Cycle combiné à gazéification intégrée
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2008-07-21T09:47:41Z
Sherbrooke
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Une centrale à '''cycle combiné à gazéification intégrée''' (CCGI) est un type de centrale électrique utilisant des carburants solides tels que le charbon. Ces centrales se caractérisent par une opération de gazéification, qui converti la matière première en un gaz combustible ([[gaz de synthèse]]) qui alimente une centrale électrique à [[cycle combiné]].
== Principe de fonctionnement ==
Le combustible est d’abord réduit en grains, puis injecté dans un gazéificateur, en présence d’[[oxygène]] et de vapeur d’eau. L’oxygène n’est pas assez abondant pour permettre une combustion complète. Plusieurs réactions ont lieu : combustion partielle (qui notamment donne du [[monoxyde de carbone]]), [[pyrolyse]] qui décompose les molécules du combustible, et réaction avec la vapeur d’eau qui produit du monoxyde de carbone et du dihydrogène.
L’oxygène est produite par une unité cryogénique de séparation de l’air.
En sortie du gazéificateur, on obtient donc un gaz de synthèse composé notamment de CO, CO{{sub|2}}, H{{sub|2}}, H{{2}}S. Ce gaz est refroidi puis traité, en particulier les poussières sont filtrées, et le souffre retiré par absorption chimique. Les cendres issues du gazéificateur sont elles aussi traité, ce qui permet notamment de récupérer les métaux lourds.
Ensuite le gaz de synthèse traité est utilisé comme carburant de la centrale à cycle combinés elle même : une ou plusieurs [[turbine à gaz|turbines à gaz]] dont les gaz d’échappement alimentent une chaudière connectée à une [[turbine]] à vapeur, laquelle récupère aussi de la chaleur issue du refroidissement du gazéificateur.
=== Bilan énergétique ===
Voici un exemple de bilan énergétique, celui de la centrale espagnol PIEMSA <ref name="PIEMSA">[http://www.fwc.com/publications/tech_papers/powgen/pdfs/PIEMSA.pdf Bilan énergétique, celui de la centrale espagnol PIEMSA]</ref>, tous les chiffres étant ramené à 100 pour l’énergie du combustible en entrée. Les chiffres exacts changent d’une centrale à l’autre. Cette centrale produit de l’hydrogène en plus de l’électricité, ce qui complique légèrement le bilan. Elle utilise comme combustible un résidu du raffinage du [[pétrole]].
* Pouvoir calorifique du combustible en entrée : 100 ([[pouvoir calorifique inférieur]]).
* Pouvoir calorifique du gaz de synthèse brut : 83.7
* Pouvoir calorifique du syngaz traité envoyé dans les turbines à gaz : 74.4 en alimentation principale, 1 en post-combustion
* Pouvoir calorifique de l’hydrogène produit : 3.2
* Pouvoir calorifique des gaz résiduels du réacteur de production d’hydrogène (envoyés également aux turbines à gaz) : 1.5
* Production d’électricité des deux turbines à gaz : 29.2
* Production d’électricité de la turbine à vapeur : 17.2
* Rendement électrique ''brut'' : 46.4 %
Il faut cependant en déduire la consommation propre de la centrale.
* Consommation de l’unité de production d’oxygène : -5.7
* Divers : -1.7.
Ainsi, pour 100 [[joule]]s de combustible, la centrale a une production nette de 39 joules d’électricité, et de 3 joules d’hydrogène, soit un rendement global de 42%.
=== Variantes et améliorations ===
Il existe au Japon une centrale de démonstration de 250 MW, à Iwaki, qui utilise une gasification à air et non à oxygène. Ce choix permet d’éliminer l’unité de production d’oyxgène, en contrepartie la présence d’[[azote]] augmente la taille du gazéificateur et dilue le gaz de synthèse, qui a donc un pouvoir calorifique bien moindre.
Selon la conception de la centrale, l’unité de séparation d’oxygène peut être indépendance ou connectée à la turbine à gaz (recevoir d’elle de l’air comprimé et lui restituer l’azote).
