Procédés de piégeage du CO2

Comme le démontre le diagramme suivant, il existe plusieurs procédés de piégeage du dioxyde du carbone (CO2) émanant de systèmes de conversion en énergie alimentés au charbon

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Ce schéma d’ensemble illustre plusieurs trains de procédés, de l’apport de matières premières à la production du produit final (p. ex., électricité, ciment, acier), et indique à quelle étape du procédé il est possible de capturer les flux de CO2 en découlant en vue de leur stockage.

Comme le démontre le diagramme suivant, il existe plusieurs procédés de piégeage du dioxyde du carbone (CO2) émanant de systèmes de conversion en énergie alimentés au charbon.

Fabrication de produits chimiques
Les procédés chimiques, tels que le conditionnement en amont du gaz naturel et la fabrication d’ammoniac ou d’urée et d’hydrogène, permettent de séparer du processus des courants gazeux de CO2 qui sont presque à l’état pur. Toutefois, faute de mesures incitatives, le CO2 non utilisé est libéré dans l’atmosphère.

Fabrication de ciment
La fabrication du ciment consomme d’importantes quantités de combustible pour générer l’énergie nécessaire au déclenchement de réactions à haute température pour réussir à calciner la pierre à chaux, c’est-à-dire pour que le carbonate de calcium se transforme en chaux vive, avec le dégagement de CO2 qui s’ensuit.
À l’échelle mondiale, l’industrie du ciment est responsable de 6 % des émissions totales de CO2 de sources ponctuelles. En 2002, la part des émissions de gaz à effet de serre (GES) en raison de la production de ciment par rapport aux émissions totales de GES au Canada était estimée à 10,2 millions de Mt (soit 1,4 %).
À l’heure actuelle, les usines de ciment n’effectuent pas le piégeage du CO2, bien qu’elles puissent le faire. La teneur en CO2 des gaz de carneau se situe entre 15 % et 30 % par volume, ce qui fait que le procédé se prête au piégeage du CO2.

Production de fer et d’acier
À l’instar de la fabrication de ciment discutée ci-dessus, les concentrations de CO2 émises par les aciéries sont supérieures à celles des centrales thermiques alimentées au gaz ou au charbon en raison des émissions du procédé de fabrication. Selon des estimations récentes, ce secteur à lui seul pourrait contribuer à réduire les émissions mondiales de CO2 de 4 % (Gielen, 2003) en appliquant les technologies de piégeage disponibles.

Production d’hydrogène et d’ammoniac
D’importantes quantités d’hydrogène sont très utilisées dans le raffinage du pétrole, la synthèse d’ammoniac et la valorisation du bitume brut extrait des sables bitumineux du bassin sédimentaire de l'Ouest canadien (BSOC). La production de dérivés raffinés du pétrole à partir des sables bitumineux nécessite entre 5 et 10 fois plus d’hydrogène par rapport au pétrole brut classique. Avec l’essor prévu des activités d’extraction de sables bitumineux du BSOC, la demande en hydrogène pour ce secteur à lui seul va probablement quadrupler d’ici 2010 à 56 millions de m3/jour (Keith, 2002; Thambimuthu, 2003). Cela équivaut à 20 % de la production mondiale d’H2 actuellement consacrée au raffinage. Ce scénario pourrait placer l’Alberta au rang des plus importants fabricants d’hydrogène au monde et pourrait permettre de piéger le CO2 de façon économique.

Raffinage du pétrole
Le raffinage consiste essentiellement en un procédé mettant en jeu une manipulation du carbone et de l’hydrogène, le façonnage et la réorganisation des molécules, et des intervalles d’ébullition pour satisfaire aux besoins de production de combustibles précis. Toutes les émissions provenant de la raffinerie comme telle émanent des matières premières utilisées. Ces matières premières sont principalement des pétroles bruts à traiter, en plus d’autres matières premières comme le gaz naturel pour les usines de production de vapeur ou d’hydrogène.
Les émissions de CO2 des raffineries sont dominées par des fournaises alimentées en combustibles fossiles (~44 %). En pratique, les raffineries comportent un grand nombre de dispositifs de chauffage en usine. Ces dispositifs émettent des gaz de carneau avec des teneurs en CO2 s’échelonnant de 4 % à 14 %, selon le combustible utilisé. Cela rend le piégeage du CO2 difficile, très onéreux et même peu réaliste. Cependant, il existe des débouchés pour le piégeage du CO2 émanant des installations de production d’électricité (~13 %), de la production d’hydrogène (~20 %) et des services publics (~13 %) à l’intérieur même du complexe de raffinage du pétrole. Ces installations sont responsables de plus de la moitié des émissions de CO2 de la raffinerie.

