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Hayato HAGI - Soutenance de thèse MINES ParisTech

Hayato HAGI

Optimisation rationnelle des performances énergétiques et environnementales d’une centrale à charbon pulvérisé fonctionnant en oxy-combustion

Titre anglais : Rational optimization of the energetic and environmental performances of an oxy-fired pulverized-coal power plant
Date de soutenance : 09/12/14
Directeur de thèse : Chakib BOUALLOU

Mots clés en français : ,,,,
Mots clés en anglais :

Résumé de la thèse en français
Une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre anthropogéniques est nécessaire afin de limiter les effets du réchauffement climatique. Dans ce contexte, le captage du CO2 sur les centrales à charbon est une option particulièrement intéressante. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le potentiel du procédé de captage par oxy-combustion, alternative la plus crédible au procédé par absorption chimique actuellement pressenti. Un des verrous technologiques majeurs au développement de cette voie de captage est l'importance de la pénalité énergétique qu'elle entraîne sur la production électrique. La complexité et la nature fortement interconnectée du procédé ne permettant pas le recours à une approche d'optimisation mathématique rigoureuse, une méthodologie d'optimisation rationnelle sous contraintes technologique et économique visant à minimiser les irréversibilités thermodynamiques dans le système a été retenue. L'identification des voies d'amélioration, comprenant les possibilités d'intégration thermique et les modifications structurelles du procédé, a été réalisée via une analyse exergétique à l'échelle de l'opération unitaire. Cette dernière a été conduite sur une centrale modélisée avec des procédés conventionnels et un schéma d'intégration thermique conservatif afin d'obtenir un diagnostic initial avec le moins de biais possible. Les gains apportés par intégration thermique ont été évalués au moyen d'une méthodologie, développée dans le cadre de cette thèse, dans laquelle les sources de chaleur sont systématiquement valorisées au niveau du cycle vapeur pour maximiser la récupération d'énergie tout en minimisant les pertes exergétiques. Cette méthodologie à été appliquée à chacune des architectures de procédé identifiées comme potentiellement intéressantes. Ainsi, une configuration permettant de réduire la pénalité énergétique de 9,4 %-pts à 6,0 %-pts a été obtenue. Enfin, une optimisation technico-économique a été conduite afin de déterminer si toutes les modifications envisagées lors de l'optimisation énergétique étaient rentables et, dans le cas contraire, d'identifier la configuration minimisant le coût de l'électricité. La centrale optimisée ainsi obtenue, dont la pénalité énergétique est de 6,9 %-pts, permet de réduire le surcoût de l'électricité lié au captage du CO2 de 19 %. La compétitivité du captage par oxy combustion face à la post-combustion, sur les centrales à charbon pulvérisé nouvellement construites, a été démontrée.

Résumé de la thèse en anglais
A significant reduction of anthropogenic emissions of greenhouse gases is necessary in order to limit the effects of global warming. In this context, CO2 capture on coal-fired power plants is a particularly promising option. The objective of this thesis is to assess the potential of CO2 capture by oxy-combustion, the most credible alternative to currently foreseen chemical absorption process. One of the major bottlenecks towards the development of this capture route is the importance of its energy penalty. Due to the complexity and the strongly interconnected nature of the process, the resort to a rigorous mathematical optimization is impossible. Thus, a rational optimization methodology under technological and economical constraints aiming the minimization of the thermodynamic irreversibilities in the system has been established. The identification of the improvement paths, including thermal integration and structural modifications of the process, has been carried out by exergy analysis at unit operation level. The latter has been conducted on a power plant model with conventional processes and a conservative heat integration scheme in order to obtain an initial diagnosis with as little bias as possible. Gains brought by thermal integration have been assessed by a methodology, developed in the frame of this thesis, in which heat sources are systematically valorized in the steam cycle in order to maximize the energy recovery while minimizing the exergy losses. This methodology has been applied to each of the process architectures identified as promising and a configuration allowing the reduction of the energy penalty from 9.4 %-pts to 6.0 %-pts has been obtained. Finally, a techno-economic evaluation has been conducted in order to determine whether the considered modifications are profitable and, otherwise, identify a configuration minimizing the cost of electricity. The optimized power plant, exhibiting a 6.9 %-pts energy penalty, allows a 19 % reduction of the additional cost of electricity caused by CO2 capture. The competitiveness of CO2 capture by oxy-combustion over the post-combustion route, on new-built coal fired power plants, has been demonstrated.

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