L'impact environnemental des technologies d'atténuation des émissions de turbines à gaz

Les turbines à gaz sont l'épine dorsale de la production d'électricité mondiale, de l'aviation civile et de nombreux processus industriels, qui sont appréciés pour leur densité de puissance élevée, leur capacité de démarrage rapide et leur efficacité thermique. Cependant, leur dépendance à l'égard de la combustion de combustibles fossiles libère un cocktail d'émissions qui affecte profondément la qualité de l'air, la santé humaine et le climat.

Polluants primaires de la combustion de turbine à gaz

Les trois polluants les plus importants sont le dioxyde de carbone (CO2), les oxydes d'azote (NOx) et les particules (PM). Les émissions les plus faibles mais toujours importantes sont les oxydes de soufre (SOx), les hydrocarbures non brûlés (UHC) et le monoxyde de carbone (CO). La composition exacte dépend du type de combustible (gaz naturel, diesel, kérosène, biogaz), des conditions de combustion et de la conception de turbines.

Dioxyde de carbone (CO2) et forçage climatique

Bien que la combustion du gaz naturel produise environ la moitié du CO2 par unité d'énergie par rapport au charbon, le volume de capacité de la turbine à gaz dans le monde (plus de 1 800 GW installés) en fait un facteur important des émissions mondiales de CO2. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les centrales à gaz représentaient environ 22 % de la production mondiale d'électricité en 2023, et leurs émissions de CO2 s'élevaient à près de 7,5 gigatonnes par an. Perspectives de la technologie énergétique de l'AIE 2024] souligne que sans une décarbonisation agressive, les émissions de turbines à gaz pourraient compromettre les objectifs climatiques mondiaux.

Oxydes d'azote (NOx) – Smog et acidification

Les NOx (principalement le NO et le NO2) se forment lorsque l'azote dans l'air de combustion réagit avec l'oxygène à des températures élevées de flamme (les NOx thermiques) ou par l'intermédiaire de l'azote lié au carburant. Les turbines à gaz fonctionnent à des températures élevées pour obtenir un rendement thermique, ce qui favorise intrinsèquement la formation de NOx.Une fois émis, les NOx contribuent à l'ozone troposphérique (un élément clé du smog), à l'irritation respiratoire et à l'acidification des écosystèmes par le dépôt d'acide nitrique.

Matières particulaires (PM) – Santé et visibilité

Les turbines à gaz émettent des particules fines composées d'hydrocarbures de suie (carbone noir), de cendres et de condensation.Ces particules, en particulier celles de moins de 2,5 microns (PM2,5), peuvent pénétrer profondément dans les poumons et pénétrer dans le sang, causant des maladies cardiovasculaires et respiratoires.L'Organisation mondiale de la santé classe les PM2,5 comme cancérogènes du groupe 1.Dans l'aviation, les moteurs à réaction émettent de la suie à l'altitude de croisière, contribuant à la formation de contrail et à l'amélioration du nuage de cirrus, qui ont un effet de réchauffement net sur le climat. IPCC AR6 WG1 Report quantifie le forçage radiatif incertain mais significatif des aérosols et des contrails d'aviation.

Autres émissions : SOx, CO et hydrocarbures non brûlés

Les oxydes de soufre proviennent du soufre dans le combustible; le gaz naturel est généralement exempt de soufre, mais les combustibles liquides comme le diesel ou le kérosène peuvent contenir du soufre, ce qui entraîne des émissions de SO2 et des pluies acides. Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés résultent d'une combustion incomplète, surtout dans des conditions de faible puissance ou pendant les opérations transitoires.

Conséquences environnementales détaillées

changements climatiques et potentiel de réchauffement mondial

Le sixième rapport d'évaluation du GIEC indique que le réchauffement provoqué par l'homme a atteint environ 1,1 °C au-dessus des niveaux préindustriels dans les années 2010, la combustion de combustibles fossiles étant le principal moteur. Les turbines à gaz émettent également des fuites de méthane en amont (à partir de l'extraction et du transport de gaz naturel), qui ont un potentiel de réchauffement planétaire (PRG) 28 fois plus élevé que celui du CO2 sur 100 ans.

