Capture et Utilisation du CO2

Capture et Utilisation du CO2

CO2 and chimney
Photo by veeterzy on Unsplash

VOLTIGITAL accompagne les producteurs, utilisateurs et innovateurs dans le domaine de la valorisation et du recyclage du CO2.

Sommaire

Enjeux du CO2

Le CO2 est l’un des principaux gaz à effet de serre contribuant au réchauffement climatique.

Son accumulation dans l’atmosphère pose problème (actuellement à plus de 410ppm), c’est aussi une matière utilisée dans de nombreux domaines industriels (alimentaire, génie climatique, chimie…) et pour lesquels les utilisateurs paient (parfois même assez cher) pour obtenir un CO2 de qualité et conditionné.

Evolution de la concentration en CO2 de l’atmosphère – source Climate Central

Le CO2 s’émet, se capte, se stocke, se liquéfie, se transforme. Partout dans le monde, de nombreux travaux visent à mieux utiliser, recycler, transporter et/ ou stocker le CO2.

>> Concernant les enjeux CO2, retrouvez le support de notre conférence : « les ingénieurs peuvent-ils sauver le monde des changements climatiques ? Non, mais…» réalisée à Nantes, en 2019 pour le groupe Echange &Réseau de Pays de la Loire.

Lien vers le support de notre conférence, Novembre 2019

Les Producteurs de CO2

> Sources de CO2 faiblement concentrées

Il existe de nombreuses sources faiblement concentrées, en particulier liées à la combustion des énergies fossiles (charbon, fuel, gaz naturel) ou à leur transformation thermo-chimique (cas de l’acier par exemple).

D’autres procédés sont également émetteurs de CO2, tels que la production de Ciment (et plus exactement de clinker) ou d’aluminium (même lorsqu’il s’agit d’une électrolyse, l’usure des électrodes peut être génératrice d’émissions de CO2).

Le taux de CO2 dans ces flux est relativement faible avec des variations (bien que pour les fumées de four de cimenterie, ce taux soit plus élevé que pour la combustion de ressources fossiles).

Une faible concentration constitue un enjeu énergétique et économique avant d’envisager une valorisation économique ou une séquestration. On parle notamment de pénalité énergétique associée à la capture du CO2. Toutefois, certains procédés de valorisation ne nécessitent pas un CO2 concentré.

>> VOLTIGITAL accompagne les acteurs industriels et institutionnels dans la valorisation du CO2

> CO2 de méthanisation

La valorisation du CO2 issu de méthanisation – Crédits – VOLTIGITAL

La digestion anaérobie de manière organique produit du biogaz, un mélange de CH4 et de CO2 que l’on peut séparer afin de produire du biométhane, qui peut être valorisé dans les réseaux de gaz (notamment). La méthanisation combinée à une épuration du biogaz produit ainsi du CO2 d’origine biogénique, avec une pureté supérieure à 90% (en vol), voire supérieure à 97% (cas général des épurateurs membranaires).

Peut-on valoriser économique ce CO2 ?  Oui ! il faut toutefois être en mesure de le purifier pour atteindre les spécifications techniques nécessaires (correspondant souvent à une pureté supérieure à 99,9%). Il est également souvent nécessaire de le liquéfier pour faciliter le transport. Cette opération se réalise sous pression (environ 20 bar) et à une température négative (environ -22°C).

Ces transformations induisent des coûts, ce qui renchérit fortement le prix du CO2. Néanmoins, dans certaines conditions, il est possible d’atteindre une bonne performance économique. L’ATEE et le CTBM ont publié courant 2020 un guide pour la valorisation du CO2 qui permet de mieux comprendre les principaux enjeux.

Pour une étude plus précise, VOLTIGITAL vous accompagne sur des projets concrets de valorisation de votre CO2 de méthanisation tant sur les aspects techniques que commerciaux.

