février 2012

100 ans de recherche sur les combustibles fossiles à CANMET

1re partie : de 1907 aux années 1950

Par David Reeve

Des programmes liés à la récupération, au traitement et à l'utilisation des combustibles fossiles chez CanmetÉNERGIE, l'agence de recherche et de technologie d'énergie propre de Ressources Naturelles Canada (RNCan), remontent à 1907 avec la fondation de la Division des combustibles et de test des combustibles de la Direction des mines à Ottawa. Ce reportage en deux parties présente un survol des principaux programmes de technologie des combustibles fossiles depuis cette époque et leur effet sur le développement de l'utilisation des combustibles et de l'énergie au Canada.

Développement historique de l'organisation

En 1909, une Station d'essai des combustibles a été construite sur la rue Booth à Ottawa. Ces locaux étant devenus trop petits, la division a déménagé au Laboratoire de recherche sur les combustibles en 1929 et en moins de 10 ans, l'édifice a dû être agrandi.

Au fil des ans, la division a vécu plusieurs changements de nom : Division des combustibles en 1949; Division des combustibles et du génie minier en 1959 afin de reconnaître sa contribution à la recherche dans le secteur minier; et avec la divergence croissante des deux disciplines, la division a été divisée en 1967 et les noms Centre de recherche sur les combustibles et le Centre de recherche minière.

En 1968, les deux centres ont déménagé au complexe de Bells Corners nouvellement construit à l'ouest d'Ottawa. Une division distincte, le Centre d'énergie et de réduction des métaux (CERM), a été créée un an plus tard pour mettre un accent particulier sur l'évaluation des ressources de charbon canadiennes et trouver des solutions aux coûts élevés de l'énergie pour la réduction des minerais métalliques. Le CERM comprend également le Laboratoire régional de l'Ouest (LRO) de la Direction des mines à Edmonton où des travaux se déroulaient sur la préparation du charbon, le transport de charbon par pipeline.

En 1975, la Direction des mines a changé son nom au Centre canadien de la technologie des minéraux et de l'énergie (CANMET) et en reconnaissance de l'importance rapidement croissante des technologies de l'énergie à la suite de la crise énergétique de 1973, le mot « combustibles » a été éliminé du titre de la division et remplacé par « énergie » lorsque le Centre de recherche sur les combustibles et le CERM ont été fusionnés pour former les Laboratoires de recherche sur l'énergie (LRE).

En raison de l'intérêt dans les formes d'énergie autres que les combustibles fossiles, les programmes techniques de RNCan sur l'efficacité énergétique et l'énergie de remplacement, y compris le centre de recherche de Varennes, au Québec, ont été ajoutés aux responsabilités des LRE afin de former le Centre de la technologie de l'énergie de CANMET (CTEC) en 1995. Le CTEC a depuis changé son nom à CanmetÉNERGIE et développe des technologies pour des solutions énergétiques dans les édifices et les collectivités, les combustibles fossiles propres, les systèmes de bioénergie, l'énergie renouvelable, les procédés industriels, les questions des sables bitumineux et le secteur du transport.

Les premières années (1907-1920)

En 1907, on croyait que la tourbe pouvait être utilisée comme substitut à ce que l'on considérait comme étant des gisements limités de houille aux États-Unis ce qui en faisait un candidat comme combustible pour la production de gaz et d'électricité. La Division des combustibles et d'essai des combustibles a commencé la production et l'utilisation de la tourbe et une usine expérimentale a été établie à la tourbière d'Alfred, à l'est d'Ottawa pour récolter la tourbe. Un gazogène alimenté par de la tourbe séchée a été construit sur la rue Booth. Cependant, les coûts plus élevés que prévu pour la production de tourbe ont détourné l'intérêt vers l'utilisation de charbons de rang bas, comme le charbon subbitumineux albertain, pour produire du gaz pauvre de gazogène.

La Division des combustibles et d'essai des combustibles était également chargée de relever les gisements de charbon au Canada. Elle a assumé la responsabilité d'une enquête systématique des propriétés de charbon canadiennes qui avait été amorcée par la Geological Survey. Un rapport définitif intitulé « Les charbons du Canada », englobant 67 types de charbon, de l'Île de Vancouver à l'Île du Cap-Breton a été publié en sept volumes entre 1912 et 1916.

