Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Dans le cadre de la transition écologique vers une forte réduction de l’émission de gaz à effet de serre d’ici 2050 , cet article traite des technologies de captage du CO2 dans les centrales de production d’énergie à partir de combustibles fossiles . Trois cas sont examinés : la décarbonisation des fumées ou captage en post-combustion, décarbonisation du combustible lui-même ou captage en précombustion et des technologies dites « oxy-combustion » qui utilisent l’oxygène pur comme comburant et le CO2 lui-même comme fluide de travail. Le captage du CO2 entraîne une chute de rendement à puissance donnée et donc une augmentation de la consommation de combustible et donc de l’émission de CO2 . Un développement plus complet sera présenté sur les centrales à oxy-combustion qui sont les plus proches des « zero emission technologies ».
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In the framework of the ecological transition towards very low greenhouse gas emission by 2050, this paper deals with the CO2 capture technologies in the industrial installations of energy production from fossil fuels. Three options are considered : the CO2 removal from flue gas or post-combustion capture, removal of carbon from the fuel itself or pre-combustion capture and oxy-fuel combustion technologies using pure oxygen as fuel oxydizer and CO2 itself as working fluid. Capture results in a loss of efficiency at a given power output and consequently an increase in fuel consumption and CO2 emision. Oxy-combustion systems will be presented in more details since they are the nearest to « zero emission technologies ».
Auteur(s)
-
Philippe MATHIEU : Professeur honoraire, Université de Liège, Belgique
INTRODUCTION
À la suite de la COP21 à Paris et puis de la COP24, les pays du monde entier se sont mis d’accord pour limiter d’ici 2050 l’augmentation de la température moyenne de la planète à 1,5 °C en annulant les émissions de gaz à effet de serre, et particulièrement celles du CO2. Il reste donc une bonne dizaine d’années pour atteindre un tel objectif, si toutefois c’est encore réaliste dans les conditions politiques actuelles avec une utilisation du charbon soit maintenue par le prolongement d’exploitation de centrales existantes (États-Unis, Chine, Inde, Pologne....), soit renforcée par le remplacement de centrales nucléaires (Allemagne). Quoiqu’il en soit, la stratégie d’une réduction massive et rapide des émissions de CO2 implique la mise en œuvre du captage et du stockage du CO2 dans les centrales surtout à charbon mais aussi au gaz naturel, selon une des recommandations de la COP24.
Les trois technologies examinées dans cet article sont le captage du carbone en post-combustion (dans les fumées), le captage du carbone en précombustion (décarbonisation du combustible) et l’oxy-combustion. Cette dernière technique s’applique à la combustion à l’oxygène pur dans des chaudières et dans des cycles combinés avec turbines à gaz et est très attractive car la plus proche du « zéro emission ».
Actuellement, la technique de captage du carbone la plus mature et la plus utilisée dans l’industrie est l’absorption par des amines du CO2 présent dans les fumées de post-combustion. C’est la plus adaptée à l’échelle des centrales de plusieurs centaines de MW.
Pour séparer le CO2, issu de l’utilisation de combustibles fossiles (ici le charbon et le gaz naturel), d’un ou de plusieurs autres composants dans un mélange gazeux, il faut utiliser de l’énergie (thermique ou électrique) qui dépend de la masse molaire des composants et de leur concentration. Cette énergie de séparation va donc diminuer l’énergie nette produite par la centrale et pour une puissance fixée, diminuer le rendement et augmenter la consommation de combustible et donc paradoxalement augmenter la quantité de CO2 générée . Tous les efforts R&D depuis deux décennies portent sur les moyens de réduire cette pénalité de rendement et le surcoût du kilowattheure par l’amélioration des procédés, des cycles thermodynamiques, des solvants utilisés ainsi que par une intégration énergétique maximale de l’unité de captage dans la centrale.
Un glossaire en fin d’article regroupe les définitions importantes ou utiles à la compréhension du lecteur.
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KEYWORDS
CO2 capture | pulverized coal plant | NGCC plant | oxy-fuel combustion | IGCC plant
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Technologies de captage dans les centrales de puissance
En anglais
1. Extraction du CO2 d’un mélange
Si on voulait éviter d’extraire le CO2 de fumées résultant d’une combustion, dont la concentration varie entre 3 et 15 % vol, on pourrait stocker ces fumées directement en sous-sol mais étant donné les volumes en jeu le coût serait alors inacceptable. C’est pourquoi, il est nécessaire de retirer le CO2 et de le transporter comme un gaz presque pur sous pression (110 bar ou plus) dans un site de stockage géologique (par exemple, un aquifère salin, un site d’extraction de pétrole ou de gaz épuisé, une minéralisation...).
Les principales techniques de séparation des composants d’un mélange sont :
-
l’absorption chimique du CO2 par un solvant, généralement des solutions d’amines, de l’ammoniac, ou un carbonate (par exemple, K2CO3 activé à la pipérazine) ;
-
la perméation à travers une membrane dense ou la diffusion gazeuse différentielle à travers une membrane poreuse ;
-
la cryogénie basée sur la distillation fractionnée ;
-
l’adsorption différentielle sur un support solide à modulation de pression (PSA) ou de température (TSA).
L’absorption chimique s’est avérée...
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Extraction du CO2 d’un mélange
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - METZ (B.), DAVIDSON (O.), DE CONINCK (H.C.), LOOS (M.), MEYER (L.A.) - IPCC 2005 (Intergovernmental Panel on Climate Change). - Special Report on CO2 capture and storage, prepared by Working Group 3, Cambridge University Press, UK and New York NY, États-Unis (2005) http://www.ipcc.ch
-
(2) - IEA GHG (IEA Greenhouse Gas) R&D Programme - De-carbonisation of fossil fuels. - Report PH2/2, Cheltenham, UK, mars 1996 https://ieaghg.org/conferences/ghgt
-
(3) - IEA GHG - Leading options for the capture of CO2 emissions at power stations. - Report PH3/14, IEA Greenhouse Gas R&D Programme, Cheltenham, UK, fév. 2000.
-
(4) - LECOMTE (F.), BROUTIN (P.), LEBAS (E) - Le captage du CO2, des technologies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. - Éditions TECHNIP, Paris (2010).
-
(5) - BOUALLOU (C.) - Le captage du CO2 dans les centrales thermiques. - MINES ParisTech, Centre Énergétique et Procédés, Paris (2009).
- ...
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