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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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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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4. Analyse des coûts
Les données disponibles sur les coûts sont peu précises et peu fiables. Cela est dû au fait que la plupart des projets sont généralement au stade de la R&D, d’une unité pilote ou au mieux d’une unité de démonstration. Les centrales à l’échelle commerciale se comptent sur les doigts d’une main et sont de toute façon les premiers exemplaires de filières qui doivent se développer après que l’ intégration de tous les composants et systèmes, même s’ils sont matures individuellement, ait été validée. Sans entrer dans les détails de la méthode des calculs du coût moyen actualisé sur la durée de vie de la centrale LCOE (Levelized Cost Of Electricity), les estimations de coûts s’avèrent variables et frappées d’une forte imprécision d’au moins 30 %.
À titre indicatif, dans le secteur des centrales électriques, les coûts de captage dépendent essentiellement des facteurs suivants :
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le choix de la nature du processus de captage parmi les options présentées ici (post-, pré- ou oxy-combustion) ;
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la nature de la centrale et le degré d’intégration du processus de captage, y compris le traitement du flux de CO2 et sa compression jusqu’à 110 à 140 bar ;
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la nature du combustible (charbon, gaz) et son prix, variable sur le marché, surtout pour le gaz naturel.
Sur la base des technologies connues et des coûts moyens disponibles dans la littérature, un consensus se dégage sur les chiffres suivants (2010) pour les centrales les plus adéquates à recevoir une unité de captage :
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pour une centrale électrique à charbon pulvérisé avec captage du CO2 dans les fumées : 50 à 60 €/t CO2 évité ;
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Pour une centrale électrique à gaz NGCC avec captage du CO2 dans les fumées : 65 à 75 €/t CO2 évité.
L’unité...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(5) - BOUALLOU (C.) - Le captage du CO2 dans les centrales thermiques. - MINES ParisTech, Centre Énergétique et Procédés, Paris (2009).
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