Réduire les émissions

Le réchauffement climatique est une réalité causée par la surutilisation des énergies fossiles. L’activité humaine augmente la quantité de gaz à effet de serre ; cela se traduit par de fortes émissions de dioxyde de carbone. Il est nécessaire de faire changer les idéaux et les consommations de chacun. Pour ce faire, il faut intervenir dans les secteurs les plus polluants, qui sont la production d’électricité, les transports, le bâtiment et l’industrie.

1.2.1.1. Les énergies renouvelables

La production de chaleur et d’électricité représente la plus importante source d’émission de dioxyde de carbone, soit 13,4 Gt de CO2 (source : IAE 2017).

14

Comme vu précédemment, elle est le fruit de l’utilisation excessive des ressources fossiles. Afin de diminuer ces émissions, plusieurs solutions peuvent être mises en place. Les solutions peuvent inclure l’augmentation du nombre de centrales électriques faiblement émettrices de CO2 telles que :

• Les centrales nucléaires

• Les centrales hydroélectriques, l’éolien, les panneaux photovoltaïques ou la géothermie • La biomasse ou les courants marins.

Les avancées technologiques permettent d’améliorer les performances énergétiques de ces centrales : le développement de nouvelles cellules photovoltaïques, la réduction et le traitement des déchets nucléaires en sont quelques exemples. Il est aussi possible d’améliorer le rendement énergétique de certaines installations, en diminuant les pertes en provenance de la production, du transport ou encore de la distribution. Il est aussi possible de diminuer la quantité d’électricité produite en modifiant les consommations.

1.2.1.2. Le bâtiment

Le secteur du bâtiment représente également une forte source d’émission : 2.7 Gt de CO2 (source : IAE

2017). Il peut influer sur la production d’énergie des centrales électriques. Cela se traduit par des aménagements qui peuvent être réalisés et permettront de diminuer la quantité de dioxyde de carbone produite. Il s’agit par exemple de :

• Réduire la consommation générale en électricité en améliorant la luminosité des bâtiments • Améliorer l’isolation des foyers pour diminuer les besoins en chauffage

• Développer l’équipement dédié à la production d’électricité tel que le photovoltaïque ou le chauffe-eau solaire.

Ces nouvelles installations pourront permettre de réduire la consommation d’énergie, et contribuer à diminuer la production d’électricité.

1.2.1.3. Les transports

Les transports représentent la deuxième source d’émission de dioxyde de carbone la plus importante à travers le monde. Cela ne représente pas moins de 7.9 Gt de CO2 soit 25% des émissions totales

15

Il n’est pas seulement question de l’utilisation des véhicules des particuliers, mais également du transport de marchandises. La recherche de technologies plus propres, comme les véhicules électriques, et l’amélioration des performances des moteurs thermiques permettent de réduire les émissions de CO2. Il est aussi primordial de changer les comportements individuels des

consommateurs. Cela passe par le développement des transports en commun et des voies cyclables. De plus, la logistique autour du transport de marchandises doit être optimisée afin de diminuer le nombre de transporteurs et ainsi les émissions.

1.2.1.4. L’industrie

Les émissions du secteur industriel sont très disparates et dépendent souvent des pays dans lesquels l’industrie est implantée. La principale raison de cette diversité vient de la source d’énergie utilisée. Elle peut être issue des ressources fossiles ou des centrales à faible émission de CO2. De manière

générale, le secteur représente 6.1 Gt de dioxyde de carbone produit à travers le monde (source : IAE 2017). Ce chiffre peut être réduit en modifiant les sources d’énergies utilisées, comme mentionné plus haut, mais aussi en réalisant quelques modifications sur leurs installations. L’utilisation de pièges à CO2

en sortie pourrait réduire de manière significative les émissions mondiales de gaz carbonique.

1.2.2. Le Captage du CO

2

L’une des clés pour diminuer les émissions de dioxyde de carbone est dans un premier temps de les capturer là où elles sont produites. La croissance économique mondiale va permettre au secteur industriel de se développer, ce qui induit une augmentation de la demande énergétique et donc une hausse des émissions de CO2.Malgré l’augmentation de l’utilisation des ressources renouvelables, les

énergies fossiles conservent une place importante dans le mix énergétique mondial. Afin de limiter leur impact sur l’environnement, le captage du CO2 est une des solutions envisagées.