Plusieurs améliorations sont prévues sur les centrales futures, l’objectif du ''Departement of energy'' américain étant d’arriver à terme à un rendement net de 50% <ref> [http://www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/turbines/refshelf/summaries/41889_GE_IGCC%20System%20Study_Factsheet_Rev01_07-20-04.pdf System Study For Improved Gas Turbine Performance For Coal IGCC Application].</ref>.
Une première amélioration est l’utilisation d’une séparation d’oxygène basée sur des membranes de séparation des gaz et non sur la [[distillation]] cryogénique. Cette solution consomme moins d’énergie et pourrait selon le DoE améliorer le rendement de 2 points. Le nettoyage du gaz de synthèse chaud permettrait de conserver la chaleur du syngaz jusqu’au turbines et pourrait aussi légèrement améliorer le rendement.
Par ailleurs, toute amélioration portée aux centrales à cycle combiné (sur les turbines à gaz, les chaudières de récupération et les turbines à vapeur) peut également bénéficier à une centrale à gazéification intégrée.
S’agissant de la dépollution, la capture du [[mercure (chimie)|mercure]], seul polluant non encore traité, a été installée sur l’une des dernières centrales CCGI construite, à Kingsport (Tennessee). Les émissions de mercure sont réduite de 95 % <ref name="Kingsport">[http://www.epa.gov/air/caaac/coaltech/2007_03a_jenkins.pdf EPA<!--lien mort ?-->].</ref>.
=== Séquestration du CO2 ===
À terme, le principe de la centrale CCGI peut être adapté pour y intégrer la [[Séquestration géologique du dioxyde de carbone|séquestration du CO{{sub|2}}]]<ref>[http://www.gasification.org/Docs/2003_Papers/31HOLT_paper.pdf gasification.org]</ref>. Il s’agit d’ajouter avant la turbine à gaz un réacteur chimique convertissant le monoxyde de carbone en dihydrogène et dioxyde de carbone (réaction du [[gaz à l'eau]]) et un dispositif séparant le CO{{sub|2}} (qui est expédié vers le site de séquestration) et le dihydrogène qui alimente la centrale à cycle combiné. Le rendement serait diminué de plusieurs points.
== Avantages ==
=== Environnement ===
Contrairement à une centrale au charbon classique, où les polluants comme le soufre sont capturés dans les gaz d’échappement de la chaudière, ici ils sont retirés en amont de la turbine à gaz. Cette dépollution ''pre-combustion'' est très efficace. De plus une turbine à gaz produit moins d’oxydes d’azotes qu’une chaudière. Ainsi, une centrale à gazéification intégrée a des niveaux d’émission de polluants locaux, tels que les SO{{sub|2}}, NO{{sub|x}}, ozone, mercure, microparticules et composés organiques peut être réduit à des niveaux plus bas que les meilleures centrales à chaudière <ref name="Kingsport"/>, approchant le niveau d’une centrale au gaz naturel. En revanche, en l’absence de séquestration, les émissions de CO{{sub|2}} restent identiques à celle de n’importe quelle autre centrale à charbon à rendement égal.
=== Carburants ===
La polyvalence des gazéification et l’efficacité de l’extraction des polluants permet d’utiliser une grande variété de combustibles : [[Houille|charbons]] et [[lignite]]s de différentes qualités, résidus du raffinage du pétrole ([[coke de pétrole]], [[asphalte (matériau)|asphalte]]...), [[biomasse (énergie)|biomasse]], etc.
=== Multiproduction ===
Le gaz de synthèse est une matière première pétrochimique. Il est ainsi possible d’associer à la production d’électricité différents produits auxiliaires, tels que l’hydrogène, le [[méthanol]], l’[[éthylène]]. Ces produits sont généralement fabriqués à partir de gaz naturel.
== Références ==
<references />
== Bibliographie ==
* Dossier B8920 ''Technologie de gazéification intégrée à un cycle combiné'', Michel Klaeylé et Férid Nandjee, avril 1997, [[Éditions techniques de l'ingénieur]], [http://www.techniques-ingenieur.fr/dossier/technologie_de_gazeification_integree_a_un_cycle_combine/B8920 Résumé].
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