La mécanique de base de l'incinération des déchets à l'énergie

L'incinération pour la récupération d'énergie est un procédé de traitement thermique où les déchets solides sont brûlés à des températures comprises entre 850 °C et 1 100 °C dans un environnement contrôlé et riche en oxygène. La chaleur intense convertit l'eau d'une chaudière en vapeur à haute pression, ce qui entraîne une turbine reliée à un générateur électrique. Les usines modernes de production d'énergie à partir de déchets (EfW) ont peu de ressemblance avec les installations rudimentaires de combustion et d'émission des décennies précédentes.

Les usines d'EfW sont conçues pour traiter la fraction résiduelle des déchets solides municipaux laissés après des programmes de recyclage et de compostage agressifs — des matériaux tels que le papier contaminé, les plastiques non recyclables, les textiles et les déchets de bois qui n'ont pas de marché viable de recyclage.En extrayant l'énergie de ce matériau autrement mis en décharge, l'incinération ferme une boucle de matériaux et génère une source d'énergie expédiable. Selon l'Agence internationale de l'énergie, les installations de traitement des déchets vers l'énergie dans le monde ont fourni environ 380 TWh de chaleur et d'électricité en 2022, chiffre qui pourrait doubler d'ici 2040 dans des conditions favorables.L'électricité est directement alimentée dans les réseaux nationaux et selon les définitions des compétences, la portion biogénique – dérivée des déchets organiques – est souvent qualifiée d'énergie renouvelable.

L'air primaire est introduit sous la grille pour sécher et enflammer les déchets, tandis que l'air secondaire au-dessus de la grille assure une combustion complète en phase gazeuse, réduisant les hydrocarbures non brûlés et le monoxyde de carbone. La température, les niveaux d'oxygène et le temps de séjour sont surveillés en permanence pour maintenir des conditions optimales. Ce degré de contrôle non seulement améliore le rendement énergétique, mais réduit également la formation de polluants comme les dioxines et les furannes, qui sont détruits à des températures supérieures à 850 °C avec suffisamment de temps de séjour.

Fourniture de matières premières et considérations de qualité

La disponibilité et la composition des matières premières usées influent directement sur la viabilité de l'incinération dans les réseaux nationaux. L'urbanisation et l'accroissement démographique génèrent des volumes sans cesse croissants de déchets solides municipaux, la production annuelle mondiale devant atteindre 3,4 milliards de tonnes d'ici 2050, selon la Banque mondiale. Cette marée montante de déchets crée à la fois un défi d'élimination et une opportunité énergétique.

Dans plusieurs pays européens, les déchets sont traités pour éliminer les matières recyclables, les métaux ferreux et non ferreux et les matériaux inertes, ce qui permet de produire un combustible dérivé des déchets plus uniforme et d'une valeur calorifique plus élevée. L'utilisation de la FDR dans les installations dédiées d'EfW ou les installations de cocombustion permet de mieux contrôler la combustion et d'accroître l'efficacité électrique, atteignant souvent 25 à 30 % net, comparativement à 20 à 22 % avec les déchets reçus.

Incinération dans la taxonomie des énergies renouvelables

La question de savoir si l'incinération est une source d'énergie renouvelable relève de la définition des politiques.

Cette reconnaissance partielle détermine comment les réseaux nationaux peuvent intégrer l'incinération dans leurs portefeuilles d'énergies renouvelables.Les planificateurs de réseaux peuvent compter une part prévisible de la production d'EfW vers des objectifs renouvelables – généralement 50 à 65 % de la production totale, selon la composition des déchets – tout en utilisant la production complète de l'usine pour en assurer la fiabilité.L'Agence américaine de protection de l'environnement a souligné que les installations d'EfW produisent de l'électricité avec une empreinte carbone par mégawattheure plus faible que le charbon ou l'énergie alimentée au pétrole, principalement parce qu'elles évitent les émissions de méthane qui résulteraient de la mise en décharge de la même matière organique.

Stabilité du réseau et contributions de base

L'une des critiques les plus vives à l'égard d'un réseau à prédominance renouvelable est sa vulnérabilité à l'intermittence. Les panneaux photovoltaïques solaires ne produisent que pendant les heures de lumière du jour et les éoliennes dépendent des conditions météorologiques. L'entreposage de batteries peut atténuer les fluctuations à court terme, mais l'entreposage à grande échelle et à plusieurs jours demeure économiquement difficile.

Au Danemark, qui a fortement développé l'énergie éolienne pour alimenter plus de 50 % de son électricité, les installations d'EfW fournissent environ 5 % de l'électricité du pays et une part importante du chauffage urbain, agissant comme un pilier stable qui réduit la dépendance à l'égard des combustibles fossiles importés pendant les périodes à faible vent. La capacité des installations de moduler la production en quelques minutes contribue également à la régulation de la fréquence et aux réserves de rotation, services qui sont de plus en plus précieux à mesure que les réseaux deviennent plus dynamiques.