Le captage pourrait être utilisé dans de nombreux secteurs industriels, comme dans les industries pétrolières (raffinage ou pétrochimie) ainsi que dans les cimenteries, ou plus généralement dans les centrales thermiques. Plusieurs procédés de captage permettent de traiter différents types de fumées. Il y a :

• Le captage post-combustion • Le captage par oxy-combustion • Le captage précombustion

16

L’utilisation de ces différentes techniques permettra de réduire les émissions de dioxyde de carbone en sortie d’usine. Chacun de ces procédés repose sur une particularité singulière pour capter le CO2,

comme le fait de l’extraire des fumées, de le concentrer ou de s’en servir afin de produire des composés à vecteur énergétique (H2).

1.2.2.1. Le captage post-combustion

Ce procédé est le plus couramment utilisé car il peut s’intégrer dans de nombreuses installations et nécessite peu de modifications. Le but est d’extraire le CO2 des fumées issues de la combustion

(figure7).

Plusieurs techniques peuvent être utilisées, comme le captage par absorption, par séparation membranaire, par voie cryogénique ou par absorption.

1.2.2.1.1. _Absorption

L’objectif de cette technique est de dissoudre des molécules gazeuses dans un solvant, soit par dissolution soit par réactivité chimique. L’absorption de gaz acides en faible concentration tels que le dioxyde de carbone, les NOx ou le sulfure d’hydrogène est connue des industries chimiques. Ce procédé repose sur l’utilisation de solvants aminés comme la monoéthanolamine (MEA) ou la diéthanolamine (DEA).

La figure 8 représente le procédé post-combustion utilisé pour capter le CO2 par absorption. Deux

colonnes sont alors utilisées :

• L’absorbeur permettant de traiter les fumées

• Le régénérateur permettant de régénérer le solvant et évacuer le dioxyde de carbone absorbé (par distillation). Combustion Extraction

Air

CO

2

Chaleur

Combustibles

17

Un échangeur est aussi utilisé, ce qui permet le transport du solvant, passant d’un solvant riche en gaz absorbé, à un solvant pauvre (régénéré).

Le traitement des fumées par absorption permet de récupérer 98% du dioxyde de carbone émis, avec une haute pureté (99%). Cependant, son utilisation entraîne de nombreux inconvénients. Les principales limitations sont la dégradation des solvants utilisés, la corrosion des réacteurs, et leur perte d’efficacité après régénération [1]. Des études ont montré que les amines étaient des solvants corrosifs et pouvaient rapidement se dégrader [2]. Il y a deux principaux types de dégradation :

• Dégradation thermique : due aux hautes températures.

• Dégradation par oxydation : due à une forte concentration en oxygène dans les fumées. Qui plus est, la présence de certains composés tels que des NOx, et des SOX peut aussi altérer leurs

capacités à absorber le CO2, c’est pourquoi ils nécessitent une purification préalable. En outre,

l’énergie nécessaire pour régénérer les solvants est importante, ce qui réduit le développement de ces procédés [3].

D’autres solvants sont en cours de développement, comme les solutions ammoniacales. Ces solvants ont besoin de moins d’énergie pour être régénérés [4], mais sont aussi moins efficaces. L’utilisation du MEA reste le procédé de référence pour le captage du dioxyde de carbone, malgré les nombreux inconvénients. Néanmoins, d’autres technologies peuvent être utilisées en post-combustion, comme la voie cryogénique. Solvant Riche Solvant Régénéré Absorbeur Régénérateur Echangeur

Fumées

traitées

Fumée à

traiter

CO

2

18

1.2.2.1.2. _{Voie cryogénique}

Cette technologie se base sur certaines propriétés physiques des gaz, notamment la désublimation et les différences de condensation. Cette voie est utilisée lorsque les concentrations en CO2 dans les

fumées à traiter sont importantes (90% ). Ce sont des procédés multi-étapes, alternant des cycles de refroidissement et de condensation afin de séparer au mieux le dioxyde de carbone des autres gaz. A la fin du procédé, ce dernier se retrouve sous forme liquide, ce qui facilite son transport. Néanmoins, cette technologie possède un inconvénient majeur, qui est son coût de fonctionnement. Afin de refroidir les gaz, une forte quantité d’énergie doit être utilisée, ce qui freine son développement. De plus, il est parfois nécessaire de réaliser une purification des fumées avant traitement cryogénique, car certains gaz ainsi que l’eau peuvent être piégés.