Production d’électricité
Quant à la production d’électricité, il y a en gros trois procédés de piégeage du CO2. Ce sont la postcombustion, la précombustion et l’oxycombustion.

Postcombustion
Le CO2 est le résultat de la combustion de tout hydrocarbure. Le piégeage du CO2 à la sortie d’une unité de combustion est nommé le système de piégeage postcombustion. Les dispositifs de chauffage conventionnels alimentés à l’air et les chaudières industrielles et institutionnelles entrent dans cette catégorie. Dans ces systèmes, les combustibles fossiles se consument dans un excédent d’air, d’où un courant de gaz de carneau qui renferme de faibles concentrations de CO2 (entre 10 et 15 v/v % pour les centrales thermiques alimentées au charbon modernes et de 5 à 8 v/v % dans le cas des centrales au gaz naturel). Dans certains cas, comme les fours à ciment et les hauts fourneaux où les gaz de carneau contiennent à la fois du CO2 émanant du procédé et du CO2 émis par le combustible, la teneur en CO2 des gaz de carneau varie entre 14 % et 33 %. Le CO2 des gaz de carneau postcombustion peut être piégé à l’aide d’un éventail de techniques telles que l’absorption par des amines, la séparation par membrane et la séparation cryogénique. Dans l’état actuel de la technologie, seule l’absorption et, jusqu’à un certain point, la séparation par membrane sont considérées des technologies économiquement viables.

Quant à la production d’électricité, il y a en gros trois procédés de piégeage du CO2. Ce sont la postcombustion, la précombustion et l’oxycombustion.  Cela montre post-combustion.

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Le schéma illustre le flux de gaz issu d’une chambre de combustion alimentée aux combustibles fossiles qui passe à travers un système d’élimination du CO2 postcombustion. Le gaz saturé de CO2 circule dans une colonne d’absorption où est retenu le CO2 dans une solution. Cette solution circule ensuite dans une deuxième colonne où le CO2 est extrait de la solution et dirigé vers la compression et la livraison vers le stockage. La solution régénérée est retournée vers la colonne d’absorption pour recommencer le cycle du procédé.

Précombustion
Polygénération
L’expression « polygénération » décrit des opérations qui génèrent plusieurs produits à partir du même combustible d’alimentation comme matière première, en l’occurrence, le charbon. Comme nous l’avons déjà mentionné, la gazéification du charbon produit ce que l’on appelle le gaz de synthèse, constitué essentiellement de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Le gaz de synthèse peut être utilisé, au même titre que le gaz naturel, pour produire de l’électricité de façon efficace, à l’aide d’une turbine à gaz ou d’une turbine à vapeur d’une centrale de gazéification intégrée à cycle combiné. Le gaz de synthèse peut également servir de matière première pour la fabrication de produits chimiques et de combustibles de synthèse comme l’ammoniac et le méthanol. Au moyen du procédé Fischer-Tropsch, le gaz de synthèse peut être converti en essence ou en diésel.
Par conséquent, la polygénération peut s’avérer plus efficace dans la conversion en énergie et servir à fabriquer des produits utilisables et de grande valeur à partir de ce qui serait autrement des déchets.

Dans le système de piégeage en précombustion, les hydrocarbures sont convertis en gaz de synthèse (un mélange principalement de monoxyde de carbone, CO, et d’hydrogène, H2) à l’aide d’un procédé de gazéification, de l’oxydation partielle ou du reformage catalytique de la vapeur d'eau.
Puis, le CO est converti en CO2 en recourant au procédé de conversion catalytique de l’eau en gaz :
CO + H20 --> CO2 + H2
La teneur en CO2 de ce courant est d’environ 25 % à 40 % et la pression totale est généralement de l’ordre de 2,5 à 5 MPa. Par conséquent, la pression partielle du CO2 dans le procédé de précombustion est très élevée en comparaison de celle des systèmes de combustion conventionnels. Cela facilite la séparation du CO2 au moyen de techniques comme le lavage par des solvants. On peut alors utiliser le CO2 ou en disposer.
L’H2 peut servir de matière première dans une usine de produits chimiques, ou de combustible dans une turbine à gaz pour produire de l’électricité. Comme le CO2 est piégé avant de faire appel au produit hydrogène, le système est classé comme un procédé de piégeage du CO2 en « précombustion ».

