Présentation

Les turbines à gaz sont une pierre angulaire de l'infrastructure énergétique moderne, qui conduit les lames des moteurs à réaction, des compresseurs industriels et génère de l'électricité dans les centrales à crête et les installations à cycle combiné. Leur capacité à démarrer rapidement, à se diluer rapidement et à fonctionner sur une variété de combustibles les rend indispensables à la stabilité du réseau et à l'aviation. Pourtant, pour toute leur brillance technique, les turbines à gaz dégagent une série d'émissions qui affectent l'environnement et la santé humaine.

Types d'émissions des turbines à gaz

Les émissions de turbines à gaz se répartissent en plusieurs catégories, chacune étant composée de sources distinctes, de comportements chimiques et de devenirs environnementaux. Les principaux polluants sont le dioxyde de carbone (CO2, les oxydes d'azote (NO[x), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures non brûlés (UHC), les particules (PM) et les oxydes de soufre (SOx).

Dioxyde de carbone (CO[2)

Le CO2 est le gaz à effet de serre le plus abondant émis par les turbines à gaz. Il est produit par la combustion complète de combustibles contenant du carbone, comme le gaz naturel, le diesel ou le kérosène. Bien que le gaz naturel ait la plus faible intensité de carbone parmi les combustibles fossiles, ce qui donne lieu à une réduction d'environ 50 à 60 % du CO2 par unité d'énergie que le charbon — le volume d'exploitation de la turbine à gaz dans le monde fait du CO2] le principal facteur de leur impact climatique.

Oxydes d'azote (NO[x)

Le NOx fait référence au mélange d'oxyde nitrique (NO) et de dioxyde d'azote (NO2[). Ces composés se forment principalement par la réaction de l'azote atmosphérique (N2) avec de l'oxygène à des températures élevées à l'intérieur du combustible, habituellement supérieures à 1 500 °C. La quantité de NO[x produite est exponentiellement liée à la température maximale de la flamme, une relation connue sous le nom de mécanisme Zeldovich. Les systèmes de combustion prémélange de plomb ont été développés pour diminuer les températures de la flamme et réduire le NO[x, mais atteindre des niveaux ultra-faibles demeure difficile sans compromettre la stabilité de la flamme ni augmenter les émissions de CO et de HCU.

Monoxyde de carbone (CO) et hydrocarbures non brûlés (UHC)

CO and UHC result from incomplete combustion. When the fuel-air mixture is too lean (excess air) or combustion temperatures are too low, the oxidation reactions do not go to completion. CO is a toxic gas that binds to hemoglobin in blood, reducing oxygen delivery. UHC includes a range of volatile organic compounds, some of which are carcinogenic and all of which contribute to ground-level ozone formation. In modern gas turbines, CO and UHC emissions are usually very low during full-load operation but can spike during start-up, shutdown, or low-load operation.

Matières particulaires (PM)

Les particules provenant des turbines à gaz sont constituées de particules fines, généralement de moins de 2,5 micromètres de diamètre (PM2.5) qui peuvent être inhalées profondément dans les poumons. Dans les turbines qui brûlent du gaz naturel, les émissions de particules sont généralement faibles parce que le combustible est propre. Toutefois, lorsqu'on brûle des combustibles liquides comme le diesel ou le mazout lourd, les émissions de particules peuvent être importantes.

Oxydes de soufre (SO[x)

Le gaz naturel a généralement une très faible teneur en soufre (souvent moins d'une partie par million), de sorte que les émissions de SOx des turbines à gaz fonctionnant au gaz de pipeline sont négligeables. Cependant, les turbines à gaz de secours ou à bicarburant qui brûlent du diesel ou du mazout peuvent émettre du SO[x, qui forme alors de l'acide sulfurique dans l'atmosphère, contribuant à la formation de pluie acide et de particules.

Impacts environnementaux

L'effet cumulatif de ces émissions dépasse de loin le voisinage immédiat des gaz d'échappement des turbines.Les impacts environnementaux couvrent les systèmes climatiques mondiaux, la qualité de l'air régional, l'acidification des écosystèmes et la santé humaine.

changements climatiques

Une fois émise, une seule molécule de CO[ peut demeurer dans l'atmosphère pendant des siècles. Les opérations mondiales de turbines à gaz—aéronautique, production d'énergie et entraînements industriels— libèrent des milliards de tonnes de CO[2 chaque année. Bien que les turbines à gaz naturel produisent moins de CO[2 par mégawattheure que les centrales à charbon, l'expansion de la flotte de turbines à gaz, en particulier dans le secteur de l'énergie, compense certains des gains découlant de l'adoption d'énergies renouvelables.

Qualité de l'air et santé humaine

Dans les zones urbaines où les turbines à gaz fonctionnent pour le chauffage de pointe ou urbain, les panaches de NO2 peuvent contribuer à des concentrations élevées au sol qui dépassent les limites réglementaires. Les enfants, les personnes âgées et les personnes atteintes d'asthme sont particulièrement vulnérables. Une étude de 2021 publiée dans Perspectives de la santé environnementale a estimé que les PM[2,5 provenant de la combustion de gaz naturel dans les centrales électriques étaient responsables de milliers de décès prématurés chaque année aux États-Unis seulement. De plus, les composés organiques volatils provenant de combustibles non brûlés peuvent réagir avec NOx pour former des aérosols organiques secondaires, qui constituent le problème des particules.

