Fondements chimiques de la capture de gaz de combustion

Les gaz de combustion industriels contiennent un mélange d'azote (N2), de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d'eau (H2O), d'oxygène (O2) et de polluants traces tels que les oxydes de soufre (SOx), d'oxydes d'azote (NOx) et de particules. La concentration de CO2 varie généralement de 3 à 15 % en volume selon la source de combustible (charbon, gaz naturel, biomasse) et les conditions de combustion.

Technologies de capture établies

Absorption chimique avec des amines

L'absorption chimique reste la technologie la plus mature pour la capture du CO2 après la combustion. Dans ce processus, le gaz de combustion est bouilli par une solution aqueuse d'amines, la plus souvent monoéthanolamine (MEA). L'amine réagit avec du CO2 pour former un sel carbamate, qui est ensuite chauffé pour libérer un flux concentré de CO2 et régénérer le solvant. La réaction peut être représentée par: 2 RNH2 + CO2 → RNHCOO− + RNH3+. Bien que très efficace (taux de déménagement dépassant 90 %), la pénalité énergétique pour la régénération du solvant est substantielle – généralement 3–4 GJ par tonne de CO2 capturée.

Absorption physique

Les solvants physiques, tels que le Selexol (éther diméthylique de polyéthylèneglycol) et le Rectisol (méthanol refroidi), sont utilisés lorsque le gaz de combustion a une pression partielle élevée de CO2. Ces solvants dépendent de la solubilité plutôt que de la réaction chimique, permettant la régénération par réduction de la pression ou le chauffage sans avoir besoin de décapage de vapeur. L'absorption physique est particulièrement intéressante dans les usines de gazéification intégrée à cycle combiné (GICC), où le gaz de synthèse est à haute pression.

Adsorption sur les sorbants solides

Les adsorbants solides offrent une alternative aux solvants liquides, avec un potentiel d'énergie de régénération plus faible et de corrosion réduite. Le carbone activé, les zéolites, les cadres métal-organiques (MOF) et les silices fonctionnelles amine sont des sorbants courants. L'adsorption peut être effectuée dans des lits fixes ou des lits fluidisés en utilisant l'adsorption oscillante de température (TSA) ou l'adsorption oscillante de pression (PSA). Dans le TSA, le sorbent est chauffé pour libérer le CO2 capturé; dans le PSA, la pression est réduite. Les MOF, comme le Mg-MOF-74, présentent une capacité élevée de CO2 et une sélectivité à des températures modérées.

Séparation de la membrane

La technologie de la membrane utilise des polymères semi-perméables ou des matériaux inorganiques pour séparer le CO2 des gaz de combustion en fonction des différences de diffusion et de solubilité. Les membranes de polymères, comme celles faites de polyimides ou de copolymères à base de poly(oxyde d'éthylène), offrent une perméabilité élevée au CO2 et une bonne sélectivité sur N2. Les modules de membrane sont compacts, évolutives et ne nécessitent aucune étape de régénération, ce qui les rend attrayants pour la modernisation des usines existantes.

Combustion chimique en boucle

Un transporteur d'oxygène métallique, tel que Fe2O3 ou CuO, circule entre deux réacteurs. Dans le réacteur à combustible, l'oxyde métallique oxyde le combustible en CO2 et H2O, tout en étant réduit à un état d'oxydation plus faible. Le métal réduit est alors réoxydé dans l'air dans le deuxième réacteur, dégageant de la chaleur. Le CO2 du réacteur à combustible est intrinsèquement concentré et peut être éliminé sans une étape de séparation à forte intensité énergétique. Les principaux défis techniques sont la conception de transporteurs d'oxygène à haute réactivité et à forte résistance mécanique sur de nombreux cycles et l'expansion des systèmes de circulation solide.

Progrès dans les processus de capture

Solvants nouveaux et mélanges de solvants

Les solvants à changement de phase qui forment une phase liquide ou solide distincte riche en CO2 réduisent le volume de solvant qui doit être chauffé. Par exemple, le procédé d'ammoniac réfrigéré précipite le bicarbonate d'ammonium, qui peut être séparé et décomposé à des températures modérées. Le mélange d'amines avec de la pipérazine ou du carbonate de potassium augmente les taux d'absorption et réduit la dégradation oxydative. Les solvants eutectiques profonds, composés de donneurs de liaison hydrogène et d'accepteurs, offrent une alternative faible toxicité et faible volatilité aux amines conventionnelles et ont montré des solubilités en CO2 comparables à MEA.

Capture électrochimique de CO2

Dans une approche, une molécule à base de quinone est réduite à la cathode pour former un dianion quinone, qui réagit avec du CO2 pour former un adduit carbonaté. L'adduit est ensuite oxydé à l'anode, libérant le CO2 et régénérant la quinone. Le processus d'échangisme du pH utilise une cellule électrochimique pour changer le pH d'une solution, déplaçant l'équilibre bicarbonate-carbonate. Ces méthodes pourraient réduire les besoins énergétiques à environ 1–2 GJ/t CO2, mais elles sont encore à l'échelle du laboratoire.

