Le rôle du gaz naturel dans un avenir carbone-neutral

Les centrales au gaz naturel occupent une position centrale dans la transition énergétique mondiale.Elles sont souvent caractérisées comme un combustible de pont -- parce qu'elles émettent environ la moitié du dioxyde de carbone (CO2) des centrales au charbon lorsqu'elles sont brûlées pour la production d'électricité. Ce profil de carbone plus faible, combiné à la flexibilité opérationnelle qui permet de faire rapidement la montée en puissance pour répondre à la demande fluctuante, fait du gaz naturel un partenaire attrayant pour les sources renouvelables intermittentes comme l'éolien et l'énergie solaire.

Cependant, le concept de pont implique que le gaz naturel est une solution temporaire sur la voie d'un système entièrement décarboné. La combustion du gaz naturel dégage encore des quantités substantielles de CO2 – environ 50 à 60 % de moins que le charbon par kilowattheure, mais encore beaucoup trop pour atteindre les objectifs d'émissions nettes zéro que les pays se sont engagés à atteindre en vertu de l'Accord de Paris. Pour concilier cette tension, les chercheurs et les ingénieurs font avancer une série de technologies neutres en carbone, conçues soit pour capturer le CO2 avant qu'il ne pénètre dans l'atmosphère, soit pour remplacer le gaz naturel par des combustibles zéro carbone.

Fonctionnement des centrales électriques au gaz naturel

Cycle simple vs cycle combiné

Les centrales au gaz naturel sont en deux configurations principales : cycle simple et cycle combiné. Dans une turbine à gaz à cycle simple (SCGT), l'air est comprimé, mélangé au gaz naturel et enflammé. Les gaz d'échappement chauds tournent une turbine connectée à un générateur, produisant de l'électricité. Les SCGT sont relativement peu coûteux à construire et peuvent démarrer en quelques minutes, ce qui les rend idéales pour répondre à la demande maximale.

Dans un GCCT, les gaz d'échappement chauds de la turbine à gaz sont acheminés vers un générateur de vapeur de récupération de chaleur (HRSG), qui produit de la vapeur. Cette vapeur entraîne ensuite une turbine à vapeur séparée, en extrayant de l'électricité supplémentaire sans brûler de carburant supplémentaire. Parce qu'ils extraitnt plus d'énergie de la même unité de gaz naturel, les installations de GCCT produisent moins de CO2 par mégawattheure que les GCCT. Les GCCT modernes représentent la technologie de production d'énergie thermique la plus efficace disponible aujourd'hui et constituent l'épine dorsale de nombreux réseaux nationaux.

Profil des émissions

Par rapport au charbon, qui libère également du dioxyde de soufre (SO2), des oxydes d'azote (NOx) et des particules, le gaz naturel est nettement plus propre.Selon l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis, la combustion du gaz naturel émet 0,9 livre de CO2 par kilowattheure contre 2,2 livres pour le charbon. Cette différence, bien qu'importante, demeure un problème dans le contexte d'un monde à teneur en carbone. De plus, l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement en gaz naturel, de l'extraction au transport jusqu'à la distribution, est sujette à des fuites de méthane (CH4), un gaz à effet de serre plus de 80 fois plus puissant que le CO2 sur une période de 20 ans.

Impact environnemental: au-delà du CO2

Pour faire face à l'empreinte environnementale complète des centrales au gaz naturel, il faut non seulement se concentrer sur le CO2 provenant de la combustion, mais aussi sur les fuites de méthane en amont, l'utilisation de l'eau et les impacts sur le sol. Le processus de fracturation hydraulique (fracturation) pour extraire le gaz naturel a suscité des préoccupations au sujet de la contamination des eaux souterraines et de la sismicité induite.

Les centrales au gaz naturel sont souvent montées en flèche et en baisse pour compenser la variabilité du vent et du solaire. Cette opération de vélo abaisse l'efficacité des NGCC et augmente les émissions par mégawattheure par rapport à l'exploitation en état d'équilibre. De plus, l'usure et la déchirure des turbines à partir de démarrages fréquents peuvent augmenter les coûts d'entretien et raccourcir la durée de vie des centrales.

Voies menant au gaz naturel carbone-neutral

Plusieurs stratégies sont en cours d'élaboration pour réduire ou éliminer les émissions nettes de carbone des centrales au gaz naturel, qui ne reposent pas sur l'élimination complète du gaz naturel, mais plutôt sur la capture du CO2 produit ou le remplacement du combustible par une solution de remplacement à zéro carbone.

Capture et stockage du carbone (SCC)

Le captage et le stockage du carbone sont les méthodes les plus directes pour rendre les centrales au gaz naturel neutres en carbone. Le CSC comporte trois étapes principales : capter le CO2 du flux d'échappement d'une centrale électrique, le compresser dans un état liquide et l'injecter dans des formations géologiques profondes telles que des réservoirs de pétrole et de gaz appauvris ou des aquifères salins pour le stockage permanent.