Oxycombustion

Le procédé de combustion des oxygaz atmosphériques
Comme l’oxycombustion produit naturellement un courant de gaz de carneau à forte teneur en CO2, le CO2 peut facilement être piégé sans avoir à faire appel à des solvants en postcombustion. La technologie de l’oxycombustion n’est donc ni un procédé de « précombustion » ni un procédé de « postcombustion ». Par conséquent, il est généralement classé comme un procédé de « combustion ».

Oxy-combustion pour la production d'électricité

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Ce schéma illustre la séparation de l’air en ses principaux éléments; on a recours à l’oxygène comme oxydant dans la chambre de combustion des combustibles fossiles. Dès qu’il sort de la chambre de combustion, le flux gazeux riche en CO2 passe à travers plusieurs procédés de filtrage afin d’éliminer les impuretés et d’être dirigé à l’étape finale de captage et de compression en vue du transport vers le stockage.

En règle générale, les industries du verre et de la métallurgie ont recours à l’oxycombustion puisque leurs procédés exigent de très hautes températures. En comparaison de ces industries, l’oxycombustion dans la production d’énergie et l’alimentation d’autres chaudières industrielles est une approche relativement nouvelle.

L’approche consiste à séparer l’O2 de l’air et à utiliser l’O2 comme oxydant au cours de la combustion des hydrocarbures. Une fois que l’on a retiré l’azote de l’air (soit 78 % de l’air) du procédé de combustion, il en résulte un courant fortement concentré de gaz de carneau composés essentiellement de CO2 (> 80 %, v/v %), de vapeur d’eau et d’autres contaminants en quantité négligeable comme des particules, des NOx, des SOx et des éléments trace. Les contaminants peuvent être facilement retirés pour concentrer davantage la teneur en CO2 à l’aide de techniques physiques d’épuration des gaz, telles que la séparation cryogénique.
Comme la combustion a lieu dans un environnement de O2/CO2, cette variante de la technologie de l’oxycombustion est parfois appelée combustion de recyclage de l’O2 et du CO2.
Plusieurs versions de systèmes d’oxycombustion ont été proposées et sont en phase de développement dans le cadre de la modernisation de centrales électriques ou de nouvelles applications. Une de ces versions est le procédé de recyclage de l’O2 et du CO2. Grâce à ce procédé, le CO2 retourne à la chambre de combustion pour contrôler la température de la flamme. Il s’agit présentement de l’approche la plus avancée de l’oxycombustion, et elle retient l’attention de l’industrie en vue de l’appliquer aux chaudières conventionnelles, aux dispositifs de chauffage et aux centrales électriques.

Oxycombustion de gaz sous pression
Dans le cas de l’oxycombustion de gaz sous pression, la pression accrue du système permet de faire appel au lavage à la vapeur de gaz convertis en liquide pour capter et retirer les contaminants et récupérer la chaleur latente de l’eau du lit entraînée ou produite au cours du processus de combustion. L’approche axée sur l’oxycombustion de gaz sous pression permet de récupérer le CO2 sous forme d’un liquide sous pression à la suite d’une condensation directe, et elle dégage le CO2 capté sous forme d’un liquide comprimé ou d’un solide (glace sèche) prêt à être valorisé ou séquestré.
L’augmentation de la pression pendant la combustion modifie la température à laquelle se condensent l’eau, le CO2, le mercure et les gaz corrosifs. Les conditions de pression et de température de condensation élevées du procédé permettent d’améliorer les régimes de transfert thermique, de transfert de masse et d’équilibre liquide-vapeur, lesquels permettent de piéger les contaminants et le CO2. L’élévation de la pression permet de s’appuyer sur le phénomène de condensation nucléée dans un échangeur de chaleur qui, simultanément, récupère la chaleur, condense les contaminants et les piège.
L’oxycombustion de gaz sous pression élimine les pertes d’énergie dans les émissions d’azote en éliminant l’azote, et elle en récupère la chaleur latente de vaporisation à la fois de l’eau produite et de l’eau du lit entraînée. Le procédé permet à l’échangeur de chaleur de condensation d’accumuler les particules, les gaz corrosifs et le mercure dans un état condensé moins volumineux que le gaz traité au moyen de systèmes conventionnels d’épuration des gaz de carneau sous pression atmosphérique.
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