Intensification des processus et conception modulaire

Les ingénieurs chimiques appliquent l'intensification des processus pour réduire la taille et le coût des équipements de captage. Les lits en rotation, par exemple, utilisent des forces centrifuges pour augmenter le transfert de masse gaz-liquide, réduisant la hauteur des colonnes d'absorption d'un facteur de 10. Les réacteurs microcanaux permettent un contrôle précis de la température et du temps de séjour, améliorant le rendement de la régénération des solvants.

Voies d'utilisation des gaz de combustion

Capture et utilisation du carbone (CCU) pour les combustibles

Le CO2 capté peut être transformé en combustibles synthétiques par voie thermochimique, électrochimique ou biologique. L'hydrogénation du CO2 en méthanol (CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O) est catalysée par le Cu/ZnO/Al2O3 à 50–100 bar et 200–300°C. Le Méthanol peut être utilisé comme combustible directement ou transformé en essence par le procédé du méthanol-à-gazoline (MTG). Le concept de puissance-à-liquide combine le CO2 capturé dans les gaz de combustion avec le H2 généré par électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité renouvelable, produisant des carburants électroniques comme le kérosène synthétique pour l'aviation.

Matières premières chimiques: urée, polymères et carbonates

L'urée, produite à partir d'ammoniac et de CO2, est le plus gros produit chimique dérivé du CO2, avec environ 150 millions de tonnes par an consommées comme engrais. D'autres utilisations industrielles comprennent la synthèse de précurseurs de polycarbonate et de polyuréthane, tels que le carbonate de diphényle et les carbonates cycliques. La réduction photocatalytique et électrocatalytique du CO2 en monoxyde de carbone (CO) ou en acide formique offre des voies pour produire des blocs de construction pour les produits pharmaceutiques et les produits chimiques fins.

Carbonation minérale et matériaux de construction

La carbonation minérale réagit au CO2 avec des silicates de calcium ou de magnésium pour former des carbonates stables, comme la calcite (CaCO3) ou la magnésite (MgCO3). Cette réaction est exothermique et imite l'altération naturelle, en stockant en permanence le CO2 sous forme solide.Les carbonates qui en résultent peuvent être utilisés comme agrégats pour le béton, les briques ou les matériaux de remblayage.Le procédé CarbonCure injecte du CO2 dans du béton frais, où il réagit avec l'hydroxyde de calcium pour former des nanoparticules de carbonate de calcium, améliorant la résistance à la compression et réduisant la teneur en ciment.

Récupération améliorée du pétrole (ROE) et stockage géologique

Dans le cadre d'une récupération accrue du pétrole, le CO2 est injecté dans des réservoirs de pétrole appauvris pour réduire la viscosité du pétrole et augmenter la pression du réservoir, améliorant ainsi la récupération du pétrole de 5 à 15 %. Bien que l'EOR soit une voie d'utilisation éprouvée qui a été pratiquée pendant des décennies dans le bassin de Permian, elle est intrinsèquement liée à l'extraction de combustibles fossiles et ne stocke pas en permanence tous les CO2 injectés, certains peuvent revenir avec le pétrole produit.

Conversion biologique: Algae et fermentation

Les microalgues peuvent fixer le CO2 par photosynthèse à des vitesses 10 à 50 fois plus élevées que les plantes terrestres.Le gaz de combustion est bublotté par des photobioréacteurs contenant des algues telles que Chlorella vulgaris ou Spirulina platnsis[.La biomasse peut être récoltée pour les biocarburants, l'alimentation animale, les nutraceutiques ou les bioplastiques.Les défis techniques comprennent le maintien d'un pH et de la température optimaux, la gestion de l'accumulation d'oxygène et la prévention de la contamination.

Intégration et conception au niveau du système

Intégration de la chaleur et réduction des pénalités énergétiques

La plus importante barrière au déploiement généralisé de la capture est la charge énergétique parasitaire, qui peut réduire de 20 à 30 % la production nette d'une centrale électrique. Les ingénieurs chimiques utilisent l'analyse de pincement pour intégrer la chaleur résiduelle du processus de capture (p. ex., du compresseur intercooler CO2) dans le cycle de vapeur de la centrale. Dans certaines configurations, la vapeur utilisée pour la régénération du solvant est prélevée sur une turbine à basse pression, sacrifiant la production d'électricité. Cependant, les pompes à chaleur à absorption peuvent améliorer la chaleur de faible qualité du réchaud pour fournir une partie de la tâche de régénération.

Couplage des énergies renouvelables

Les systèmes à base de solvants peuvent maintenir un stock de solvant chargé qui peut être régénéré lorsque l'énergie renouvelable est disponible. Les méthodes de captage électrochimique, en particulier, peuvent utiliser directement l'électricité variable sans avoir besoin d'inertie thermique. IEA a souligné que l'intégration des CCUS aux énergies renouvelables pourrait réduire le coût global de la décarbonisation de 30 % d'ici 2050 (IEA CCUS in Clean Energy Transitions.