>> En 2020, VOLTIGITAL a accompagné un investisseur/exploitant dans l’étude du potentiel de valorisation de CO2 issu de ses unités de méthanisation. L’étude réalisée a porté sur les modalités techniques et économiques de ces projets, y compris des débouchés commerciaux.

> Autres sources de CO2 concentrées

Le CO2 utilisé dans l’industrie provient généralement de sources centralisées et à forte teneur en CO2. Il s’agit notamment des unités de production d’ammoniaque, des usines de bioéthanol ou des brasseries industrielles (pour lesquelles le CO2 est souvent réutilisé sur place dans le procédé).

Les Utilisateurs de CO2 (CCU)

On estime le marché du CO2 en France de l’ordre de 1MT/an, avec une forte variabilité saisonnière selon les usages.

> les usages actuels du CO2

Les usages du CO2 sont nombreux et en croissance. Ils nécessitent des qualités et quantités différentes selon les modalités, bien qu’une traçabilité de la pureté soit nécessaire. Parmi les usages actuels, on distingue généralement :

  • L’industrie alimentaire et de boissons ;
  • Les usages industriels ;
  • Les usages en serre ;
Illustration d’une serre en France – Crédits : VOLTIGITAL

Les serres constituent un usage pertinent du CO2, avec toutefois une variation journalière et saisonnière qu’il est nécessaire de prendre en compte.

>> En 2020, VOLTIGITAL a développé un modèle de simulation de consommation de CO2 d’une serre.

Il convient également de mentionner d’autres usages industriels comme la production d’urée ou l’amélioration de récupération de pétrole (Enhance Oil Recovery), mais qui font parti de marchés différents

Evolution (réelle et prévue) du marché international de CO2

> les usages prospectifs du CO2

De nombreux travaux de recherche, à des stades de maturités élevés ou faibles, visent à valoriser le CO2, via différentes techniques.

On distinguera notamment les usages permettant une séquestration longue durée du carbone (par exemple, par la minéralisation du CO2), de ceux ne permettant qu’une substitution de ressource (par exemple les e-fuels ou le méthane de synthèse).

Quels sont-ces usages ?

Focus sur la minéralisation du CO2 dans les matériaux de construction

Le CO2 produit, notamment lors de la fabrication de clinker, peut être réincorporé dans les matériaux de construction (uptake). Ce phénomène naturel (le béton capte du CO2) peut être accéléré et massifier, jusqu’à aller jusqu’à la production de matériaux de construction ayant capté plus de CO2 que celui émis pour leur fabrication.

The sponge effect and carbon emission mitigation potentials of the global cement cycle – Crédits Nature, 2020

Dans le domaine de la minéralisation du CO2, les voies technologiques sont multiples et en évolution. Sont elles appropriés à vos besoins, à votre stratégie industrielle ?

> VOLTIGITAL accompagne des industriels et acteurs de filière sur la valorisation du CO2 par minéralisation

Focus sur la méthanation par voie biologique

La méthanation biologique permet la conversion de d’hydrogène et de CO2 en méthane et en eau grâce à l’action de micro-organismes (les archées). Le CO2 peut être considéré pur, issu de biogaz ou issu de syngaz. Il s’agit d’une technologie qui a vu ses premiers développements commerciaux dans les dernières années, dont le projet BIOCAT (1MWe, Danemark, 2016) et l’unité de Dietikon (2.5MWe, Suisse) sont les principales références.

> En 2019/2020, VOLTIGITAL a coordonné une étude de l’état de l’art de la méthanation par voie biologique pour le compte du groupement RECORD.

Capture du CO2

Les travaux dans le domaine de la capture du CO2 sont nombreux, avec de nombreuses technologies disponibles ou en court de développement.

Panorama des technologies de capture de CO2 – Crédits Voltigital, 2019

Parmi les technologies on peut citer :
> Le Lavage aux amines constitue la voie technologique la plus répandue à ce jour pour capter le CO2 issu de fumées sur les procédés conventionnels (et notamment de combustion de ressources fossiles).