De 1916 à 1923, les tests de combustion des charbons canadiens s'attardaient au raffinement de l'utilisation des combustibles pour le chauffage domestique et la production de vapeur, en utilisant des chaudières de 200 ch qui avaient été installées dans la Station d'essai des combustibles de la rue Booth. La première « Analyse des combustibles canadiens » a été publiée en 1918.

L'intérêt pour les propriétés de shale bitumineux et de gisements de sables bitumineux canadiens a augmenté lorsque l'on croyait que la production pétrolière nord-américaine avait atteint son sommet. La distillation destructive des shales bitumineux, principalement du Nouveau-Brunswick, a été accomplie en utilisant les cuves-foyers utilisées plus tôt pour la carbonisation de lignite. On a conclu toutefois que ces gisements étaient d'un grade moyen trop bas pour être économiquement importants.

La première mention des sables bitumineux comme étant une ressource énergétique importante pour le Canada était dans une publication de la Division des mines en 1912. S. C. Ells de la Division des mines a fait un relevé des affleurements de sables bitumineux sur les rives de la rivière Athabasca dans le nord de l'Alberta et un « Summary Report on Bituminous Sands of Northern Alberta » a été publié en 1913. En 1917, le travail sur les sables bitumineux était tombé sous la responsabilité de la Division des combustibles et des essais sur les combustibles et un laboratoire d'analyse du pétrole a été établi.

Des années 1920 à la fin des années 1930

Bien que l'intérêt à trouver une utilisation économique de la tourbe comme combustible s'est poursuivi dans les années 1920, l'attention de la Division des combustibles et de l'essai des combustibles, dans les contraintes budgétaires de l'époque, était portée sur la surveillance de la qualité des ressources de combustibles fossiles du Canada à une époque durant laquelle les importations de produis pétroliers pour le transport et le chauffage étaient à la hausse.

Le programme de carbonisation du charbon de la division se concentrait sur la production d'un carburant domestique sans fumée au moyen de la carbonisation à basse température et des charbons de la Nouvelle-Écosse étaient envoyés au Pays de Galles pour des essais à l'échelle industrielle. Bien que la qualité du combustible domestique produit était satisfaisante, le processus n'a pas été jugé économique pour les conditions canadiennes. En 1930, avec la réalisation de la qualité du coke pouvait seulement être établie en effectuant des tests sur du coke produit à une échelle relativement grande, un four à coke, chauffé par gaz pauvre de gazogène, a été construit sur la rue Booth afin de traiter une charge d'environ deux tonnes de charbon. Une décennie plus tard, en raison du coût d'exploitation prohibitif, il a été remplacé par des fours de 500 livres.

Les fours étaient utilisés pour évaluer le potentiel des charbons métallurgiques canadiens pour produire du coke métallurgique et pour enquêter sur la fabrication domestique de coke afin de remplacer l'anthracite importé. Pour trouver des moyens de remplacer les charbons thermiques importés des États-Unis, un programme a été lancé afin d'évaluer les propriétés de combustion des charbons canadiens en utilisant une nouvelle chaudière à charbon pulvérisé. Une série de 130 tests distincts des charbons canadiens a été réalisée entre 1930 et 1939.

Le programme de distillation des shales bitumineux a été élargi pour inclure des échantillons de la Saskatchewan et du Manitoba. Cela représentait un dispendieux programme d'une relativement grande envergure initialement conçu pour trouver un remplacement pour la production ralentissante de pétrole dans le sud de l'Ontario. Toutefois, la division a encore une fois conclu qu'en raison du coût élevé du chauffage de grandes quantités de shale pour le processus de distillation, le pétrole de cette source ne pourrait jamais concurrencer le pétrole importé.

