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Le gaz de combustion comme source de chaleur pour la production de vapeur dans les EOR thermiques

Parmi ces techniques, la combustion du gaz naturel ou du pétrole brut, qui engendre un coût d'exploitation important et une empreinte carbone, constitue une autre approche, qui consiste à capturer le gaz de combustion à haute température produit par les centrales électriques existantes et à utiliser cette énergie thermique pour produire de la vapeur. Cet article examine la faisabilité technique, économique et environnementale de l'intégration du gaz de combustion dans les systèmes thermiques de production de vapeur de l'EOR.

Composition et propriétés thermiques des gaz de combustion

Le gaz de combustion est le flux d'échappement émis après la combustion de combustibles fossiles comme le charbon, le gaz naturel ou le coke de pétrole dans les installations de production d'électricité. Sa composition varie selon le type de combustible et les conditions de combustion, mais le gaz de combustion sec typique se compose d'environ 70 à 75 % d'azote (N2), de 10 à 15 % de dioxyde de carbone (CO2), de 3 à 5 % d'oxygène (O2) et de petites fractions d'argon et de vapeur d'eau.

Température et teneur en chaleur

Le gaz de combustion sort des cheminées modernes à des températures comprises entre 120 °C et 200 °C après avoir traversé des systèmes de récupération de chaleur. Cependant, en amont de la cheminée, comme à la sortie de l'économat ou avant l'unité de désulfuration des gaz de combustion, les températures peuvent être sensiblement plus élevées, souvent comprises entre 300 °C et 600 °C. Cela représente une quantité importante d'énergie thermique récupérable.

Caractéristiques corrosives et polluantes

L'un des principaux défis à relever avec l'utilisation de gaz de combustion bruts est sa nature corrosive. Les oxydes de soufre, en particulier le SO3, peuvent former de l'acide sulfurique lorsqu'ils se combinent avec de la vapeur d'eau à des températures inférieures au point de rosée acide. Les espèces de NOx contribuent également à la formation d'acide.

Avantages de l'intégration des gaz de combustion pour la production de vapeur

L'énergie thermique de réépuration des gaz de combustion pour la production de vapeur EOR offre plusieurs avantages convaincants qui vont au-delà des économies de carburant simples.

Réduction des coûts des carburants

La production de vapeur pour l'EOR thermique est une source de combustible. Un générateur de vapeur typique utilisé pour la stimulation cyclique de la vapeur peut consommer 500 à 1 000 MMBtu de gaz naturel par jour. En utilisant la chaleur résiduelle du gaz de combustion, les opérateurs peuvent réduire ou éliminer la nécessité d'acheter du combustible pour la production de vapeur.

Utilisation et séquestration du dioxyde de carbone

Lorsque ce gaz est capté et utilisé dans les opérations de l'EOR, une partie du CO2 reste bloquée en permanence dans le réservoir par dissolution, piégeage résiduel et minéralisation, ce qui entraîne une réduction nette des émissions atmosphériques de CO2 par rapport aux gaz de combustion directement. Bien que le CO2-EOR utilise généralement des flux de CO2 purifiés, l'approche d'intégration thermique peut être combinée avec des systèmes de captage du carbone pour améliorer encore le profil environnemental de l'opération.

Améliorations de l'efficacité énergétique

Les centrales fonctionnent déjà à des rendements thermiques de 33 à 45 %, ce qui signifie qu'une fraction importante de la teneur en énergie du combustible est perdue à cause de la chaleur résiduelle. En captant et en utilisant cette chaleur résiduelle, l'efficacité globale combinée de la centrale et de l'exploitation de l'EOR peut dépasser 60 à 70 %, ce qui représente une amélioration substantielle de l'utilisation de l'énergie primaire et réduit l'impact environnemental global des deux installations.

Synergies opérationnelles

Les pipelines à vapeur, les installations de traitement de l'eau et les infrastructures électriques peuvent être partagés, ce qui réduit les dépenses en capital pour les deux installations. De plus, les opérations intégrées peuvent améliorer la fiabilité de l'approvisionnement en vapeur, car les centrales fonctionnent généralement toute l'année avec une production prévisible.

Défis techniques et stratégies d ' atténuation

Malgré sa promesse, l'utilisation de gaz de combustion pour la production de vapeur présente plusieurs obstacles techniques qui doivent être abordés par la conception prudente du système et la sélection des matériaux.

Élimination des polluants et conditionnement du gaz

Avant de pouvoir passer par des échangeurs de chaleur ou des générateurs de vapeur à contact direct, les polluants doivent être éliminés à des niveaux acceptables. Les oxydes de soufre peuvent être réduits à l'aide de systèmes de déssulfurisation des gaz de combustion humides ou secs. La réduction catalytique sélective (SCR) permet généralement de contrôler les NOx. La matière particulaire est éliminée par des précipitateurs électrostatiques ou des filtres à sacs.