L'Institut mondial de la SCC signale qu'en 2023, il y avait 30 installations commerciales de la SCC dans le monde, avec une capacité de captage de plus de 45 millions de tonnes de CO2 par année. Bien que la plupart de ces installations soient associées à la transformation du gaz naturel ou à des activités industrielles, quelques centrales électriques – comme l'installation du barrage Boundary au Canada (qui utilise du charbon) et le projet Petra Nova au Texas (charbon) – ont fait la démonstration de la CCS à grande échelle.

Les progrès réalisés dans la chimie des solvants, la séparation des membranes et la combustion d'oxycombustibles pourraient réduire cette pénalité. Les politiques de soutien, comme le crédit d'impôt américain 45Q, qui prévoit jusqu'à 85 $ par tonne de CO2 capturé, sont essentielles pour rendre le CSC économiquement viable.

L'hydrogène comme combustible

Une autre voie de transformation est le remplacement du gaz naturel par l'hydrogène. Lorsque l'hydrogène est brûlé (ou utilisé dans une pile à combustible), la seule émission est la vapeur d'eau. Cependant, l'avantage environnemental dépend entièrement de la façon dont l'hydrogène est produit. Aujourd'hui, la grande majorité de l'hydrogène est dérivé du gaz naturel par reformage du méthane de vapeur (SMR), un procédé qui libère du CO2 à moins qu'il ne soit associé au CCS. Ce type d'hydrogène est souvent appelé -gray.

-L'hydrogène vert, produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité renouvelable, est totalement exempt de carbone de la production à l'utilisation. Le coût de l'hydrogène vert a chuté de façon spectaculaire – de 10 $ par kilogramme il y a dix ans à environ 4 à 6 $ par kilogramme aujourd'hui – mais il reste deux à trois fois plus cher que l'hydrogène gris.

Plusieurs fabricants de turbines à gaz, dont GE, Siemens et Mitsubishi, ont déjà développé des modèles capables d'utiliser l'hydrogène. En 2023, une centrale électrique de Long Ridge, en Ohio, est devenue l'une des premières au monde à co-allumer de l'hydrogène à 20 % dans une turbine à gaz GE 7HA. La transition vers une flotte alimentée à l'hydrogène nécessiterait des investissements substantiels dans la production, le stockage (l'hydrogène est moins énergétique que le gaz naturel) et l'infrastructure des pipelines.

Capture directe d'air et émissions négatives

Même avec le CSC ou l'hydrogène, il se peut que certaines émissions résiduelles des centrales au gaz naturel demeurent. Pour obtenir des émissions nettes nulles, voire négatives, le monde peut devoir combiner ces technologies avec le captage direct de l'air. Les machines DAC utilisent des sorbants chimiques pour extraire directement du CO2 de l'air ambiant, qui peuvent ensuite être stockés sous terre ou utilisés dans des produits. L'énergie requise pour le DAC est élevée, mais si le DAC est alimenté par l'électricité à zéro carbone, il élimine efficacement le CO2 qui existe déjà dans l'atmosphère.

Défis et perspectives d'avenir

La transition vers une centrale au gaz naturel neutre en carbone est confrontée à plusieurs obstacles importants. Premièrement, le coût. L'ajout de CSC à une centrale au gaz naturel augmente le coût de l'électricité (LCOE) de 50 à 80 %, selon le taux de captage et le lieu de stockage.

Le CSC exige que les pipelines transportent du CO2 vers les sites de stockage, ainsi que des puits d'injection et des systèmes de surveillance fiables. Le mélange d'hydrogène exige des pipelines neufs ou remis à neuf, des cavernes de stockage et des équipements d'utilisation finale. Troisièmement, les signaux gouvernementaux à long terme cohérents, tels que les taxes sur le carbone, les normes énergétiques propres et le financement de la R-D, sont essentiels pour dérisquer les investissements privés.

L'industrie pétrolière et gazière est sous pression pour détecter et réparer les fuites au moyen de la surveillance par satellite et d'autres technologies de pointe. Le Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement)) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement)) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement)) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais seulement) (en anglais)) (en anglais seulement

Malgré ces défis, de nombreux experts estiment qu'une combinaison de technologies neutres en carbone peut décarboner l'énergie du gaz naturel tout en préservant sa flexibilité et sa fiabilité. Par exemple, une usine pourrait utiliser l'hydrogène bleu pendant une décennie alors que l'infrastructure de l'hydrogène vert s'équilibrait, puis passer à l'hydrogène vert à mesure que les coûts diminuent.

Conclusion

Les centrales au gaz naturel ne sont pas non plus intrinsèquement compatibles avec un avenir neutre en carbone, mais elles ne sont pas nécessairement incompatibles.En les associant au captage et au stockage du carbone, en passant à l'hydrogène et en s'attaquant aux fuites de méthane, ces installations peuvent réduire considérablement leur impact sur le climat. La voie à suivre exige des investissements soutenus, des politiques de soutien et des techniques novatrices.