En 1925, 375 tonnes de sables bitumineux ont été utilisées pour des tests de pavage routier à Jasper en Alberta. Le principal obstacle en matière de traitement des sables bitumineux s'est cependant avéré être la séparation du bitume et du sable. Le sable bitumineux extrait d'une carrière par la Division des combustibles et des essais sur les combustibles a pu être séparé avec succès en bitume et en sable à une installation voisine en utilisant de l'eau chaude et la flottation, un précurseur du procédé à l'eau chaude Clark qui est encore utilisé commercialement aujourd'hui. En 1929, les travaux ont débuté sur la valorisation du bitume par hydrogénation, un procédé catalytique à haute pression pour augmenter le rapport hydrogène-carbone dans les hydrocarbures et qui avait été développé par Bergius en Allemagne au début du siècle.

La 2e Guerre mondiale et le début des années 1950

Durant les années de la guerre, les programmes se sont essentiellement concentrés sur l'effort de guerre, incluant des recherches sur l'utilisation du charbon activé dans les masques à gaz et la possibilité d'utiliser le pétrole brut de Turner Valley (en Alberta) comme source de carburant d'aviation.

En 1943, le Canada faisait face à une situation d'urgence sur le plan des combustibles et l'utilisation de la tourbe est remontée à la surface. Une utilisation accrue de ce combustible dans les endroits à proximité des gisements était privilégiée en modifiant les appareils de chauffage classiques au charbon et au bois pour brûler de la tourbe. Des évaluations physiques et chimiques complètes des charbons canadiens se sont poursuivies et les données analytiques étaient compilées périodiquement dans le Directory of Canadian Coals.

En 1939, une demande a été reçue de la Crow’s Nest Pass Coal Company de Colombie-Britannique pour observer des tests de leurs charbons dans des fours à chauffage de sole Curran-Knowles en Illinois. Les caractéristiques d'expansion de ce charbon avaient exclu son utilisation dans les fours de type à fentes classiques (et plus dispendieux). Par la suite, une batterie de 52 fours Curran-Knowles a été construite à Michel dans la Passe du Nid-de-Corbeau pour produire du coke pour la fonderie de plomb de Trail. Des recherches intenses ont également été menées dans le Laboratoire des combustibles durant cette période sur les caractéristiques de briquetage des charbons de bas rang afin d'améliorer leurs propriétés de stockage et de manutention.

Le programme de combustion du charbon s'est poursuivi en parallèle des activités de carbonisation. Une chaudière à alimentation automatique du type locomotive expérimentale avait été acquise et utilisée durant la guerre afin d'évaluer le charbon canadien à faible production de fumée pour l'utilisation ferroviaire comme remplacement des anthracites gallois et américains importés. La division a fourni des conseils techniques inestimables à l'Office fédéral du charbon qui avait été établi en 1947 afin d'offrir des subventions pour le transport du charbon des Maritimes et des provinces de l'Ouest vers les marchés du Québec et de l'Ontario.

De premières recherches importantes sur la conversion du charbon en combustibles liquides qui avait commencé avant la 2e Guerre mondiale avaient été réactivées en 1942 et transférées à l'étude de la séparation et du raffinage du bitume des sables bitumineux. La division s'est retrouvée impliquée dans l'usine de sables bitumineux d'Abasands Oils Limited, au nord de Fort McMurray, à analyser tous les échantillons et à assumer la responsabilité de monter du matériel de traitement du bitume à une échelle pilote.

La séparation du bitume et du sable allait être effectuée par un procédé à l'eau froide utilisant du kérosène comme diluant. On a cependant découvert par la suite que le procédé de séparation à l'eau froide était trop susceptible aux variations mineures dans la teneur de gravier et d'argile dans la charge d'alimentation d'Abasands. Malheureusement, l'usine d'Abasands a été détruite par un incendie en 1945 et tous les dossiers ont été perdus. À la suite de cet échec, un schéma de traitement à l'échelle pilote a été développé aux laboratoires de la Division des mines de la rue Booth pour séparer le bitume du sable dans de l'équipement de minéralurgie ordinaire, suivi par une valorisation par hydrogénation et le craquage catalytique afin de produire des combustibles à spécifications commerciales. Le personnel de la Division des combustibles a présenté les résultats complets à la Conférence sur les sables bitumineux de l'Athabasca à Edmonton en 1951.
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