Plusieurs procédés existent, comme la technologie développée par Tunier et al [5], qui utilise un réacteur à lit fixe, rempli de monolithe. Cette technique permet de séparer l’eau et le dioxyde de carbone simultanément, en utilisant respectivement leur point de rosée et de sublimation. De plus, elle ne nécessite pas l’utilisation d’absorbant chimique ni d’une haute pression. Ce procédé pourrait remplacer le captage du CO2 par absorption, mais il nécessite des optimisations avant d’être

industrialisé. Il existe aussi plusieurs autres technologies qui emploient la voie cryogénique, comme l’anti-sublimation développée par Coldic et Younes [6], ou la distillation cryogénique proposée par

Holmes et Ryan [7].Cette dernière fonctionne comme une distillation classique, mais nécessite de

refroidir les gaz qui se présentent sous forme liquide. Les composés les plus volatiles sortent rapidement tandis que le CO2 est piégé au fond de la colonne. Une purification est toutefois nécessaire

afin d’obtenir une haute pureté. L’utilisation d’un système de refroidissement Stirling développé par

Song et al. [8], ou bien le procédé CryCell® [9], sont d’autres alternatives qui ont recours à la voie

cryogénique. Ces procédés sont en cours de développement mais pourront être utilisés dans quelques années.

1.2.2.1.3. _{L’adsorption}

D’autres procédés post-combustion utilisent les propriétés d’adsorption de certains matériaux. Ces technologies nécessitent tout d’abord un prétraitement des fumées. La présence d’eau dans les effluents pourrait rentrer en compétition avec l’adsorption de dioxyde de carbone, ou alors désactiver les matériaux.

19

Les fumées rentrent ensuite dans plusieurs chambres remplies de solides adsorbants comme le charbon actif, des zéolithes ou des Metal Organic Frameworks (MOF) [10], [11].

Trois chambres sont utilisées [12]:

• La première reçoit le flux gazeux

• La seconde désorbe le CO2 préalablement traité

• La troisième est prête pour une future utilisation.

Cet agencement permet de travailler de manière continue tout en augmentant les débits traités. Cependant, il existe quelques limitations concernant la durée de vie des matériaux, leurs faibles sélectivités et leurs capacités à adsorber le dioxyde de carbone.

1.2.2.1.4. _{Séparation membranaire}

La séparation membranaire est une technique récente qui peut aussi être utilisée en post-combustion. Elle permet de séparer physiquement le dioxyde de carbone des autres composés. L’utilisation de membranes poreuses pour capter le CO2 est une technologie qui présente certains avantages. Ces

membranes sont faciles à installer, ne nécessitent que peu d’énergie, sont respectueuses de l’environnement, et ont une forte efficacité de séparation [13], [14].

Néanmoins, quelques inconvénients freinent leur développement. Les membranes utilisées sont sensibles à la chaleur, il est donc nécessaire de travailler à de faibles températures [15]. L’utilisation de gaz corrosifs peut entraîner une détérioration des membranes, ce qui induit un traitement préalable des effluents. Finalement, l’inconvénient majeur de la séparation membranaire est la faible durée de vie des membranes. Cette technologie, récemment développée, n’est pas encore mature et nécessite des optimisations afin que ce procédé soit adapté aux industries.Le captage post-combustion se décline de différentes manières grâce à l’utilisation de diverses technologies. Cependant, seuls les procédés par absorption sont envisageables, malgré leurs inconvénients. Ils permettent à la fois d’obtenir une haute pureté du dioxyde de carbone en sortie de procédé, ainsi qu’un haut taux de captage dans les fumées. Les voies cryogéniques sont trop énergivores, et l’utilisation de membranes n’est pas encore optimisée.

