Captage du CO2 par oxy-combustion

Méthodologie d'optimisation par minimisation des pertes exergétiques

Contexte et enjeux

Réchauffement climatique et captage du CO2
  • Environ 12 Gt de CO2 sont émis annuellement par la production électrique, ce qui représente plus de 40 % des émissions mondiales de CO2 d’origine anthropiques (Fig. 1)
  • 41 % de l’électricité mondiale produite à partir de charbon (Fig. 1)
  • La mise en place de la chaîne de captage et stockage du CO2 sur les centrales à charbon est donc primordiale pour assurer la transition énergétique et atteindre les objectifs de limitation de l’augmentation de température fixés par le GIEC

 

Fig. 1 Emissions mondiales de CO2 par secteur d’activité (en haut) et part de la production mondiale d’électricité par type de ressource (en bas) Source: Agence internationale de l’énergie
Le captage par oxy-combustion
  • Alternative prometteuse au captage du CO2 par absorption chimique
  • L’oxy-combustion consiste à séparer l’oxygène de l’air en amont de la chaudière pour obtenir des fumées concentrées en CO2 faciles à capter en aval
  • La surconsommation liée à la séparation cryogénique de l’air (ASU) et la compression et purification du CO2 (CPU) entraîne cependant une pénalité énergétique élevée pouvant représenter jusqu’à 20 % de la production
Objectifs
  • Réduire la pénalité énergétique du procédé en adoptant une démarche d’optimisation à l’échelle système basée sur l’analyse exergétique et la thermo-économie

Méthodologie

  • Modélisation et simulation d’une centrale oxy-combustion de référence (Fig. 2)
  • Analyse exergétique de la centrale de référence pour identifier la localisation et l’importance des irréversibilités intervenant au sein du système (Fig. 3)
  • Mise en place d’une stratégie d’intégration énergétique minimisant les pertes thermodynamiques du procédé : chaleurs de compression de l’ASU et du CPU, préchauffage de l’oxygène, intégration de la chaleur en surplus de l’échangeur rotatif, et réchauffage des fumées avec de l’eau du cycle vapeur.

Fig. 2 Schéma simplifié d’une centrale à charbon pulvérisé fonctionnant en oxy-combustion avec captage du CO2

Fig. 3 Distribution de l’exergie dans le système en MW (à gauche) et répartition des pertes (à droite)

Résultats et perspectives

  • L’analyse exergétique a permis la mise en place d’une stratégie d’intégration de chaleur raisonnée menant à une diminution de la pénalité énergétique de 19 %, soit 1,1 point sur base PCI.
  • Les travaux futurs se focaliseront sur la prise en compte du critère économique dans la méthode d’intégration énergétique.
  Avant intégration Après intégration
Production électrique nette (MW) 760 805
Consommation ASU (MW) 123 140
Consommation CPU (MW) 77 87
Rendement net (%PCI) 36,2 38,1
Prénalité énergétique (%-pts) 9,9 8
Pénalité énergétique (kWh/tCO2) 274 257

 

 


Captage du CO2 par oxy-combustion - MINES ParisTech
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