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Traitement de gaz et gestion industrielle du CO2

IFP Energies nouvelles est l'un des rares organismes de R&D au monde et le seul en France dont les travaux couvrent l'intégralité de la chaîne du captage, transport et stockage géologique du CO2 (CSC ou CCS en anglais).
Ses recherches trouvent déjà des applications industrielles, tant dans le domaine du captage avec les procédés de traitement des gaz acides, que dans le domaine du stockage avec l'injection de CO2 comme procédé de récupération assistée des hydrocarbures (EOR).

Le pilote CLC sur le site d'IFPEN à Lyon

En matière de captage, deux orientations guident les travaux d'IFP Energies nouvelles : la traitement des gaz acides et le captage sur des sources de concentrées.

 

Traiter les gaz acides

Les énergies fossiles, dont la part du gaz ne cesse de croître, devraient encore satisfaire 75 % de la demande énergétique à l'horizon 2035. Or, 40 % des réserves mondiales de gaz contiennent des composés acides, dont le CO2 (ainsi que certains composés soufrés). Pour être commercialisé, le gaz produit doit être ramené à des spécifications strictes. Développer des procédés et équipements pour le traitement de gaz sur les sites de production contribue ainsi fortement à la réduction des émissions de CO2.

Dans ce domaine, IFPEN travaille à l'optimisation des procédés et à la mise au point de technologies de traitement innovantes. Afin de séparer les gaz acides du gaz naturel, on peut employer des amines, comme dans le procédé AdvAmine commercialisé par Prosernat, filiale d'IFPEN ou séparer le CO2 des gaz très acides sous forme liquide grâce au procédé Sprex ® CO2, développé par Total en collaboration avec IFPEN, ce qui facilite sa réinjection.
Le procédé de rupture COSWEET cible quant à lui l'élimination du composé soufré COS via une réaction catalytique, afin d'atteindre la spécification requise de 1ppm de soufre dans le gaz traité, tout en conservant une sélectivité vis-à-vis du CO2. Son dossier technique a été finalisé en 2012. Par ailleurs, en raison du nombre croissant de demandes d'unités de traitement de gaz pour des applications offshore, IFPEN a lancé depuis 2011 des travaux visant à optimiser les procédés de traitement de gaz en mer.

 

Captage du CO2 sur des sources industrielles concentrées

Captage en postcombustion

Le CO2 est capté dans les fumées après combustion des charges fossiles. IFP Energies nouvelles travaille principalement sur des solvants chimiques, qui lavent les fumées par absorption et sont régénérés par distillation.

Une première génération de solvants a donné naissance au procédé HiCapt+ qui utilise la MEA (monoéthanolamine) à forte concentration comme solvant, ce qui contribue à l'augmentation des performances et à la réduction de l'empreinte hydrique de ce type de procédé. Il est en cours d'optimisation et de validation. Pour cela, différents additifs sont testés.
Cette technologie présente l'avantage de pouvoir être implantée sur des unités telles que les centrales thermiques existantes, si leur rendement initial sans captage est suffisant (de l'ordre de 45 %). Cependant, la pénalité économique et énergétique est encore élevée.

IFP Energies nouvelles travaille sur une seconde génération de solvants dits démixants, nécessitant une plus faible énergie de régénération, et donc plus respectueux de l'environnement. Il a défini un procédé de rupture fondé sur l'utilisation d'un solvant amine très capacitif et facilement régénérable, qui permet, en sortie d'absorbeur, de séparer la phase qui a réagi et donc de ne régénérer qu'une fraction seulement du solvant. Ce procédé, nommé DMX, fera l'objet d'un essai sur pilote industriel dans le cadre du projet européen Octavius, piloté par IFPEN. La pénalité énergétique pourrait être réduite à 2,1 gigajoules par tonne de CO2 captée, contre environ 3 gigajoules pour le procédé standard, soit un gain de près de 30 %.

Pour augmenter l'efficacité des procédés de captage en postcombustion, IFP Energies nouvelles cherche à améliorer les garnissages des colonnes d'absorption et notamment par de nouvelles structures métalliques pour la fabrication des contacteurs gaz/liquide. Des tests ont été réalisés en 2012 avec l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse sur les garnissages IFPACC conçus par IFPEN, ce qui a permis d'affiner leur design. En parallèle, des études ont été menées avec un partenaire industriel pour valider la faisabilité d'une fabrication industrielle de ces internes, qui pourraient trouver une première application en traitement de gaz.

