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Watt else : produire de l’électricité avec du CO2 ?

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« Décarboner » l’énergie est l’objectif clef de la transition énergétique pour les prochaines années, et la production d’électricité est sur la sellette dans la mesure où 65 % de l’électricité mondiale sont produits dans des centrales thermiques fonctionnant avec des combustibles fossiles (principalement le charbon). Les émissions de CO2 par les centrales électriques (515 grammes de CO2 par kilowattheure [kWh]) et celles produisant de la chaleur (pour l’industrie) représentant 42 % des émissions de CO2 du secteur énergétique, on conçoit que l’élimination de cette source de gaz à effet de serre soit une priorité des politiques énergétiques de beaucoup de pays. L’une des techniques envisagées dans la plupart des scénarios énergétiques, notamment ceux de l’AIE (Agence internationale de l’énergie), consisterait à prélever le CO2 des effluents provenant de la combustion du charbon et du gaz naturel (le fioul est peu utilisé aujourd’hui) par un moyen chimique (on le dissout dans une amine) pour ensuite le stocker dans un réservoir souterrain (un aquifère ou un gisement de pétrole épuisé). Si ce processus est au point, il reste coûteux (environ 100 dollars US la tonne de CO2) et si une vingtaine d’installations prototypes de CCS (Carbon Capture and Storage) fonctionne, semble-t-il, actuellement dans le monde, la technique est loin de percer. Toute alternative serait donc la bienvenue et c’est le pari qu’ont fait des ingénieurs américains avec la start-up NET Power.

Leur idée consiste à remplacer la vapeur d’eau dans la turbine d’une centrale par le CO2 lui-même, autrement dit à recycler les gaz de combustion de la chaudière. Ils utilisent un cycle thermodynamique dit d’Allam (le nom de son inventeur anglais) dans le prototype de centrale (une puissance de 50 mégawatts) en cours de construction à La Porte, au Texas, près de Houston. Ce cycle met en œuvre du gaz carbonique supercritique dans une turbine au lieu de la vapeur d’eau. Le CO2 supercritique, bien connu des chimistes (Rodney Allam est ingénieur chimiste), est dans un état intermédiaire entre un gaz et un liquide lorsque sa température est supérieure à 31 °C et sa pression supérieure à 74 atmosphères ; il a une densité élevée et une viscosité faible. Les chimistes l’utilisent comme solvant de produits organiques. Ainsi, un fabricant de café décaféiné en capsules bien connu — une célèbre vedette de cinéma en assure la publicité — utilise-t-il le CO2 supercritique pour extraire la caféine de ses cafés en conservant leurs arômes.

La future centrale électrique fonctionne selon le principe suivant : le gaz naturel est introduit avec de l’oxygène pur dans une chambre de combustion (on réalise une « oxycombustion ») ; à la sortie, on récupère un gaz chaud qui est un mélange de CO2 (97 %) et de vapeur d’eau à une température de 1 150 °C qui est comprimé à 300 atmosphères, le gaz carbonique et l’eau sont alors dans un état supercritique ; ce mélange est introduit directement dans une turbine ; à la sortie, le gaz passe dans un échangeur, la vapeur d’eau est condensée à l’extérieur et le CO2 est comprimé (un fluide supercritique se comprime facilement) et renvoyé dans la chambre de combustion où il est recyclé dans le système.

Le système a trois avantages. 1) Il évite de dépenser de la chaleur pour vaporiser de l’eau dans une chaudière comme dans les turbines à vapeur classiques. 2) Il fonctionne avec un fluide supercritique à grande densité dans une turbine avec un rendement élevé mise au point par la firme japonaise Toshiba, dont les dimensions sont 10 fois plus petites que celles des turbines classiques à puissance égale. 3) Il « produit » de l’eau chaude qui peut être utilisée à l’extérieur (une cogénération en quelque sorte). Il a l’inconvénient de fonctionner avec de l’oxygène pur qu’il faut produire en amont dans une unité de distillation de l’air, ce qui diminue le rendement mais évite le dégagement d’oxyde d’azote, un gaz à effet de serre, dans les effluents.

Le rendement total pourrait atteindre 60 % et serait équivalent à celui des centrales à gaz à cycle combiné les plus performantes (utilisant deux cycles avec une turbine à gaz et une autre à vapeur en série), mais avec une infrastructure plus simple (une seule turbine) et sans utiliser d’eau. Il n’y a évidemment pas de miracle, il faut extraire le CO2 produit en cours de fonctionnement, mais les promoteurs du projet proposent de l’utiliser sur des gisements de pétrole dans des opérations de récupération assistée du pétrole (le gaz pousse le pétrole vers la surface) ce qui est évidement relativement facile au Texas.

NET Power espère pouvoir démarrer sa centrale prototype à la fin de l’année. Les travaux ont été retardés par l’ouragan Harvey qui a touché Houston — mais n’a pas causé de dégâts aux installations. La firme, créée par des anciens du MIT (Massachusetts Institute of Technology), a investi 140 millions de dollars US dans le projet et espère produire de l’électricité à un coût de 42 dollars US le mégawattheure (MWh), équivalent à celui des centrales à cycle combiné les plus performantes (en commercialisant le CO2 dans l’industrie pétrolière, elle estime que le coût du MWh pourrait tomber à 20 dollars US ; par comparaison, le coût moyen de production en France est de 55 euros le MWh). L’investissement de base pour cette centrale de 50 MW est relativement élevé puisqu’il se monte à 1 600 dollars US le kilowatt (au lieu de 1 000 dollars US le kilowatt pour les centrales à cycle combiné actuelles).

Ce nouveau type de centrale ne « décarbone » pas l’électricité puisque celle-ci ne produit pas que des kWh, mais elle améliore les rendements des centrales classiques fonctionnant avec le gaz naturel (sa turbine étant plus petite, les coûts d’investissement pourraient baisser). Utilisées dans des régions arides, à proximité de gisements de gaz, ces centrales auraient l’avantage de produire de l’eau, évitant ainsi la construction de coûteuses installations de dessalement de l’eau de mer. Il faudra attendre deux à trois années de fonctionnement de la centrale prototype pour savoir si cette innovation technique, un croisement de la thermodynamique et du génie chimique, change réellement la donne dans la production d’électricité ou si elle est, plus probablement, une étape dans la transition énergétique. La thermodynamique n’a pas dit son dernier mot…

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Sources :
Irwin Levi et Le Moullec Yann, « Turbines Can Use CO2 to Cut CO2 », Science, vol. 356, n° 6340, 26 mai 2017, p. 805-806. URL : http://science.sciencemag.org/content/356/6340/805 ; Service Robert F., « Fossil Power, Guilt Free », Science, vol. 356, n° 6340, 26 mai 2017, p. 796-799. URL : http://science.sciencemag.org/content/356/6340/796 ; Temple James, « Potential Carbon Capture Game Changer Nears Completion », MIT Technology Review, 30 août 2017. URL : https://www.technologyreview.com/s/608755/potential-carbon-capture-game-changer-nears-completion/. Consultés le 9 octobre 2017.

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