Caractéristiques requises des porteurs d’oxygène
« Chemical Looping » - Des procédés de combustion de composés carbonés

Un enjeu majeur pour l’environnement est de lutter contre le réchauffement climatique dû aux émissions croissantes de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et notamment celle du dioxyde de carbone. Lors des conférences mondiales sur l’environnement, les pays industrialisés se sont engagés à contrôler leurs rejets de dioxyde de carbone suite au protocole de Kyoto signé en 1997 et ratifié en 2005. Dès lors, des efforts considérables ont été faits pour tenter de remplacer les énergies carbonées en énergies renouvelables. Cependant notre dépendance aux énergies fossiles est d’une importance telle, notamment dans les secteurs de l’énergie, de l’industrie, du transport et du résidentiel, qu’il semble impossible de s’en affranchir dans un futur proche.

Face à l’urgence environnementale, des technologies de capture et stockage du CO₂ ont été intensivement développées ces dernières années pour équiper les usines fortement émettrices de dioxyde de carbone telles que les centrales électriques, les installations sidérurgiques, les cimenteries, les raffineries de pétrole, etc. Le but étant de capturer le CO₂ produit, le transporter et le stocker hors atmosphère dans des aquifères salins profonds, des veines de charbons inexploitées ou autres. À noter qu’une proportion de CO₂ peut être exportée dans des usines qui en consomment, pour la production d’urée par exemple, mais cela reste une part dérisoire comparée à la quantité totale de CO₂ émise.

Ainsi, des technologies permettant de faciliter la capture des émissions massives de CO₂ en provenance des industries sont actuellement développées. Elles sont répertoriées en trois grandes catégories, nommées procédés de capture du CO₂ :

1. En postcombustion durant lequel le CO₂ est séparé des autres gaz contenus dans les produits de combustion (fumées) ;

2. En oxycombustion utilisant de l’oxygène pur pour produire des fumées composées uniquement de CO₂ et de vapeur d’eau, séparés facilement par condensation ;

3. En précombustion consistant à extraire le CO₂ avant la combustion ; pour cela le combustible est transformé en un mélange H₂ et CO₂ à partir duquel le dioxyde de carbone est isolé permettant à l’hydrogène de réaliser une combustion « décarbonée ».

Les procédés « Chemical Looping » dont il est question dans cet article permettent la capture du CO₂ en oxycombustion. La combustion réalisée peut être complète ou incomplète, associée à une unité de vaporeformage ou à une réaction de dissociation de l’eau ; une étape de gazéification peut également être intégrée dans le cas de traitement de combustibles solides. Un ensemble de procédés se sont développés autour de cette technologie dont le fonctionnement diffère quelque peu selon l’application visée.

La technologie « Chemical Looping », que l’on peut traduire par boucle chimique, permet de faciliter la capture du CO₂ lors de la conversion de combustibles carbonés en produits valorisables tels que l’électricité, le dihydrogène, etc. La particularité du concept « boucle chimique » repose sur l’utilisation d’un matériau porteur d’oxygène, généralement un oxyde métallique, qui joue le rôle de comburant. Ce matériau présente l’avantage de pouvoir être régénéré au sein même du procédé. Pour cela, il circule en boucle du réacteur où se produit la combustion vers un réacteur où il est réoxydé, et réalise autant de cycles que possible jusqu’à sa fin de vie. Pour garantir un procédé rentable, le matériau porteur d’oxygène doit remplir un cahier des charges bien précis selon le type de combustible à convertir et les produits de combustion désirés.

Cet article relate le développement de la technologie « Chemical looping » au fil des ans en fonction des contraintes socio-économiques et en donne une définition générale. Puis un ensemble de procédés développés autour de ce concept commun sont présentés en précisant le rôle du porteur d’oxygène dans chacun d’eux. Enfin sont décrites les caractéristiques généralement requises pour choisir un matériau porteur d’oxygène adéquat au procédé envisagé.

Les procédés relatifs à la technologie « Chemical Looping » sont cités d’après leur nomenclature internationale dans cet article.