Un préalable : séparer le CO2 des autres gaz des fumées industrielles
Le CO2 rejeté par les industries est souvent très peu concentré. Il représente en général moins de 20% du volume des fumées, composées notamment d’oxygène, de vapeur d'eau ou d’azote. L’objectif n’étant pas de stocker l’ensemble des fumées (les coûts associés et le volume de stockage ne sont pas envisageables), des méthodes de séparation sont nécessaires pour pouvoir capter spécifiquement le CO2.
3 principales techniques de captage
Plusieurs procédés industriels de captage existent, en fonction de la nature des fumées à traiter (composition, température, pression). Ils relèvent de trois catégories principales :
Captage postcombustion
L’objectif est d’extraire le CO2 dilué dans les fumées de combustion. Ce procédé peut s’intégrer aux installations existantes, en tenant compte de la place disponible au sol et des modifications de rendement induites.
Captage par oxycombustion
Il s’agit de produire une fumée concentrée en CO2 en modifiant le procédé de combustion qui repose sur l’utilisation d’oxygène pur à la place de l’air.
Captage précombustion
Avec ce type de procédé, l’objectif est de produire et de capter le CO2 avant même la phase de combustion.
Captage postcombustion
Le captage postcombustion peut s'intégrer aux installations existantes sans nécessiter de modifications trop importantes. La méthode par Absorption est la plus couramment utilisée dans ce type de captage.
Captage par absorption
Le CO2 contenu dans les fumées en est extrait par un solvant chimique, qui est ensuite régénéré par apport énergétique. Le CO2 est donc séparé du solvant et le solvant appauvri est, quant à lui, redirigé vers l’Absorbeur.
Légende : Captage par absorption
Le procédé de captage le plus couramment utilisé est le captage du CO2 par un solvant chimique tel que les amines, les liquide ioniques, l’ammoniaque réfrigérée
Les autres techniques de captage postcombustion
Le captage par Adsorption: le CO2 des fumées est adsorbé sur de la roche poreuse de type charbon actif qui est régénérée par apport énergétique ou par baisse de pression.
Le captage par cycle calcium : il consiste à capter le CO2 par de la Chaux vive pour donner du calcaire. Le calcaire est ensuite chauffé, ce qui libère le CO2 tout en redonnant de la chaux vive.
Le captage par voie cryogénique (ou Antisublimation) : ce procédé repose sur la solidification du CO2 par givrage et dégivrage.
Légende : Captage par antisublimation, à droite le CO2 givrant les ailettes de l'évaporateur, et à gauche le CO2 liquide à l’intérieur de l’enceinte de l’évaporateur à une pression de 600 kPa
Le captage par séparation membranaire : il s’agit de séparer physiquement le CO2 des autres composants des fumées grâce à une membrane poreuse sélective.
Captage par oxycombustion
Cette technologie n'est pas à proprement parler du captage de CO2. La question est ici réglée à l'entrée et non à la sortie du procédé, il s'agit de produire des fumées concentrées jusqu’à 95% de CO2 en réalisant une combustion à l'oxygène pur.
Le passage à l’oxycombustion nécessite une reconfiguration de l’installation existante (retrofit). La séparation de l’oxygène de l’air, obtenue principalement par voie cryogénique, est coûteuse et consommatrice d’énergie. A titre indicatif, la consommation d’énergie de l’apport en oxygène pur pour une centrale à charbon d’une puissance de 500 MW fonctionnant 8 000 heures par an représenterait 15 % de sa production électrique annuelle.
Pour éviter le coût de séparation de l’oxygène de l’air, une technologie prometteuse est envisagée : la combustion dite en boucle chimique (CLC - chemical looping combustion). Elle consiste à fixer l’oxygène de l’air sur un support métallique qui est ensuite utilisé dans le procédé de combustion pour consommer le combustible par Oxydo-réduction.
Captage précombustion
Cette technologie étant actuellement au stade de la recherche, elle sera utilisée uniquement sur de nouvelles installations.
Le combustible est converti en entrée d’installation en Gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2). La technique utilisée est soit le Vaporeformage de gaz naturel en présence d’eau, soit l’oxydation partielle en présence d’oxygène. Le CO présent dans le mélange réagit avec l’eau au cours de l’étape de conversion pour former du CO2 et de l’hydrogène. Le CO2 est séparé de l’hydrogène par absorption avec un solvant physique ou bien un solvant chimique selon le même procédé utilisé pour le captage postcombustion. L’hydrogène peut être utilisé pour produire de l’énergie (électricité et/ou chaleur) sans émission supplémentaire de CO2.
La pureté du CO2 dépend-elle de la méthode de captage ?
Selon le type de combustible ou les procédés de captage utilisés, certaines impuretés peuvent se retrouver dans le gaz à comprimer :
si le captage se fait en postcombustion, le CO2 peut contenir des oxydes d'azote et de soufre en faible concentration
dans le cas de l'oxycombustion, on y retrouve de l'oxygène et de l'azote
en précombustion, de l'hydrogène et du gaz naturel viennent s'ajouter au CO2
D'autres impuretés, comme des traces d'Hydrocarbures ou de solvants, peuvent encore perturber le comportement du fluide. En moyenne, la pureté du CO2 capté se situe entre 95 et 99%.
Quels enjeux pour demain ?
Actuellement, l’axe de progrès principal identifié pour permettre le développement des technologies de captage du CO2 est la réduction des coûts. Le captage entraîne en effet une surconsommation d’énergie significative, qui a pour conséquence de diminuer le rendement des installations et d’augmenter fortement le coût de l’énergie ainsi produite.
Chaque technologie doit également améliorer ses performances spécifiques :
Postcombusion : amélioration des performances des agents de séparation (solvants, membranes) en termes de stabilité, sélectivité et capacité de régénération;
Oxycombustion/CLC : maîtrise du procédé (brûleur, chambre de combustion) et recherche d’agents de transfert de l’oxygène efficaces (oxydes métalliques);
Précombustion : mise au point de turbines à hydrogène de grande taille.