20

1.2.2.2. Le captage oxy-combustion

Le captage par oxy-combustion n’est pas en soi un procédé pour capter le CO2, car il agit en amont de

l’installation. Le but est de produire des fumées concentrées en dioxyde de carbone avec de faibles teneurs en impuretés (figure 9)

Dans le cas des centrales thermiques, l’objectif est de réaliser une combustion complète en utilisant de l’oxygène pur pour alimenter les chaudières. Il en résulte une production de vapeur d’eau et de CO2

à plus de 80% vol. L’absence de N2 dans le flux gazeux prévient la production de NOx en sortie de

cheminées. En fin de procédé, la compression ainsi que la purification du dioxyde de carbone sont toutefois nécessaires pour son transport et son stockage.L’oxy-combustion est généralement associée à l’utilisation d’un réacteur fluidisé dans lequel le combustible est pulvérisé. Cela permet de réduire le débit de gaz nécessaire à la combustion tout en maintenant une haute température dans le four [16]. Il existe toutefois un inconvénient majeur au développement de cette technologie : la consommation énergétique importante pour la séparation et la production d’oxygène, ainsi que la compression et la purification du CO2. De récentes études tentent de diminuer ce coût, en optimisant les réacteurs et en

limitant les pertes en énergies [17].

1.2.2.3. Le captage pré-combustion

Le captage pré-combustion est une technologie récente qui ne peut être adaptée que dans les nouvelles usines (figure 10).

Combustion Unité de séparation de l’air

Air

O

2

CO

2

Chaleur

Combustible

Figure 9 : Procédé de fonction du captage du CO2 par oxy-combustion

Réaction de gaz à l’eau Combustibles

O

2

+ H

2

O

CO

2

CO

2 Gazéification ou Vaporeformage

H

2 Séparation

_H

2

21

Le principe est de réaliser dans un premier temps la production de syngas. En fonction du combustible à traiter, une gazéification ou un vaporeformage sont utilisés pour la production du gaz de synthèse. Dans un premier réacteur le combustible réagit avec l’oxygène de l’air et la vapeur d’eau pour produire essentiellement du CO et H2. Ensuite, dans un second réacteur, le monoxyde de carbone réagit avec

de la vapeur d’eau, suivant la réaction de Dussan (gaz à l’eau) pour produire du dioxyde de carbone. En fin de procédé, les composés principalement produits sont le dihydrogène (60-80% vol) et le CO2 (20-

40% vol) [18]. Le CO2 est alors séparé du H2par l’utilisation d’un solvant soit chimique (utilisation de

carbonates alcalins ou d’amines) soit physique (charbon actif, tamis moléculaires, zéolithes), puis est compressé pour son stockage. Le dihydrogène peut par la suite être utilisé dans de multiples secteurs, allant du domaine énergétique à l’industrie chimique, par exemple [19].

La demande énergétique va augmenter dans les années à venir. Pour satisfaire cette demande, le nombre de centrales électriques va se multiplier et ces dernières vont produire davantage. Cet accroissement de la production d’électricité va entraîner une augmentation des émissions de dioxyde de carbone. La capture du CO2 peut être une solution pour réduire la quantité émise par les centrales.

Néanmoins, le capter n’est qu’une partie de la solution, encore faut-il savoir où stocker tout ce CO2.

1.2.3. Le stockage du CO

2

Le principe du stockage du dioxyde de carbone consiste à l’enfouir dans des formations géologiques sous la surface de la Terre. Ces formations peuvent être de différentes natures, comme des aquifères salins profonds, d’anciens gisements épuisés de pétrole ou de gaz naturel, ou alors des veines de charbon inexploitées. Il est commun de parler de stockage géologique. Les lieux sont rigoureusement choisis car ils doivent respecter certains critères, notamment de pression et de température.

Afin d’augmenter le volume de stockage, le CO2 se trouve sous forme supercritique dans ces

formations géologiques. Il est donc primordial qu’il reste dans cet état. Pour ce faire, la pression doit être d’au moins 74 bars et la température de plus de 31°C. Les formations se retrouvent donc à une profondeur comprise entre 800 et 1000 m. Deux types de piégeage sont possibles [20] :

• Le piégeage physique, où le dioxyde de carbone se trouve sous forme supercritique ;

• Le piégeage chimique, où le CO2 se trouve dissous dans différentes matrices (liquide ou solide).

