Depuis longtemps, les centrales nucléaires sont reconnues comme une source fiable d'électricité à faible intensité de carbone, produisant de grandes quantités d'énergie sans émettre de dioxyde de carbone pendant leur fonctionnement.Ces dernières années, leur rôle potentiel s'est étendu au-delà de la production d'électricité pour soutenir les initiatives de captage et de stockage du carbone (CSC).Ces technologies visent à réduire les émissions de gaz à effet de serre résultant des procédés industriels et de la production d'électricité, aidant les pays à atteindre leurs objectifs climatiques dans le cadre de l'Accord de Paris.

Comprendre la capture et le stockage du carbone (CCS)

Le captage et le stockage du carbone sont une série de technologies conçues pour empêcher l'entrée dans l'atmosphère des émissions de CO2. Le processus comporte généralement trois étapes : la capture du CO2 à partir de grandes sources ponctuelles (comme les centrales électriques ou les installations industrielles), le transport par pipelines ou par navires et son stockage permanent dans des formations géologiques souterraines telles que les réservoirs de pétrole et de gaz appauvris ou les aquifères salins.

Méthodes de capture

Trois approches principales de capture sont possibles :

  • Capture après combustion:[ Le CO2 est séparé des gaz de combustion après avoir brûlé un combustible. Cette méthode peut être réaménagée dans des installations existantes et est la plus mature.
  • Capture de précombustion:[ Le combustible est converti en gaz de synthèse (hydrogène et CO), puis le CO est déplacé vers le CO2 et l'hydrogène. Le CO2 est capturé avant combustion, laissant l'hydrogène brûler.
  • Combustion d'oxydes d'azote:[ Le combustible est brûlé dans de l'oxygène pur au lieu de l'air, produisant un gaz de combustion qui est principalement du CO2 et de la vapeur d'eau, qui peut être facilement séparé.

Chaque méthode nécessite une entrée d'énergie importante pour la compression, la régénération des solvants ou la séparation de l'air. Cette pénalité énergétique, qui représente en général 20 à 30% de la production de l'usine, pose un défi pour le déploiement du CSC.

Le rôle des réacteurs nucléaires dans l'appui au CSC

Les réacteurs nucléaires peuvent supporter le CSC de plusieurs façons, en tirant parti de leurs caractéristiques uniques : une production constante, une capacité thermique à haute température et de faibles émissions de fonctionnement.

Fournir une puissance fiable à faible teneur en carbone pour les opérations de CCS

Par exemple, un système de captage après combustion typique d'une centrale au charbon consomme entre 200 et 300 kWh par tonne de CO2 capturée. Si l'électricité utilisée provient de combustibles fossiles, elle compromet la réduction nette des émissions. L'énergie nucléaire offre une alimentation [de base sans carbone, garantissant que la pénalité énergétique ne provoque pas d'émissions supplémentaires. Contrairement au vent ou au solaire, les centrales nucléaires peuvent fonctionner à une capacité élevée (plus de 90 %) indépendamment des conditions météorologiques, fournissant l'énergie constante nécessaire pour les opérations de CCS 24/7. Cette stabilité est essentielle pour les installations industrielles qui ne peuvent tolérer l'alimentation intermittente.

Production d'hydrogène par l'énergie nucléaire

Les réacteurs nucléaires peuvent également produire de l'hydrogène, qui joue un double rôle dans le CSC. Premièrement, l'hydrogène peut être utilisé comme combustible propre, remplaçant les combustibles fossiles dans les secteurs difficiles à éliminer. Deuxièmement, l'hydrogène est un élément clé de certains procédés du CSC. Par exemple, la production d'ammoniac (utilisée comme transporteur d'hydrogène ou engrais) peut générer un flux de CO2 pur qui est facile à capturer.

La voie la plus prometteuse est l'électrolyse à haute température de vapeur (HTSE)[, qui utilise la chaleur et l'électricité des réacteurs nucléaires pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène. Puisque les réacteurs nucléaires peuvent fournir de la chaleur à des températures de 700 à 950 °C (selon le type de réacteur), l'efficacité de l'électrolyse peut dépasser 80 %, contre environ 60 % pour l'électrolyse à basse température.