Détérioration de la qualité de l'air et santé humaine

Les études de l'Institut des effets sur la santé montrent que l'exposition aux polluants provenant de la combustion est liée à des millions de décès prématurés par année. Les centrales électriques et les moteurs d'aéronefs qui opèrent près de zones densément peuplées exacerbent les points chauds de la pollution locale. Par exemple, les collectivités situées près de centrales à gaz et qui ne disposent pas de suffisamment de réduction des émissions de NOx peuvent connaître des taux élevés d'asthme chez les enfants et de visites dans les salles d'urgence.

Pluie acide et dommages à l'écosystème

Les NOx se convertissent en acide nitrique dans l'atmosphère, se déposent sur le sol et les plans d'eau, causant l'acidification, ce qui nuit aux forêts, nuit à la vie aquatique et nuit aux nutriments essentiels des sols.

La réglementation du paysage entraîne des réductions d'émissions

La directive de l'Union européenne sur les émissions industrielles (DEI) exige la conformité aux meilleures techniques disponibles (BAT). L'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) a adopté le système de compensation et de réduction du carbone pour l'aviation internationale (CORSIA) et une norme sur les émissions de CO2 des avions de l'Union européenne. Plus important encore, de nombreuses juridictions ont fixé des objectifs nets nuls (par exemple, UE 2050, États-Unis 2050), qui finiront par prescrire le captage à grande échelle du carbone ou le remplacement du combustible pour les turbines à gaz.

Technologies d'atténuation : solutions actuelles et émergentes

Les technologies d'atténuation couvrent les modifications de combustion, les systèmes de traitement aval, l'amélioration des carburants et le captage du carbone.

Recirculation des gaz d ' échappement (EGR)

L'EGR réoriente une partie des gaz d'échappement vers le combustible, diluant la concentration d'oxygène et abaissant la température maximale de la flamme, ce qui réduit la formation de NOx thermiques de 40 à 60 % dans certaines conceptions, notamment les impacts potentiels sur la stabilité de la combustion, la vitesse de la flamme et les émissions de CO.

Réduction catalytique sélective (RCS)

Les systèmes de réduction des émissions de NOx peuvent atteindre des rendements de réduction de 80 à 95 % dans une fenêtre à grande température (habituellement 300 à 450 °C). Ils sont largement déployés dans les grandes centrales à turbine à gaz et dans les applications industrielles. Les principaux inconvénients sont le besoin de stockage de l'ammoniac (questions de sécurité), le glissement d'ammoniac potentiel (délivré sans réaction de NH3) et l'empoisonnement par le soufre par catalyseur.

Combustion prémélangée et brûleurs à faible NOx (DLN) secs

Les turbines à gaz modernes utilisent une combustion prémélangée maigre où le combustible et l'air sont complètement mélangés avant l'inflammation, ce qui se traduit par un mélange plus fin et une température de flamme plus basse.Les brûleurs à faible teneur en NOx utilisent une combustion par étapes pour contrôler la distribution de la température.Ces technologies peuvent atteindre des niveaux de NOx inférieurs à 9 ppm (à 15 % O2) sans injection d'eau ou de vapeur.

Amélioration de la qualité des carburants et changement de combustible

Outre le gaz naturel, les gaz renouvelables comme le biométhane (biogaz purifié) peuvent être utilisés avec des modifications minimales aux turbines existantes, ce qui permet de réduire la quantité nette de CO2. L'hydrogène est le combustible zéro carbone le plus prometteur, mais sa combustion nécessite une gestion soigneuse de la vitesse de la flamme et de la formation de NOx. Le mélange de l'hydrogène avec le gaz naturel (jusqu'à 10-20 % en volume) est possible dans de nombreuses turbines actuelles; les mélanges plus élevés exigent une refonte du combustible. L'étude de la turbine à gaz hydrogène NREL explore les voies menant à 100 % d'hydrogène.

Capture, utilisation et stockage du carbone (CCUS)

Le captage après combustion à l'aide de solvants chimiques (amines) peut séparer le CO2 des gaz de combustion pour la compression et le transport par pipeline vers les sites de stockage ou d'utilisation. La pénalité énergétique (charge parasitaire) pour le CCUS est importante, généralement une perte d'efficacité de 8 à 12 %, mais les progrès de la chimie des solvants et de l'intégration des procédés réduisent les coûts. Plusieurs projets commerciaux, comme l'installation de Petra Nova (bien que alimentée au charbon) et l'usine de CSC Quest, démontrent la viabilité.