Pluie acide

Les émissions de NOx, ainsi que les émissions de SOx[ provenant de combustibles liquides, sont transformées en acides nitriques et sulfuriques dans l'atmosphère. Ces acides se déposent sur la terre et l'eau par la pluie, la neige ou les particules sèches, causant l'acidification des lacs, des cours d'eau et des sols. Les eaux acides peuvent tuer la vie aquatique et les métaux toxiques comme l'aluminium du sol. Les forêts à haute altitude sont particulièrement sensibles, avec des dommages visibles sous forme de croissance retardée et de perte d'aiguilles.

Formation d'ozone au niveau du sol

Contrairement à la couche d'ozone stratosphérique, l'ozone troposphérique est un puissant oxydant qui enflamme les tissus pulmonaires, réduit les rendements des cultures et endommage les matériaux comme le caoutchouc et les plastiques. Les turbines à gaz qui fonctionnent l'après-midi pendant les mois d'été peuvent aggraver les dépassements de l'ozone dans les zones exposées au smog. Parce que la formation d'ozone n'est pas linéaire, l'ajout de NO[x peut localement augmenter ou diminuer l'ozone selon le rapport COV/NOx, le problème exige des stratégies de contrôle soigneusement et spatialement résolues.

Stratégies d'atténuation

Il existe un large éventail d'approches d'atténuation, allant du choix des carburants aux contrôles techniques avancés aux mesures stratégiques. Les stratégies les plus efficaces intègrent plusieurs méthodes adaptées au type de turbine, au cycle d'utilisation et à l'environnement réglementaire.

Carburants plus propres

Le gaz naturel, qui est le combustible fossile le plus propre, émet beaucoup moins de CO2, SO[x et de particules que le charbon ou le pétrole lourd. Dans le gaz naturel, les variations de la teneur en méthane et les impuretés traces affectent légèrement les émissions. Les mélanges de biogaz, de gaz naturel renouvelable (GNR) et d'hydrogène offrent des voies vers des émissions de carbone à cycle de vie presque nul. De nombreuses turbines modernes sont capables de brûler jusqu'à 30 % d'hydrogène en volume sans modifications majeures.

Technologies de contrôle des émissions

Les systèmes de régulation postcombustion peuvent réduire considérablement le NOx et le CO. Les systèmes de réduction catalytique sélective (SCR) injectent de l'ammoniac ou de l'urée dans le flux d'échappement, passant par un convertisseur catalytique qui convertit le NOx en N2 et en eau. Les systèmes de réduction catalytique sélective peuvent atteindre une réduction de NO[x, ce qui les rend communs dans les grandes centrales électriques.

Améliorations opérationnelles

Les ajustements différentiels apportés à la façon dont les turbines sont exploitées donnent lieu à des réductions significatives, notamment :

  • Optimisation du démarrage et de l'arrêt :[ minimisant le temps passé en modes transitoires à haute émission en utilisant des algorithmes améliorés de séquençage et de rampage du carburant.
  • Gestion du fardeau:[ turbines fonctionnant à leur charge de base ou à proximité pour maintenir un rendement optimal de combustion; éviter un fonctionnement prolongé de la charge partielle où les émissions de CO et de CSU augmentent.
  • Planification des moteurs:[ changeant le réglage des buses de carburant pour correspondre à la demande de charge, une technique utilisée dans les turbines à cadres lourds de pointe.
  • Récupération de chaleur d'eau:[ intégrant des configurations à cycle combiné où la chaleur d'échappement génère de la vapeur pour une turbine à vapeur, augmentant l'efficacité globale à plus de 60% et réduisant la production spécifique de CO2.

Règlements et normes

Aux États-Unis, la Clean Air Act et les règles de l'EPA ultérieures établissent des normes de performance des nouvelles sources (NSPS) pour les turbines à gaz, limitant les émissions de NO[x, SOx et PM. La Directive sur les émissions industrielles de l'Union européenne (IED) impose des exigences similaires.

Technologies émergentes et perspectives d'avenir

Les cycles de puissance supercritiques du CO2 pourraient remplacer les cycles traditionnels du Brayton par une efficacité plus élevée et un captage plus facile du carbone. ]Les turbines à hydrogène sont testées par des fabricants comme Siemens Energy, GE Vernova et Mitsubishi Power, avec des prototypes qui permettent une combustion stable à faible NOx à des fractions d'hydrogène supérieures à 50 %. ][FLT:]]][F][F][F][FLT:[F]

Conclusion

Les turbines à gaz sont une technologie énergétique essentielle et flexible, mais elles ne sont pas exemptes de conséquences environnementales. Leurs émissions de CO[2, NO[x[, CO, UHC, PM et SO[x[ contribuent au changement climatique, à la dégradation de la qualité de l'air, aux pluies acides et à la formation d'ozone troposphérique. Toutefois, la gravité de ces impacts peut être considérablement réduite grâce à une combinaison de choix de combustibles propres, de systèmes de combustion avancés, de contrôles après combustion, de améliorations opérationnelles et de cadres réglementaires solides.