au lit capture le CO2 et le soufre, ce qui permet la production d'énergie négative au carbone par le biais de boucles chimiques.
  • Minerais de fer comme porte-oxygène dans la combustion chimique en boucle : Au lieu de brûler la biomasse avec de l'air, les particules de minerai de fer transportent l'oxygène d'un réacteur à air vers un réacteur à combustible, produisant un flux concentré de CO2 adapté à la capture.
  • Les catalyseurs minéraux pour la liquéfaction hydrothermale: Lors de la conversion de la biomasse humide en bio-crude, l'ajout de zéolites ou de matériaux à base d'alumine améliore le rendement et la qualité de l'huile, réduisant ainsi la teneur en oxygène et la viscosité.

Ces approches brouillent la ligne entre la bioénergie et le traitement des minéraux, créant des symbioses industrielles entièrement intégrées.

Avantages de la co-utilisation : un avantage multidimensionnel

Durabilité environnementale

La co-utilisation réduit les émissions de gaz à effet de serre en remplaçant les combustibles fossiles par de la biomasse renouvelable dans le traitement des minéraux, et en captant ou en évitant les émissions provenant des flux de déchets. L'utilisation circulaire de sous-produits réduit également la demande d'extraction de matériaux vierges et réduit la mise en décharge.

Efficacité des ressources

Par exemple, l'utilisation de cendres de biomasse comme engrais signifie que les éléments nutritifs des matières premières de la biomasse (qui autrement seraient perdus) font partie d'une boucle fermée. De même, l'utilisation de boue rouge comme catalyseur étend l'utilité d'un produit résiduaire qui, autrement, nécessiterait un stockage à long terme.

Avantages économiques

L'intégration peut réduire les coûts énergétiques des mines (surtout dans les régions éloignées où la biomasse est disponible localement), réduire les frais d'élimination des déchets et créer de nouveaux revenus provenant de coproduits. Le marché mondial de la symbiose industrielle, où la co-utilisation est un élément clé, devrait augmenter de 8 à 10 % par année jusqu'en 2030.

Défis et obstacles à la mise en œuvre

Les obstacles techniques

Les caractéristiques de la biomasse (l'humidité, la composition des cendres, la disponibilité saisonnière) doivent être adaptées à des procédés minéraux spécifiques. Par exemple, la biomasse à haute teneur en alcalin peut causer des égratignures et des encrassements dans les chaudières conçues pour les combustibles fossiles.

Viabilité économique

De nombreuses technologies de co-utilisation sont encore à l'échelle pilote ou de démonstration. L'investissement en capital pour la rénovation des installations minérales existantes ou la construction de nouvelles installations intégrées peut être élevé. De plus, le prix de la biomasse et des sous-produits minéraux peut être volatil.

Lacunes en matière de réglementation et de politique générale

La co-utilisation entre les réglementations sectorielles traditionnelles, la classification des déchets de sous-produits minéraux pouvant restreindre leur utilisation comme catalyseurs ou engrais, les permis environnementaux pour les installations combinées peuvent nécessiter des délais d'examen plus longs, un cadre politique cohérent qui reconnaît les avantages synergiques est nécessaire.Pour un aperçu des recommandations stratégiques, le Perspectives des ressources mondiales du Programme des Nations Unies pour l'environnement offre des informations sur la gouvernance intégrée des ressources.

Études de cas et applications du monde réel

Finland]System circulaire à Kemi: La mine Kemi, propriété d'Outokumpu, traite le minerai de chrome. Elle s'est associée à une usine de biogaz locale qui utilise des déchets alimentaires et des résidus forestiers.Le biogaz alimente l'équipement électrique et le chauffage de l'usine de traitement des minéraux, tandis que le digestate est utilisé pour revergérer les zones de résidus.

Afrique du Sud: Une société minière de Mpumalanga expérimente le remplacement du diesel dans les véhicules d'exploitation lourde par du biodiesel produit à partir de tournesol et de soja cultivés sur des terres minées régénérées. Le sous-produit de la production de glycérine est utilisé comme un antipoussière sur les routes de transport, réduisant à la fois l'utilisation de combustibles fossiles et la consommation d'eau.

Japon biomasse torréfié dans les fours à ciment: Pour réduire la dépendance à l'égard du charbon importé, l'industrie japonaise du ciment a co-chauffé des granulés de bois torréfié avec du coke de pétrole dans les fours à ciment. Les granulés de bois remplacent jusqu'à 15% du charbon, et la teneur élevée en calcium du clinker de ciment capture une partie du CO2 biogénique, faisant effectivement partie du processus carbon-négatif.