Sélection de matériaux pour les environnements corrosifs à haute température

L'acier au carbone standard ne convient pas à la manipulation de gaz de combustion non traités à des températures élevées dues à la corrosion et à l'oxydation de l'acide. Les alliages à haute teneur en chrome et en nickel, tels que les nuances d'acier inoxydable 304L, 316L ou les matériaux plus alliés comme Inconel, sont nécessaires pour les surfaces échangeuses de chaleur et les gaines.

Éviter la corrosion du point de rosée acide

L'une des considérations les plus critiques de la conception est de maintenir la température des gaz de combustion au-dessus du point de rosée acide à tous les points du système. Le point de rosée acide dépend de la concentration de trioxyde de soufre et de vapeur d'eau, mais tombe généralement de 110°C à 150°C pour les gaz de combustion dérivés du charbon.

Intégration de la chaleur et mise en page du système

Le système d'intégration de la chaleur doit équilibrer les profils de température du gaz de combustion et du cycle eau/vapeur. Le gaz de combustion à 300-400°C peut être utilisé pour préchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière ou produire de la vapeur à basse pression directement. Les configurations plus avancées utilisent un générateur de vapeur de récupération de chaleur (HRSG) semblable à ceux des centrales à cycle combiné.

Approches technologiques pour les systèmes de gaz de combustion à vapeur

Plusieurs configurations techniques ont été proposées et testées pour convertir l'énergie thermique des gaz de combustion en vapeur adaptée à l'injection d'EOR.

Échange indirect de chaleur avec fluide de transfert de chaleur

Dans cette approche, un échangeur de chaleur transfère l'énergie thermique du gaz de combustion à un fluide de transfert de chaleur à haute température, généralement un pétrole thermique ou un sel fondu. Le fluide chauffé circule ensuite vers un générateur de vapeur conventionnel où il transfère la chaleur à l'eau. Ceci découple la manipulation des gaz de combustion du processus de production de vapeur, permettant ainsi d'optimiser chaque sous-système de manière indépendante. Le fluide thermique permet également de limiter les fluctuations de la température et du débit des gaz de combustion.

Contact direct Production de vapeur

Les systèmes de contact direct consistent à injecter du gaz de combustion dans une colonne où il entre en contact intime avec des gouttelettes d'eau. La chaleur et le transfert de masse se produisent directement, produisant de la vapeur tout en frottant certains polluants du flux de gaz. Cette approche est plus simple et plus thermiquement efficace que l'échange indirect, mais elle introduit du CO2 et d'autres gaz dans la vapeur, ce qui peut affecter la chimie des réservoirs ou nécessiter une séparation en aval.

Générateur de vapeur de récupération de chaleur avec nettoyage au gaz

L'approche la plus avancée techniquement intègre une section de nettoyage des gaz de combustion (déssulfurisation, RCS et élimination des particules) en amont d'un SGRH conventionnel. Le gaz de combustion nettoyé traverse des sections d'échange de chaleur qui préchauffent l'eau d'alimentation, génèrent de la vapeur saturée et surchauffent la vapeur en option.Cette configuration repose sur des composants éprouvés, mais nécessite un calibrage précis pour correspondre à la charge thermique de l'opération EOR.

Capture combinée de carbone et intégration thermique

Dans ces configurations, le gaz de combustion passe d'abord par un système de captage du CO2 (comme un système de nettoyage des amines ou une séparation de membrane), qui peut nécessiter une énergie thermique importante pour la régénération. L'énergie thermique restante dans le gaz de combustion est ensuite utilisée pour la production de vapeur.

Études de cas et projets pilotes

Plusieurs projets de démonstration ont évalué la faisabilité de la récupération de chaleur de gaz de combustion pour les EOR thermiques, avec des résultats mitigés qui mettent en évidence à la fois les promesses et les défis pratiques.

Pilote de campagne de pétrole lourd de Californie

Dans la vallée de San Joaquin, en Californie, un projet pilote a intégré le gaz de combustion d'une cogénération de 50 MW avec une opération d'inondation de vapeur. Le système a utilisé un échangeur thermique indirect avec du pétrole thermique comme fluide intermédiaire pour produire 60 000 lb/h de vapeur de qualité de 80 % à 1 200 lb/h. Pendant une période de deux ans, le système a démontré une efficacité thermique de 85 % par rapport à un générateur de vapeur alimenté au gaz naturel.

