Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

La province de Québec, Canada, assure 90% de la production canadienne d’aluminium primaire et 60% de la production nord-américaine, ce qui en fait la quatrième région productrice d’aluminium primaire mondiale. Cependant, cette production imposante génère également une quantité considérable de résidus, soulevant d’importants défis à la fois environnementaux et industriels. Cette thèse se concentre sur la valorisation des résidus de bauxite et des sous-produits carbonés, principaux résidus générés par les activités de Rio Tinto, acteur majeur de l’industrie de l’aluminium au Québec. La non-valorisation de ces résidus représente à la fois un gaspillage de ressources et un enjeu environnemental et socio-économique important, soulignant la nécessité de trouver des solutions pour leur valorisation. La fabrication de bétons alcali-activés et d’enrobé bitumineux, dont celui de surface ESG-10, ont été identifiés par les industriels concernés comme des solutions pour valoriser les résidus de bauxite et de sous-produits carbonés au Québec. Cependant, en dépit des avantages environnementaux que les filières choisies peuvent en théorie procurer pour les acteurs industriels impliqués dans les chaînes de symbioses industrielles envisagées, des interrogations subsistent quant à leur capacité d’améliorer la performance environnementale de produits conventionnels qu’ils sont censés remplacer au Québec. Les bétons alcali-activés résultent de la réaction entre des activateurs alcalins et des précurseurs solides riches en aluminosilicates, tels que les résidus de bauxite, pour former un liant alternatif au ciment Portland dans la fabrication de béton, ce qui constituerait en théorie son avantage environnemental principal. Toutefois, les processus nécessaires pour valoriser les résidus de bauxite en tant que précurseur ainsi que leur transport vers les usines de béton peuvent réduire considérablement la performance environnementale des bétons alcali-activés. Le choix de cendres volantes comme précurseur complémentaire soulève aussi des questions, notamment en raison de leur approvisionnement. Les résidus de bauxite et les sous-produits carbonés, après broyage, présentent une granulométrie conforme aux exigences réglementaires pour une utilisation en tant que granulat filler (ci-après fillers alternatifs) dans les enrobés bitumineux. Aussi, les tests en laboratoire et à l’échelle pilote indiquent que l’enrobé ESG-10 fabriqué avec des fillers alternatifs a une performance mécanique nettement supérieure à celle de l’enrobé conventionnel. Cependant, les avantages environnementaux potentiels de l’utilisation des résidus de bauxite et des sous-produits carbonés comme fillers alternatifs restent à clarifier. Le filler conventionnel utilisé dans les centrales d’enrobage québécoises est issu du traitement de l’air lors de l’étape de séchage des granulats, il n’y a donc pas de bénéfice environnemental associé au remplacement direct de granulat vierge. En plus, le filler conventionnel remplacé par les fillers alternatifs devra être géré et environ 90% des centrales d’enrobage québécoises actives se situent entre 200 et 700 km du complexe industriel où les résidus de bauxite et de sous-produits carbonés sont générés. Cette thèse vise donc à fournir des informations environnementales clés aux décideurs industriels et aux chercheurs afin de les aider à orienter l’avenir les filières de valorisation des résidus de bauxite et des sous-produits carbonés dans la production de bétons alcali-activés et d’enrobés bitumineux dans la province de Québec. Pour répondre à cet objectif, cette thèse fait recours à l’analyse du cycle de vie (ACV) afin de comparer la performance environnementale des produits fabriqués à partir de résidus de l’industrie de l’aluminium et ceux conventionnels. Étant donné la différence de maturité technologique entre les produits évalués, une mise à l’échelle industrielle a été simulée afin de refléter au mieux les conditions réelles de production. Cette approche analytique vise à identifier les principaux leviers d’amélioration de la performance environnementale des produits en développement contribuant ainsi à éclairer les décisions relatives à la structuration de futures filières de valorisation. Les résultats indiquent que les arguments environnementaux en faveur du développement d’une filière de bétons alcali-activés à base de résidus de bauxite et de cendres volantes au Québec demeurent limités tant que certaines conditions clés ne sont pas réunies, notamment en ce qui concerne la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Parmi les principales difficultés, l’approvisionnement en cendres volantes est particulièrement critique. Les constats établis imposent la réévaluation des fondements sur lesquels la filière a été envisagée, nécessitant une redéfinition de ses bases conceptuelles pour envisager une viabilité à long terme. Des conjonctures favorables ont néanmoins été identifiées pour améliorer la performance environnementale des produits en béton alcali-activé. Les scénarios les plus optimistes permettent de réduire entre 43% et 59% les émissions de GES des produits en béton alcali-activé par rapport à ceux conventionnels. Concernant la construction de couches de roulement, l’ensemble des indicateurs environnementaux indiquent une meilleure performance environnementale des scénarios construits avec l’enrobé ESG-10 fabriqués avec des fillers alternatifs. La meilleure performance environnementale de ces derniers découle principalement de sa durée de vie supérieure, ce qui a permis une importante économie de matériaux, notamment de bitume. L’utilisation de l’enrobé ESG-10 contenant de fillers alternatifs permet, par exemple, une réduction des émissions de GES de 22 à 26% par kilomètre de couche de roulement construite. Comme l’estimation de la durée de vie supérieure de l’enrobé ESG-10 fabriqué avec des fillers alternatifs demeure incertaine, des seuils ont été établis pour chaque indicateur environnemental afin d’identifier à partir de quelle durée de vie supérieure ces enrobés surpassent les performances environnementales des enrobés conventionnels. Enfin, l’évaluation des deux études de cas sur la valorisation des résidus de l’industrie de l’aluminium ouvre la voie à un nouveau paradigme pour leur valorisation : passer d’un modèle fragmenté à une stratégie de symbiose industrielle multiproduit qui intègre les synergies internes à la production d’alumine et d’aluminium. Il est attendu que les connaissances produites dans cette thèse contribueront à alimenter les réflexions des acteurs de l’industrie de l’aluminium, du béton et de l’enrobage, ainsi que de la communauté scientifique engagée à trouver des solutions pour la valorisation des résidus de bauxite et de sous-produits carbonés.