Alimentation en chaleur de procédé pour le CSC industriel

De nombreuses voies de CSC industrielles nécessitent une chaleur à haute température pour les réactions chimiques.

  • Calcium bouclement:[ Ce procédé de captage utilise l'oxyde de calcium pour absorber le CO2, puis régénère le sorbant en le réchauffant à plus de 900°C. Les réacteurs nucléaires peuvent alimenter cette chaleur sans produire de CO2.
  • Capture directe d'air (DAC):[ Certaines technologies DAC nécessitent des températures de 800 à 900°C pour libérer du CO2 capturé par des sorbants solides.
  • Production de ciment: La production de ciment clinker est intrinsèquement à forte intensité de carbone parce que la matière première (calcaire) libère du CO2 lorsqu'elle est chauffée.

En co-localisant les réacteurs nucléaires avec les installations industrielles, la chaleur à haute température peut être livrée directement, évitant la nécessité de combustion séparée des combustibles fossiles.Cette intégration crée une synergie qui peut décarboner des secteurs qui sont actuellement responsables d'une grande part des émissions mondiales de CO2.

Co-implantation et concepts de carrefour énergétique

Par exemple, un seul grand réacteur pourrait alimenter une centrale à charbon ou à gaz équipée de CSC, produire de l'hydrogène pour les aciéries voisines et fournir du chauffage urbain à une ville. De tels centres énergétiques [ maximisent l'utilisation de l'actif nucléaire et répartissent les coûts en capital entre plusieurs sources de revenus. Cette approche est en cours d'étude dans des pays comme le Canada, la Chine et le Royaume-Uni, où des parcs énergétiques intégrés sont conçus autour de petits réacteurs modulaires (RSM).

Avantages de l'intégration nucléaire-CCS

La combinaison de l'énergie nucléaire et du CSC offre plusieurs avantages convaincants qui vont au-delà de ce que l'une ou l'autre technologie peut réaliser seule.

Décarbonisation profonde des secteurs dures à absorbants

Même avec le déploiement agressif des énergies renouvelables, certains procédés industriels nécessiteront encore une chaleur à haute température ou des matières premières chimiques qui ne peuvent pas être entièrement électrifiées. L'intégration nucléaire-CCS peut traiter ces émissions résiduelles. Par exemple, la production d'ammoniac, de méthanol et d'acier peut être rendue presque neutre au carbone à l'aide de l'hydrogène nucléaire et de la chaleur de procédé.

Sécurité énergétique et stabilité du réseau

Les centrales nucléaires fournissent une énergie stable et expéditable qui peut compenser la variabilité du vent et du solaire. Combiné au CSC, le système global devient plus résistant parce que la centrale nucléaire peut continuer à fournir de l'énergie même pendant les périodes de faible production renouvelable, tandis que le système CSC assure que les émissions restantes de sources industrielles sont capturées.

Avantages économiques et création d'emplois

L'intégration du nucléaire au CSC peut créer de nouvelles industries et des emplois. La construction de réacteurs avancés, le développement d'infrastructures hydrogène et la modernisation des installations industrielles au CSC nécessiteront une main-d'oeuvre qualifiée et une expertise en génie.

Défis et obstacles

Malgré sa promesse, plusieurs obstacles doivent être surmontés avant que l ' intégration nucléaire et le système de contrôle de la sécurité nucléaire ne se généralisent.

Coûts élevés et intensité de capital

Actuellement, le coût du CSC varie de 50 $ à 150 $ la tonne de CO2 capturée, selon la source et la méthode de captage. Lorsqu'il est combiné au coût de l'énergie nucléaire (habituellement de 60 $ à 100 $ par MWh), le système global peut être plus coûteux que d'autres solutions comme les énergies renouvelables avec stockage de batteries.

Les obstacles à la réglementation et à la délivrance de licences

L'intégration du nucléaire dans le CSC implique de nouveaux cadres réglementaires.Les régulateurs nucléaires doivent approuver la co-implantation de réacteurs avec des installations industrielles, tandis que les régulateurs du CSC doivent assurer un stockage géologique sûr.Les autorités de contrôle peuvent retarder les projets.