Démonstration des sables bitumineux canadiens

Un exploitant de sables bitumineux en Alberta a testé un générateur de vapeur à contact direct à l'aide de gaz de combustion provenant d'une centrale au gaz naturel. La vapeur produite contenait environ 8 % de CO2 en volume, injectée avec la vapeur dans le réservoir. Des études de laboratoire ont indiqué que la présence de CO2 a amélioré la récupération du pétrole de 5 à 8 % par rapport à la vapeur pure dans des conditions semblables, en raison de la réduction de la viscosité et de l'entraînement du gaz de solution.

Intégration de la capture de carbone au Moyen-Orient

Une importante entreprise pétrolière nationale du Moyen-Orient a évalué la combinaison du captage du carbone après combustion et de la ROE thermique. Dans leur modèle, le CO2 est capturé dans une usine de turbine à gaz de 500 MW utilisant le lavage des amines, et le gaz de combustion résiduel (toujours à 150 °C) est acheminé vers un SGRH qui génère de la vapeur pour l'injection. Le CO2 capturé est également utilisé pour la ROE, ce qui crée un double avantage.

Analyse économique et environnementale

La viabilité économique de la production de vapeur de gaz de combustion dépend d'une interaction complexe de facteurs, notamment les prix des carburants, la politique en matière de carbone, les coûts en capital et la fiabilité opérationnelle.

Coûts d'immobilisation et d'exploitation

L'installation d'un système de récupération de chaleur de gaz de combustion pour la production de vapeur d'EOR nécessite un investissement important en capital initial. Un système typique conçu pour générer 100 000 lb/h de vapeur peut coûter entre 5 et 15 millions de dollars, selon les exigences de nettoyage du gaz de combustion, la qualité du matériau de l'échangeur de chaleur et la complexité de l'intégration.

Sensibilité aux prix du gaz naturel et du carbone

L'analyse du seuil de rentabilité économique montre que l'intégration du gaz de combustion devient favorable lorsque les prix du gaz naturel dépassent environ 3,50 $ à 5,00 $ par MMBtu, selon les paramètres spécifiques du projet. Aux prix actuels du gaz aux États-Unis (souvent inférieurs à 3,00 $/MMBtu), l'économie demeure difficile pour de nombreux secteurs terrestres. Toutefois, dans les endroits où les prix du gaz sont plus élevés – comme les régions d'Europe ou d'Asie – ou où les taxes sur le carbone imposent un coût sur les émissions, l'analyse de rentabilité économique se renforce considérablement.

Avantages environnementaux et évaluation du cycle de vie

Dans la perspective du cycle de vie, l'utilisation de la chaleur résiduaire de gaz de combustion pour la production de vapeur évite à la fois les émissions de combustion associées à la production de vapeur conventionnelle et l'évacuation directe du gaz de combustion CO2. Les réductions nettes des émissions dépendent de la proportion d'énergie thermique récupérée et de l'efficacité de la centrale.

Perspectives et orientations de la recherche

Comme l'industrie pétrolière et gazière est confrontée à une pression croissante pour réduire les émissions opérationnelles, les technologies qui réutilisent les flux de chaleur des déchets seront prises en considération.

Matériaux avancés pour la gestion de la corrosion

Les chercheurs étudient les composites à matrice céramique, les revêtements de polymères à haute température et les alliages d'acier inoxydable de pointe avec une meilleure résistance à la corrosion.

Systèmes hybrides avec entrée solaire ou géothermique

La combinaison de la récupération de chaleur des gaz de combustion avec d'autres sources de chaleur à faible teneur en carbone, comme l'énergie solaire concentrée (PSC) ou l'énergie géothermique, pourrait créer des systèmes hybrides de production de vapeur fonctionnant toute l'année avec un apport minimal de combustibles fossiles.

Optimisation et contrôle numériques

Les progrès dans les capteurs, les systèmes de commande et l'apprentissage des machines permettent d'optimiser en temps réel la récupération de chaleur des gaz de combustion. En surveillant en permanence la température, la composition et le débit des gaz de combustion, le système d'échange de chaleur peut ajuster les conditions d'exploitation afin de maximiser l'efficacité tout en évitant les régimes de corrosion.

Les facteurs politiques et réglementaires

Dans les pays où les normes de carburant sont propres ou les normes de performance en matière d'émissions, l'intégration des gaz de combustion peut être admissible à des crédits ou à un traitement préférentiel. L'évolution de la tarification du carbone et de l'échange de droits d'émission sera un facteur déterminant pour déterminer si cette technologie passe des projets pilotes de niche à un déploiement généralisé.

Conclusion

L'utilisation de gaz de combustion provenant des centrales électriques comme source de chaleur pour la production de vapeur dans les centrales thermiques est techniquement réalisable et offre des avantages significatifs en termes de réduction des coûts des combustibles, d'efficacité énergétique et de réduction des émissions de carbone. Toutefois, l'approche est confrontée à des défis importants liés à la manipulation des polluants, à la gestion de la corrosion et au coût en capital.