Flexibilité et capacités de rampage

Avec des systèmes de grille avancés et une logique de contrôle adaptée, beaucoup peuvent réduire la charge à 50 à 60 % de la capacité pendant plusieurs heures et revenir à la charge totale en 15 à 30 minutes. Cette flexibilité leur permet de répondre aux changements de la demande nette sans nécessiter de sauvegarde des combustibles fossiles. L'inertie thermique du système de chaudière, combinée à l'entreposage de la chaleur dans de grands réservoirs d'eau ou de sel fondu, peut maintenir les conditions de vapeur pendant les périodes de faible charge.

Performance environnementale et contrôle des émissions

Les incinérateurs de génération plus ancienne n'ont pas de contrôles de pollution sophistiqués et sont devenus associés aux dioxines, aux métaux lourds et aux gaz acides. Cependant, les installations d'aujourd'hui fonctionnent dans des cadres réglementaires rigoureux. Dans l'Union européenne, la directive sur les émissions industrielles fixe des valeurs limites strictes pour les polluants, y compris les oxydes d'azote, le dioxyde de soufre, les particules et les dioxines.

Une usine moderne typique d'EfW déploie une série de technologies de réduction : réduction sélective non catalysante ou réduction catalytique sélective pour les oxydes d'azote; épurateurs secs ou humides pour les gaz acides; injection de charbon actif pour les dioxines et le mercure; et filtres en tissu pour les particules fines.Les émissions de cheminées résultantes sont une fraction de celles provenant de la combustion non réglementée de déchets ou même de nombreuses centrales à combustibles fossiles. Selon l'Agence européenne pour l'environnement, le secteur des déchets vers l'énergie a réduit ses émissions de dioxines de plus de 99 % depuis les années 1990.

Les cendres de fond, résidu inerte restant après combustion, trouvent également de la valeur. Les métaux ferreux et non ferreux sont récupérés pour recyclage, et le reste de l'agrégat est utilisé dans la construction de routes et la production de béton, réduisant le besoin de matériaux vierges. Cependant, les cendres volantes, souvent, nécessitent une gestion soigneuse en raison de la teneur élevée en métaux lourds.

Viabilité économique et cadres politiques

Les coûts d'investissement de la construction d'une usine EfW sont importants, allant souvent de 400 à 800 millions de dollars pour une installation traitant 500 000 tonnes par an, ce qui signifie que les projets nécessitent généralement des contrats à long terme, des garanties gouvernementales ou des partenariats public-privé pour obtenir des financements.

Le système britannique de contrats pour les différences, bien qu'il soit conçu principalement pour l'énergie éolienne et solaire, a suscité des discussions sur l'extension de mécanismes similaires à EfW avec capture et stockage du carbone, étant donné son potentiel d'émissions négatives lors du traitement des déchets biogéniques. En Suède, des taxes élevées sur les décharges et des interdictions de mise en décharge des déchets combustibles ont effectivement fait de l'incinération la voie par défaut, avec la récupération d'énergie comme avantage supplémentaire. Inversement, les pays qui ont des redevances de mise en décharge et des terres abondantes peuvent trouver EfW peu attrayants sans intervention.

Comparaisons économiques avec d'autres sources expédiables

La comparaison du coût de l'énergie (CFE) à un niveau plus élevé entre EfW et les centrales de pointe au gaz naturel ou l'énergie de biomasse spécialisée révèle souvent que EfW est plus cher par MWh, mais cette comparaison ignore les avantages des coûts évités des décharges et des réductions de gaz à effet de serre. Lorsque les droits de passage sont pris en compte comme un flux de revenus, le coût net de l'électricité produite par EfW peut être compétitif, en particulier dans les régions où les taxes sur les décharges et les prix du carbone sont élevés.

Perception du public et obstacles sociopolitiques

Même avec des mesures de réduction des émissions avancées, les projets EfW rencontrent souvent des oppositions locales. Les préoccupations concernant la qualité de l'air, les valeurs des propriétés et le trafic de camions sont courantes et les campagnes de mobilisation sont parfois incompatibles avec la véritable durabilité. Les erreurs de communication des promoteurs, tout comme les souvenirs persistants des usines plus anciennes, ont aggravé le déficit de confiance.

Intégration de l'incinération avec d'autres énergies renouvelables

Au lieu de traiter EfW comme une solution autonome, les plus grands planificateurs d'énergie la considèrent comme un partenaire stabilisateur de l'énergie éolienne et solaire. Une approche de portefeuille combine des énergies renouvelables variables, la production thermique des déchets et le stockage de l'énergie pour répondre aux courbes de demande sans récupération de combustibles fossiles.Lors des après-midi ensoleillés où la production solaire atteint des sommets, les usines EfW peuvent se remettre en marche, conserver le combustible et réduire l'usure; pendant les rampes de demande du soir, elles se multiplient rapidement.

Cette relation symbiotique améliore l'économie de tous les composants.La stabilité de la charge de base d'EfW réduit la quantité de stockage ou la capacité de pointe de gaz qu'un système doit maintenir, ce qui peut réduire les coûts totaux du système.Lorsque des instruments de tarification du carbone sont appliqués, les installations d'EfW à forte teneur biogénique deviennent encore plus compétitives, car leur responsabilité en matière de carbone est moindre par unité d'énergie fournie.