> La Cryogénie est une option très pertinente du point de vue énergétique quand une source froide est disponible.

>> Dans le cadre d’une mission Client (2019), VOLTIGITAL a eu l’opportunité d’étudier cette technologie et les solutions proposées par des porteurs de projet pour des applications dans le transport

> Les technologies de Direct Air Capture (DAC) qui visent à capturer le CO2 diffus dans l’atmosphère représente une voie de développement très intéressante dans le domaine des émissions négatives, sous réserve de disposer de débouchés permettant la capture définitive de CO2. Si leur coût reste très élevé, celui-ci a fortement réduit durant les dernières années. Par ailleurs, même une fois la neutralité carbone atteinte (à un horizon 2050 pour certains pays), il est fort probable qu’il soit climatiquement juste de procéder à un rééquilibrage du CO2 atmosphérique sur le long terme.

>> Vous pouvez consulter notre post de 2019 sur la technologie DAC

Le Transport et la Distribution du CO2

Transport du CO2

Transport par navires

Le transport du CO2 pour les marchés internationaux est réalisé par navires de type ‘CO2 gas carrier’ ( tels que ceux visibles ici ), similaires à ceux utilisés pour le transport de GPL ou d’ammoniac. Le CO2 liquéfié à une température ‘environ -30°C et une pression d’environ 20bar, pour des capacités de l’ordre de 1000 tCO2 par navire (ou moins)

Dans le cadre des projets de séquestration du CO2 offshore, plusieurs développements sont en cours pour des navires de plus fortes capacités (10 000 tCO2/navire).

Source Polarkonsult, Praxair, Larvik Shipping, 2017

>> En 2019, VOLTIGITAL a réalisé une mission comportant un état de l’art du transport de CO2 par navires

Transport par canalisation

Le transport du CO2 par canalisation est également envisageable, en général à haute pression et pour des débits importants. Cette pratique est répandue dans le cadre de l’utilisation de CO2 pour l’extraction de ressources pétrolières complémentaires (EOR) et elle se développe pour des projets de stockage et séquestration de CO2 (dit CCS), dont le projet PORTHOS à Rotterdam ou le projet Northern Light en Norvège

Distribution du CO2

A une échelle plus locale, le CO2 peut également être distribué :

  • par camion, sous forme liquéfiée pressurisée
    C’est la pratique la plus répandue en France à l’heure actuelle
  • par un réseau de canalisation. Il existe quelques références intéressantes en Europe, dont notamment le réseau OCAP à Rotterdam, Pays Bas (lien youtube). Il s’agit d’un réseau gaz de plus de 80km valorisant plus de 400 ktCO2/an auprès de plus de 580 serres, le CO2 provenant d’une unité Linde (Raffinerie) et d’une unité Bioéthanol (Abengoa/ Air Liquide).
Le réseau OCAP en 2014. Source : Ros et Al, Start of a CO2 Hub in Rotterdam: Connecting CCS and CCU, 2014

En 2020, le projet OCAP s’inscrit dans la thématique des réseau smart CO2, couplant CCU (carbon capture and use) et CCS.

>> En 2020, VOLTIGITAL réalise une mission sur l’évaluation des modalités de distribution et de stockage du CO2

Et le Carbon Capture & Storage (CCS)

Il s’agit d’initiative visant à capture le CO2 émis et à le stocker sous forme définitive, généralement dans des réservoirs géologiques, notamment des anciens champs pétroliers ou gaziers off-shore. Cette voie qui est peu développée en France connait un véritable essor au niveau international. En Europe (géographique), le CSS se développe aux Pays-Bas, en Norvège et au Royaume Uni.

Source :’Remove : Carbon Capture and Storage’, Global CCS Institute, Aout 2020

>> Vous souhaitez un échange sur ce sujet : N’hésitez pas à nous contacter par email (info [a] voltigital.com ou par téléphone (06 32 08 02 81 )