Injection d'eau et injection de vapeur

L'injection d'eau ou de vapeur dans la zone de combustion réduit la température de la flamme et la formation de NOx. Cette méthode peut réduire les NOx de 50 à 80 %. Cependant, elle augmente la consommation de carburant (diminution de l'efficacité thermique) et peut causer de la corrosion, des problèmes de consommation d'eau et des émissions de CO plus élevées.

Considérations économiques et opérationnelles

La mise en œuvre des technologies d'atténuation implique des dépenses en capital (CapEx) et des coûts d'exploitation (OpEx). La SCR, par exemple, exige un remplacement de catalyseur tous les 2 ou 3 ans. Les brûleurs à faible teneur en NOx ne sont pas consommables mais peuvent nécessiter un entretien plus fréquent. La capture de carbone ajoute 60 à 100 % au coût de l'électricité normalisée (LCOE) pour une centrale du CNGC, bien que les coûts soient en baisse.

Études de cas sur la réduction des émissions

La flotte japonaise de turbines à gaz à NOx ultra-faible

Le Japon, qui a des normes rigoureuses en matière de qualité de l'air, a déployé des combustibles DLN et des SCR avancés dans son parc de turbines à gaz. Les grands services publics comme la Tokyo Electric Power Company (TEPCO) déclarent des émissions de NOx toujours inférieures à 5 ppm dans les nouvelles usines à cycle combiné.

Projet de CCS pour les feux du Nord d'Equinor

Le projet Northern Lights d'Equinor en Norvège est la première infrastructure de transport et de stockage de CO2 à source ouverte au monde, qui accepte les émissions provenant de plusieurs sources industrielles, y compris les centrales électriques alimentées au gaz. Le projet, qui fait partie de l'initiative norvégienne de CSC à chaîne complète, montre comment les exploitants de turbines à gaz peuvent accéder à une capacité de stockage partagée de CO2, réduisant ainsi sensiblement le coût de l'utilisation des CCUS.

Pilote de carburant aérien durable (FSA) de Delta Air Lines

Delta s'associe avec les fabricants pour tester des mélanges de kérosène synthétique provenant de sources renouvelables (SAF). Bien que SAF ne réduise pas le CO2 pendant la combustion (le carbone est biogénique), l'analyse du cycle de vie montre une réduction de 80 % par rapport au combustible à réaction fossile, ce qui souligne l'importance de l'origine du combustible dans l'équation des émissions.

Orientations futures : Hydrogène, électrification et optimisation numérique

La trajectoire à long terme des turbines à gaz indique que l'hydrogène est un combustible primaire. Les principaux fabricants (GE, Siemens Energy, Mitsubishi Power) développent des combustibles 100% hydrogénés, avec des essais en cours. La production d'hydrogène à partir de l'électrolyse (hydrogène vert) ou de gaz fossile à l'aide du CSC (hydrogène bleu) fournira la matière première.

L'électrification de certains procédés qui utilisent actuellement des turbines à gaz (p. ex., entraînement mécanique pour compresseurs) ralentit la croissance de la demande de turbines. Toutefois, les turbines à gaz demeurent essentielles à la stabilité du réseau en raison de leurs capacités de rampement rapide, en complément des énergies renouvelables variables.

Les jumelles numériques, l'apprentissage des machines et la surveillance des émissions en temps réel permettent d'optimiser dynamiquement les paramètres de combustion pour minimiser simultanément les NOx et le CO sur les plages de charge.

Conclusion : Une voie pragmatique vers l'avenir

Les émissions de turbines à gaz représentent un défi environnemental important mais gérable. Les polluants primaires – CO2, NOx, particules – ont chacun des effets nocifs sur le climat, la santé et les écosystèmes. Heureusement, il existe une solide trousse d'outils de technologies d'atténuation : des modifications de combustion et de traitement aval au remplacement des combustibles et au captage du carbone. Aucune technologie unique ne fournit une solution complète; la combinaison optimale dépend de la disponibilité des combustibles, de la pression réglementaire, de l'économie et des contraintes propres au site.