Études de cas et mise en œuvre mondiale

La Suède se distingue par son niveau de référence pour l'intégration des déchets dans l'énergie. Le pays envoie moins de 1 % de ses déchets dans les décharges et compte sur 34 usines d'EfW pour traiter environ 6 millions de tonnes de déchets par an, fournissant de l'électricité à plus d'un million de foyers et de chauffage urbain à beaucoup plus. Le gouvernement importe activement des déchets des pays voisins, les traitant comme un combustible commercial et une source de revenus.

En Chine, la capacité d'EfW s'est considérablement accrue dans le cadre des 13e et 14e plans quinquennals, avec plus de 300 usines en exploitation d'ici 2023. L'échelle de la Chine a entraîné une baisse des coûts du matériel à l'échelle mondiale et a stimulé les innovations dans les chaudières à haut rendement et les systèmes de tri automatisés. Singapour, limitée par des terres limitées, exploite des installations de gestion intégrée des déchets où l'incinération réduit le volume des déchets de 90 % et génère de l'électricité pour le réseau, les cendres de fond étant transformées en agrégats de construction.

Horizons technologiques : Capture de carbone et conversion avancée

La prochaine frontière pour l'incinération consiste à combiner le carbone avec le captage, l'utilisation et le stockage du carbone (CCUS).En raison de l'origine biogénique d'une part importante des déchets municipaux, la capture du CO2 émis pendant la combustion peut entraîner une réduction nette des émissions de carbone de l'atmosphère.L'Institut mondial de la CSC a identifié plusieurs projets EfW en Europe qui pilotent le captage du carbone à partir d'une mine, dans le but d'atteindre des taux de capture de 95 %.

La gazéification et la pyrolyse, bien qu'elles ne soient pas encore généralisées à l'échelle commerciale, offrent une voie thermique alternative, qui permet de traiter les déchets de chaleur dans un environnement à faible oxygène pour produire des gaz syniques, un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone, qui peuvent être brûlés dans des turbines à gaz ou encore raffinés dans des produits chimiques et des combustibles.

Recommandations de politique générale pour les planificateurs de grille

Les autorités nationales du réseau et les décideurs peuvent prendre plusieurs mesures pratiques pour évaluer et exploiter le potentiel de l'incinération:

  • Conduire des évaluations intégrées des ressources[ qui quantifient la disponibilité des déchets non recyclables, sa fraction biogénique et les émissions de méthane évitées par rapport à la mise en décharge.
  • Mise à jour des normes de portefeuille pour les énergies renouvelables[ pour reconnaître explicitement la part biogénique de la production d'EfW, éventuellement avec des mesures de protection qui ne déplacent pas les efforts de recyclage ou de réduction des déchets.
  • Exiger des normes rigoureuses de performance environnementale[ basées sur les meilleures techniques disponibles, avec transparence du public en ce qui concerne les données d'émission continues.
  • Explorer les mécanismes contractuels[, tels que les primes d'alimentation ou les contrats carbone, pour déterminer la différence qui vaut la nature expéditionnable, charge de base d'EFW et son potentiel d'émissions négatives avec CCUS.
  • Favoriser l'engagement du public[ par un dialogue précoce et transparent, des avantages pour la collectivité et une communication fondée sur des données probantes sur les risques pour la santé et les impacts environnementaux.
  • Intégrer EfW dans les modèles de planification du système pour tenir compte de ses capacités fermes, de sa flexibilité et de ses avantages connexes en matière de gestion des déchets.

Équilibrer le recyclage, la réduction et la récupération d'énergie

Les critiques mettent en garde contre le fait que l'incinération crée un effet de verrouillage, où les villes deviennent dépendantes d'un flux régulier de déchets vers des installations coûteuses en combustible, ce qui décourage le recyclage et la réduction des déchets. Ce risque est réel mais gérable par la conception des politiques.Une hiérarchie des déchets qui privilégie la prévention, la réutilisation et le recyclage doit être juridiquement contraignante et appliquée avant que les permis d'EfW ne soient délivrés.

Conclusion

L'incinération occupe une position complexe mais de plus en plus défendable au sein des portefeuilles nationaux d'énergie renouvelable. Elle fournit une énergie ferme et expéditable qui complète la production éolienne et solaire variable, réduit le méthane provenant des décharges et peut être intégrée au captage du carbone pour obtenir des émissions négatives.Sa contribution nécessite toutefois un calibrage rigoureux : des contrôles d'émissions rigoureux, une véritable hiérarchie des déchets et un engagement public transparent ne sont pas négociables.Lorsque ces conditions sont remplies, les installations de valorisation des déchets vers l'énergie peuvent évoluer des sites d'élimination controversés vers des actifs énergétiques stratégiques qui aident les réseaux nationaux à naviguer dans la transition vers une économie circulaire décarbonisée.