Acceptation et siège du public

L'énergie nucléaire et le CSC sont chacun confrontés au scepticisme du public. Les préoccupations concernant les accidents nucléaires, l'élimination des déchets radioactifs et la sûreté à long terme du stockage du CO2 doivent être traitées par des communications transparentes et des démonstrations de sûreté robustes.

Utilisation de l'eau et empreinte environnementale

Les réacteurs nucléaires, en particulier ceux qui utilisent un refroidissement par voie unique, consomment des quantités importantes d'eau. Les procédés de CSC nécessitent également de l'eau pour le lavage et le refroidissement au solvant.

Projets en cours et études de cas

Bien que l'intégration nucléaire à grande échelle du SCC ne soit pas encore commerciale, plusieurs initiatives explorent ce concept.

Étude sur l'intégration de l'île des Prairies (USA)

La centrale nucléaire de Prairie Island au Minnesota a fait l'objet d'une étude de faisabilité pour utiliser sa chaleur résiduelle pour la capture directe d'air. La centrale de 1 100 MW de capacité pourrait fournir la chaleur et l'électricité nécessaires pour exploiter une installation de DAC qui capte environ 1 million de tonnes de CO2 par année.

Les plans HALEU et CSC industriels du Royaume-Uni

Le Royaume-Uni poursuit des essais de combustibles à faible teneur en uranium (HALEU) pour les réacteurs avancés, et le gouvernement a désigné plusieurs groupes de CSC (par exemple HyNet et Net Zero Teesside), qui prévoient d'utiliser le CSC alimenté au gaz pour la production d'hydrogène, mais des études sont en cours pour intégrer la cogénération nucléaire.

Chine HTR-10 et cogénération hydrogène

Chine Le HTR-10, réacteur d'essai à haute température refroidi au gaz de 10 MW, a démontré la cogénération de l'électricité et de la chaleur de procédé. Il a été utilisé pour produire de l'hydrogène via le HTSE, et les chercheurs étudient son application dans les usines charbon-chimie avec le CCS.

Recherche et collaboration internationales

L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) a publié des rapports sur le rôle de l'énergie nucléaire dans le soutien au CSC, mettant en évidence les possibilités de cogénération et de production d'hydrogène.

Perspectives et orientations de la recherche

L'avenir de l'intégration nucléaire-SCC dépend du développement technologique, de l'appui politique et des conditions du marché.

Réacteurs avancés et réduction des coûts

Les réacteurs modulaires de petite taille (RMR) et les microréacteurs pourraient réduire les coûts d'investissement et permettre un déploiement progressif. Ces réacteurs peuvent être construits en usine et transportés sur les sites, ce qui facilite leur colocalisation avec des installations industrielles.Les réacteurs de la génération IV, comme le réacteur à sel fondu et le réacteur à très haute température (VHTR), fonctionnent à des températures encore plus élevées (jusqu'à 950 °C), permettant une production d'hydrogène plus efficace et un approvisionnement direct en chaleur pour le CSC.

Politique et tarification du carbone

Des mesures incitatives comme le crédit d'impôt américain de 45Q pour le CCS (actuellement 85$/tonne pour le stockage) peuvent aider. De plus, les gouvernements peuvent soutenir des projets de démonstration qui prouvent la viabilité technique et économique de l'intégration du CSC nucléaire.

Intégration avec la capture directe d'air

Les technologies de captage direct de l'air, qui éliminent directement le CO2 de l'air ambiant, nécessitent une énergie importante. L'énergie nucléaire pourrait fournir la chaleur et l'électricité nécessaires, tout en fournissant l'infrastructure nécessaire pour stocker le CO capté2. Plusieurs études ont montré que le DAC nucléaire pourrait atteindre des émissions négatives à l'échelle, ce qui est essentiel pour atteindre les objectifs nets zéro.

Conclusion

Les réacteurs nucléaires ont un rôle important à jouer dans le soutien aux initiatives de captage et de stockage du carbone, en élargissant leur valeur au-delà de la production d'électricité à faible intensité de carbone. En fournissant une énergie fiable, une chaleur à haute température et des capacités de production d'hydrogène, le nucléaire peut aider à surmonter la pénalité énergétique du CSC et permettre une décarbonisation profonde des secteurs industriels.