Cycle combiné à gazéification intégrée

Une centrale à cycle combiné à gazéification intégrée est un type de centrale électrique utilisant des carburants solides tels que le charbon.



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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 définissent par une opération de gazéification, qui convertit la matière première en un gaz combustible (gaz de synthèse) qui alimente une centrale électrique à cycle combiné.

Principe de fonctionnement

Le combustible est en premier lieu réduit en grains, puis injecté dans un gazéificateur, en présence d'oxygène et de vapeur d'eau. L'oxygène n'est pas suffisament abondant pour permettre une combustion complète. Plusieurs réactions ont lieu : combustion partielle (qui surtout 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 par conséquent un gaz de synthèse composé surtout de CO, CO2, H2, H2S. Ce gaz est refroidi puis traité, surtout les poussières sont filtrées, et le soufre retiré par absorption chimique. Les cendres issues du gazéificateur sont elles aussi traitées, ce qui permet surtout de récupérer les métaux lourds.

Par la suite le gaz de synthèse traité est utilisé comme carburant de la centrale à cycle combinés elle même : une ou plusieurs 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 espagnole PIEMSA [1], l'ensemble des 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 un peu le bilan. Elle utilise comme combustible un résidu du raffinage du pétrole.

Il faut cependant en déduire la consommation propre de la centrale.

Ainsi, pour 100 joules 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 par conséquent 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% [2].

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 perfectionner 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 un peu perfectionner le rendement.

D'autre part, toute amélioration portée aux centrales à cycle combiné (sur les turbines à gaz, les chaudières de récupération et les turbines à vapeur) peut aussi bénéficier à une centrale à gazéification intégrée.

S'agissant de la dépollution, la capture du mercure, seul polluant non toujours traité, a été installée sur l'une des dernières centrales CCGI construite, à Kingsport (Tennessee). Les émissions de mercure sont réduite de 95 % [3].

Séquestration du CO2

À terme, le principe de la centrale CCGI peut être adapté pour y intégrer la séquestration du CO2[4]. 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 système séparant le CO2 (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

Au contraire de 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 particulièrement 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 SO2, NOx, ozone, mercure, microparticules et composés organiques peut être réduit à des niveaux plus bas que les meilleures centrales à chaudière [3], approchant le niveau d'une centrale au gaz naturel. Par contre, en l'absence de séquestration, les émissions de CO2 restent semblables 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 : charbons et lignites de différentes qualités, résidus du raffinage du pétrole (coke de pétrole, asphalte... ), biomasse, etc.

Multiproduction

Le gaz de synthèse est une matière première pétrochimique. Il est ainsi envisageable d'associer à la production d'électricité différents produits auxiliaires, tels que l'hydrogène, le méthanol, l'éthylène. Ces produits sont le plus souvent fabriqués à partir de gaz naturel.

Références

  1. Bilan énergétique, celui de la centrale espagnol PIEMSA
  2. System Study For Improved Gas Turbine Performance For Coal IGCC Application.
  3. EPA.
  4. gasification. org

Bibliographie

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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