22

1.2.3.1. Le piégeage physique

Cette technique consiste à injecter le dioxyde de carbone sous forme supercritique dans des poches géologiques naturelles. Il existe trois possibilités de stockage géologique.

1.2.3.1.1. Les aquifères salins profonds

Les aquifères salins sont des formations géologiques qui peuvent se trouver en mer ou sur terre. Elles sont composées de roches poreuses remplies d’eau salée (haute salinité) et donc impropre à la consommation. Elles peuvent aussi contenir du dioxyde de carbone naturel, ce qui a inspiré leur utilisation pour le stockage géologique [21].Ces formations sont réparties de manière homogène sur la planète, ce qui offre de nombreux sites potentiels pour le stockage du dioxyde de carbone émis. La capacité de stockage des aquifères salins serait de 10 000 Giga tonnes de CO2 (sachant qu’en 2017 33

Giga tonnes de CO2 ont été émis). De par cette forte capacitée, les aquifères sont la voie la plus étudiée

pour le stockage géologique. Plusieurs projets sont en cours d’étude en Norvège, en Algérie ou encore en Allemagne.

1.2.3.1.2. Les anciens gisements de pétrole ou de gaz naturel

Le secteur pétrolier emploie le dioxyde de carbone afin d’aider à l’extraction de ressources primaires. Généralement, ce sont les gisements en fin de vie qui sont choisis, afin d’augmenter leurs rendements. L’utilisation du procédé CO2-EOR (Enhanced Oil Recovery) permet de récupérer les hydrocarbures

restants. Les industries pétrolière et gazière possèdent d’ores et déjà la technologie adéquate pour injecter le dioxyde de carbone. Il est donc envisageable, lorsque les gisements sont épuisés, de les convertir en lieu de stockage du CO2. Ces formations étant bien connues de ces industries, les coûts

d’exploitations seront assez faibles, et toute la technologie pour le stockage est déjà présente sur place. Cependant, certains inconvénients existent, comme le fait que leurs capacités de stockage sont nettement inférieures à celles des aquifères salins, et leur répartition géographique très inégale. Elles se situent principalement dans les pays où les exploitations pétrolières sont importantes.Ces gisements nécessitent de plus une surveillance accrue car, bien qu’il soit sous forme liquide, le dioxyde de carbone a tendance à remonter à la surface. L’imperméabilité des couches supérieures doit être parfaite afin d’éviter toute fuite. Outre la pollution engendrée, les dangers pour la santé humaine sont réels puisqu’une concentration de 7%vol de CO2 dans l’air peut tuer par anoxie.

23

1.2.3.2. Le piégeage chimique

1.2.3.2.1. Les veines de charbon profondes inexploitées

Les affinités du charbon avec le dioxyde de carbone sont grandes, et sont notamment utilisées dans certains procédés afin d’extraire du gaz naturel. Le charbon est un matériau poreux qui renferme parfois des gaz naturels tels que le méthane. L’utilisation du dioxyde de carbone permet son extraction. Ayant une affinité plus grande avec le charbon, le CO2 s’adsorbe préférentiellement au CH4, c’est

d’ailleurs le principe du procédé ECBM (Enhanced Coal Bed Methane). D’autre part, la capacité de stockage du dioxyde de carbone est deux fois plus importante que celle du méthane. Cette propriété est donc intéressante pour un éventuel stockage géologique. Par ailleurs, la répartition homogène des exploitations de charbon est un autre avantage de cette technique. Qui plus est, l’ECBM produit du méthane qui peut être utilisé comme vecteur énergétique. Néanmoins, quelques inconvénients freinent son développement, comme le fait que seule une partie des gisements est concernée. Etant donné que la présence de galeries faciliterait la remontée du dioxyde de carbone à la surface, seules les veines de charbon inexploitables sont aptes à être utilisées. De plus, la faible perméabilité du charbon réduit la proportion de CO2 pouvant y être injectée.

Dans le document Valorisation du dioxyde de carbone par couplage plasma non-thermique et catalyse (Page 31-42)