Les catalyseurs technologiques et la numérisation

Les capteurs d'Internet des objets (IoT) surveillent l'humidité de la biomasse, la composition des cendres et les concentrations de gaz en temps réel, permettant des ajustements dynamiques. Les modèles d'intelligence artificielle prédisent les meilleurs rapports de mélange de biomasse et d'additifs minéraux pour maximiser le rendement énergétique ou minimiser les émissions. Par exemple, un groupe de recherche de l'Université de Tokyo a développé un jumeau numérique d'un gazéificateur de biomasse intégré à une usine de réduction du minerai de fer, permettant aux opérateurs de tester différents scénarios sans interrompre la production.

Blockchain peut également jouer un rôle dans le traçage de l'origine et de l'empreinte carbone des ressources à la fois bioénergie et minéraux, une caractéristique de plus en plus demandée par les investisseurs et les clients.

Cadres de politique et de collaboration nécessaires

Pour une adoption généralisée, les décideurs doivent créer des conditions qui encouragent la collaboration intersectorielle.

  • Harmoniser les définitions des déchets et des ressources:[ Règles claires qui classent les sous-produits minéraux comme matières premières secondaires plutôt que comme déchets, pourvu qu'ils répondent aux normes de qualité pour les applications de la bioénergie.
  • Financement de l'innovation:[ Subventions et incitatifs fiscaux pour les usines pilotes qui démontrent des technologies de co-utilisation.Le programme Horizon Europe de l'Union européenne et le Department of Energy des États-Unis Le Bioenergy Technologies Office sont des exemples de sources de financement existantes qui pourraient être élargies.
  • Prise en charge et crédit pour le carbone:[ Inclure les émissions évitées résultant de l'intégration de la biomasse et des minéraux sur les marchés du carbone, par exemple par le biais du Mécanisme pour un développement propre ou de crédits volontaires pour le carbone, ce qui améliorerait le rendement des investissements des premiers adoptants.
  • Formation et partage des connaissances:[ Établir des grappes ou des pôles industriels où les sociétés minières, les producteurs de bioénergie et les établissements de recherche peuvent partager les pratiques exemplaires et élaborer conjointement des normes.

Un cadre global est présenté dans les rapports d'IRENA Innovation Landscape , qui mettent en évidence l'intégration intersectorielle comme un facteur clé de la transition énergétique.

Perspectives d'avenir: l'intensification de la co-utilisation

La prochaine décennie verra probablement la co-utilisation passer de la démonstration de niche à la pratique industrielle courante.

  1. Pressions croissantes pour décarboniser l'industrie minière et lourde : Les grandes sociétés minières (Rio Tinto, Vale, BHP) ont annoncé des cibles nettes nulles; la co-utilisation avec la biomasse offre une voie.
  2. Les améliorations dans les chaînes d'approvisionnement en biomasse:[ Les progrès dans la foresterie de précision, la collecte de résidus agricoles et la cartographie de la biomasse par satellite rendront les matières premières plus fiables et moins coûteuses.
  3. La réglementation de l'économie circulaire:[ Les mandats relatifs aux taux de recyclage et au détournement des décharges dans le cadre du pacte vert européen et les politiques similaires obligeront les industries à rechercher les utilisations symbiotiques de leurs flux de déchets.
  4. Maturation technologique:[ Le looping chimique, le traitement hydrothermal et le phytominage approchent de la capacité commerciale.

Cependant, la co-utilisation n'est pas une solution unique, chaque région doit évaluer ses ressources, ses infrastructures et son environnement politique. Ce qui fonctionne dans les pays nordiques (bénévole forestière abondante et gisements minéraux) peut différer des régions arides où la disponibilité de l'eau est le facteur limitant.

Conclusion

En remplaçant les combustibles fossiles dans le traitement des minéraux, en recyclant les sous-produits minéraux dans les systèmes de bioénergie, en intégrant l'utilisation des terres par la phytomination et en déployant des conversions thermochimiques avancées avec des milieux minéraux, les industries peuvent réduire les émissions, réduire les déchets, réduire les coûts et créer de nouvelles possibilités économiques.

La transition nécessitera des investissements, une collaboration intersectorielle et des politiques de soutien, mais les preuves de l'adoption précoce sont prometteuses. À mesure que la maturité technologique s'accroît et que l'analyse de rentabilisation se renforce, la co-utilisation est prête à devenir une pierre angulaire des systèmes industriels propres dans le monde entier.