Captage par oxycombustion

Le combustible fossile est brûlé en présence d'oxygène pur ce qui produit essentiellement de l'eau et du CO2. La condensation de l'eau permet alors d'obtenir des fumées très concentrées en CO2. Cette technique est principalement envisagée sur de nouvelles installations. Mais produire de l'oxygène en le séparant de l'air coûte cher. Une autre solution est d'éviter l'étape de séparation.

Pour cela, IFP Energies nouvelles travaille sur la combustion en boucle chimique (CLC ou Chemical Looping Combustion), où l'apport d'oxygène est réalisé grâce à un oxyde métallique. Cette technologie est testée en collaboration avec Total sur un pilote de 10 kWth sur le site d'IFP Energies nouvelles à Lyon.
Après un fonctionnement validé avec succès sur charges gazeuses, les équipes de recherche ont adapté le procédé à des charges charbon et petcoke. Les résultats obtenus sont encourageants, notamment en termes de taux de conversion du combustible, de coût énergétique et de tenue des solides porteurs d'oxygène. Une application industrielle dans le domaine de la production d'énergie pourrait être envisagée à moyen terme.

En ce qui concerne les solides porteurs d'oxygène, IFPEN travaille à la mise en œuvre d'un programme d'identification et de tests d'oxydes métalliques, notamment dans le cadre de l'Alliance Tri4CCS (Technology Research Innovation for CCS) avec TNO et Sintef. L'objectif est d'identifier un solide aux performances optimales.

 

Stockage géologique du CO2

Pour assurer le confinement du CO2 dans la durée, IFP Energies nouvelles travaille sur deux solutions de stockage : les anciens réservoirs d'hydrocarbures et les aquifères salins profonds.
Les recherches portent sur la sélection et la caractérisation des sites de stockage, l'analyse de risque, l'optimisation de l'injection du CO2 et la surveillance sur le long terme (monitoring). IFP Energies nouvelles met au point des logiciels de modélisation et de simulation, des techniques de surveillance par écoute sismique et des méthodes de traitement du signal. Il étudie également les interactions entre les milieux poreux et les fluides acides.

En vue de faciliter la sélection de site, IFPEN a étudié en 2012 le potentiel d'un outil de sélection rapide baptisé Quick Look. L'objectif est de disposer d'un outil simplifié et puissant permettant de caractériser très rapidement un site afin de décider de son intérêt d'un point de vue technico-économique. IFPEN souhaite le développer dans le cadre d'un JIP (Joint Industry Project) en 2013. En outre, IFPEN met au point des logiciels permettant la modélisation des sites et la simulation des complexes de stockage et de leur devenir. Il a réalisé en 2012 la première maquette d'une plateforme logicielle évolutive de modélisation du stockage de CO2 en aquifère. Ces travaux seront poursuivis dans le cadre du JIP BriDGES en 2013. Cette plateforme, de même que les résultats du projet européen ULTimateCO2 auquel IFPEN participe, contribuera au développement de la plateforme CooresFlow d'IFPEN de simulation du stockage de CO2 en aquifère.

IFPEN travaille par ailleurs sur l'évaluation économique de la chaîne du CSC, ainsi que sur l'évaluation des procédures de prise de permis de stockage et de permis d'abandon de site. Il mène ces travaux dans le cadre de projets collaboratifs européens tels que :

  • CO2CARE, projet piloté par le centre de recherche allemand GFZ sur la gestion de la fermeture et l'abandon des sites de stockage ;
  • SiteChar, projet piloté par IFPEN sur la caractérisation des sites de stockage, l'acceptation sociale et l'évaluation des procédures de prise de permis.

IFPEN participe enfin à des projets de démonstrateurs : dans le Sud de la France, à Lacq, dans le cadre d'une initiative de Total, ou au sein du projet d'Enel sur le site de Porto Tolle (Italie).

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Voir aussi
+ Développement industriel > CO2
+ Partenariats> projets européens portant sur le CO2
+ Les Rencontres Scientifiques d'IFP Energies nouvelles : 1ère Conférence Internationale sur la Boucle Chimique (17-19 mars 2010 - IFP-Lyon) >> Vidéos et résumés des présentations
+ Captage du CO2 : les amines expérimentent le haut débit, par Fabien Porcheron

En savoir plus...
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Des technologies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre

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17 %

Ce sera la contribution du CSC à la réduction des émissions de CO2 à l'horizon 2035 selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE).

Captage du CO2 : les amines expérimentent le haut débit

Fabien Porcheron

Stockage géologique du CO2 et de l'énergie en aquifères salins profonds

Rencontres scientifiques IFPEN de mai 2009 - les articles sont disponibles en téléchargement
>> Oil & Gas Science and Technology (OGST) - n°1 - vol 66 (jan-fév 2011)