Le processus principal en quatre étapes pour la récupération du CO₂
Le principe fondamental de la récupération du CO₂ est de le séparer sélectivement d’un flux gazeux mixte. Ceci est réalisé grâce à un processus standardisé en quatre étapes :
1. Prétraitement : élimination des impuretés des gaz de combustion
Les gaz de combustion bruts doivent d'abord être nettoyés pour éviter la corrosion, les blocages et la dégradation des performances de l'équipement de captage en aval.
Dépoussiérage : des précipitateurs électrostatiques ou des filtres à manches sont utilisés pour éliminer les particules (poussières) qui peuvent obstruer les adsorbants ou les solvants et réduire l'efficacité de la séparation.
Désulfuration et dénitrification : la désulfuration humide des gaz de combustion (par exemple, méthode calcaire-gypse) et la réduction catalytique sélective (SCR) sont utilisées pour éliminer le dioxyde de soufre (SO₂) et les oxydes d'azote (NOₓ). Ces impuretés provoquent la corrosion des équipements, réagissent pour créer des sous-produits indésirables avec les solvants de capture et réduisent la pureté finale du CO₂.
Déshydratation : les refroidisseurs et les sécheurs par adsorption éliminent la vapeur d'eau pour empêcher la formation de glace et le blocage des pipelines pendant les processus de capture à basse température et pour éviter la formation d'acide carbonique corrosif.
2. Capture et séparation : isolation sélective du CO₂
Il s’agit du cœur du processus de valorisation et de l’étape la plus technologiquement intensive et la plus coûteuse, représentant 60 à 70 % de l’investissement total. Le gaz prétraité entre dans une unité de captage où le CO₂ est séparé sélectivement du N₂ et de l'O₂ à l'aide de méthodes physiques ou chimiques.
3. Purification et raffinage : augmentation de la pureté du CO₂
Le CO₂ « brut » capturé (généralement pur à 85-95 %) nécessite souvent une purification supplémentaire pour éliminer les impuretés résiduelles telles que N₂, O₂ et H₂S. Le niveau de pureté requis dicte la technologie utilisée.
Qualité alimentaire (pureté ≥99,9 %) : pour des applications telles que la carbonatation des boissons ou comme additif alimentaire, une combinaison de tours d'adsorption (utilisant des tamis moléculaires pour éliminer le N₂/O₂) et de colonnes de distillation (pour séparer les impuretés des composants légers) est requise.
Qualité industrielle (pureté de 95 à 98 %) : pour des utilisations telles que la récupération assistée du pétrole (EOR) ou la synthèse chimique, les exigences de pureté sont moins strictes, permettant un processus de purification simplifié et plus rentable.
4. Compression et stockage : conversion à l'état liquide ou supercritique
Le gaz CO₂ purifié est pressurisé et refroidi pour un stockage et un transport efficaces.
Le gaz est introduit dans des compresseurs et pressurisé (généralement entre 2,0 et 7,38 MPa) tout en étant refroidi entre -20°C et -30°C.
Ce processus convertit le CO₂ en un état liquide ou supercritique (point critique du CO₂ : 7,38 MPa et 31,1°C), qui est ensuite stocké dans des réservoirs spécialisés et isolés en attente d'utilisation ou de séquestration.
Comparaison des principales technologies de capture
Le choix de la technologie de captage dépend fortement des caractéristiques des gaz de combustion, des considérations de coût et des exigences opérationnelles.
| Voie technologique |
Principe de base |
Avantages |
Inconvénients |
Applications idéales |
| Absorption chimique |
Utilise un solvant alcalin (par exemple, MEA, DEA) qui réagit chimiquement avec le CO₂ pour former un carbamate stable. Le solvant est ensuite chauffé (120-150°C) pour rompre la liaison, libérant le CO₂ et régénérant le solvant. |
1. Haute sélectivité : Excellente efficacité de capture (≥90 %) même à de faibles concentrations de CO₂.
2. Technologie mature : Largement éprouvée avec de nombreuses applications industrielles. |
1. Énergie de régénération élevée : le chauffage par solvant représente plus de 70 % de la consommation totale d'énergie, ce qui entraîne des coûts d'exploitation élevés.
2. Dégradation des solvants : Les solvants se dégradent et se volatilisent, nécessitant un réapprovisionnement et pouvant provoquer une pollution secondaire.
3. Corrosif : Nécessite des matériaux coûteux et résistants à la corrosion pour l'équipement. |
Scénarios à faible concentration de CO₂ (10-15 %) et flux de gaz stable, tels que les centrales électriques au charbon et les incinérateurs de déchets valorisés en énergie. |
| Adsorption physique |
Utilise des adsorbants solides (par exemple, tamis moléculaires, charbon actif, MOF) qui captent le CO₂ à leur surface à basses températures/hautes pressions. Le CO₂ est libéré (désorbé) en augmentant la température ou en diminuant la pression (TSA/PSA). |
1. Faible énergie de régénération : la consommation d’énergie est 30 à 50 % inférieure à l’absorption chimique.
2. Non corrosif : les adsorbants sont inertes, ce qui prolonge la durée de vie de l'équipement.
3. Respectueux de l'environnement : Aucune perte de solvant ni pollution associée. |
1. Efficacité inférieure à faibles concentrations : Idéal pour les gaz de combustion avec des concentrations de CO₂ ≥15 %.
2. Capacité limitée : Les adsorbants ont une capacité limitée, nécessitant des cycles de régénération fréquents et des volumes d'équipement plus importants.
3. Sensible aux impuretés : La vapeur d’eau et d’autres impuretés peuvent désactiver le matériau adsorbant. |
Scénarios avec une concentration de CO₂ plus élevée (15-25 %) et de faibles niveaux d'impuretés, tels que les fours à ciment et le gaz de cokerie des aciéries. |
| Séparation membranaire |
Utilise des membranes polymères (par exemple, polyimide) qui sont sélectivement perméables au CO₂. Les molécules de CO₂ traversent la membrane 5 à 10 fois plus rapidement que le N₂, créant un flux riche en CO₂ d'un côté et un flux appauvri en CO₂ de l'autre. |
1. Encombrement compact : aucune grande tour ou navire n'est requis.
2. Faible entretien : Aucune pièce mobile, ce qui permet une opération simple.
3. Flexible et évolutif : la conception modulaire permet un ajustement facile aux différents débits de gaz en ajoutant ou en supprimant des unités à membrane. |
1. Faible efficacité de séparation : la séparation en une seule étape ne donne qu'une pureté de 80 à 85 %, nécessitant souvent plusieurs étapes en série, ce qui augmente les coûts.
2. Sensible aux conditions : les membranes sont susceptibles d'être endommagées par des températures élevées et des impuretés, nécessitant un prétraitement strict et une durée de vie typique de la membrane de 3 à 5 ans.
3. Consommation d'énergie élevée pour de faibles concentrations : La consommation d'énergie augmente considérablement pour les flux de gaz dilués. |
Installations de petite à moyenne taille avec des flux de gaz fluctuants (par exemple, petites usines chimiques, centrales électriques décentralisées) ou comme étape de préconcentration dans un processus hybride. |