Modèles circulaires d'économie pour gaz industriels

Dans une aciérie, par exemple, les gaz de haut fourneau (rich en CO et CO2) peuvent être captés et combinés avec du H2 provenant de l'électrolyse pour produire du méthanol, qui peut ensuite être utilisé comme combustible pour les fours de réchauffage de l'acier. L'excès de chaleur de la réaction de synthèse du méthanol peut alimenter l'unité de captage. Les usines de récupération vers l'énergie peuvent intégrer la capture du CO2 avec la culture des algues, où les algues consomment le CO2 et la biomasse qui en résulte est alimentée en digesteurs anaérobies pour produire du biogaz. Ces réseaux symbiotiques nécessitent une analyse technique systématique pour équilibrer les flux de masse et d'énergie, une compétence fondamentale de l'ingénierie chimique.

Statistiques économiques et environnementales

Coût de la saisie et coût évité

Pour les centrales à cycle combiné de gaz naturel (CNG), le coût de capture normalisé est de l'ordre de 50 à 70 $ la tonne de CO2 évitée; pour les centrales à charbon, de 40 à 60 $; et pour les centrales à ciment, de 60 à 90 $. Ces coûts sont dominés par les dépenses en capital (colonnes d'absorption, compresseurs) et la pénalité énergétique. Les nouvelles technologies visent à ramener les coûts à moins de 30 $/t d'ici 2030. Les voies d'utilisation peuvent compenser certains coûts : la production de méthanol à partir de CO2 capturé a actuellement une prime de coût de 30 à 50 % par rapport au méthanol dérivé des fossiles, mais avec une tarification du carbone supérieure à 100 $/t, elle devient concurrentielle.

Évaluation du cycle de vie (ACV)

Par exemple, si l'électricité destinée à la régénération des solvants provient d'une centrale au charbon, la réduction globale du CO2 peut être seulement de 50 à 70 %. Allan et al. (2021) ont montré que la production de carburant à jet synthétique à partir du CO2 et de H2 renouvelables peut réduire les émissions de gaz à effet de serre du cycle de vie de 65 à 85 % par rapport au kérosène fossile, en supposant la décarbonisation du réseau ([]Communications sur la nature[. Toutefois, l'utilisation de l'eau, l'utilisation des terres pour les infrastructures d'énergie renouvelable et la toxicité des solvants doivent également être prises en compte.

Orientations et défis futurs de la recherche

Durabilité et mise à l'échelle des matériaux

Malgré les progrès réalisés dans les adsorbants et les solvants, la stabilité à long terme dans les conditions réelles de gaz de combustion demeure un obstacle majeur. Les solvants d'amine se dégradent par oxydation et nitrosation, nécessitant une maquillage pouvant atteindre 3 kg par tonne de CO2. Les sorbants solides peuvent perdre de leur capacité en raison de l'attrition dans les lits fluidisés ou du blocage des pores par les cendres volantes. La recherche sur les alliages résistant à la corrosion, les revêtements avancés et la purification en ligne des gaz de combustion se poursuit. La transition des démonstrations de laboratoire (grammes de sorbent) aux usines pilotes (tonnes par jour) nécessite des solutions techniques pour la gestion de la chaleur, la manutention solide et le contrôle des procédés.

Intégration de Capture avec Capture d'Air Directe (DAC)

Bien que le DAC soit plus coûteux (250 $ à 600 $/t), il offre la possibilité de réduire les émissions nettes négatives lorsqu'il est combiné à l'énergie de biomasse (BECCS). Les ingénieurs en chimie explorent des systèmes hybrides où le même solvant/adsorbant peut être utilisé pour le gaz de combustion et l'air ambiant, et où la chaleur ou l'électricité renouvelable excédentaire alimente le processus DAC à plus forte intensité énergétique.

Politiques, perception du public et déploiement

La loi américaine de 2022 sur la réduction de l'inflation a élargi le crédit de 45Q et inclus des dispositions pour le paiement direct. Toutefois, l'opposition au stockage géologique (par exemple, les préoccupations au sujet de la sismicité induite ou de la contamination des eaux souterraines) demeure un obstacle dans certaines régions. Les ingénieurs chimiques ont un rôle à jouer dans la communication transparente des risques et des avantages, la conception de sites de stockage sûrs et bien surveillés et la mise au point de voies d'utilisation qui produisent des produits tangibles les valeurs publiques.

L'innovation en génie chimique sera essentielle, de l'optimisation de la chimie des solvants à la conception de réacteurs modulaires évolutives et à l'intégration avec les systèmes d'énergie renouvelable, le domaine est prêt à fournir des solutions pratiques qui captent et réutilisent ces gaz, transformant un flux de déchets en une ressource. La voie à suivre nécessite une collaboration soutenue en matière de recherche entre les milieux universitaires, l'industrie et les décideurs, soutenue par une analyse technique rigoureuse.