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Utiliser la rouille pour capturer le CO2 des centrales au charbon
Des chercheurs à l'Ohio State University développent un nouveau procédé de production d'électricité à partir du charbon qui promet également de rendre la capture des émissions de dioxyde de carbone moins chère. Le travail est effectué avec l'aide d'une subvention de 5 millions de dollars de la nouvelle Agence des projets de recherche avancée-Énergie du département américain de l'Énergie. La technologie a fait ses preuves en laboratoire ; les chercheurs utiliseront les nouveaux fonds pour le démontrer dans une centrale électrique pilote de 250 kilowatts.
Piège à carbone : Cet appareil de laboratoire extrait l'énergie des combustibles fossiles et produit un flux de dioxyde de carbone facile à capturer. Une version plus grande sera testée dans une nouvelle centrale électrique de 250 kilowatts.
Une centrale au charbon basée sur ce procédé, appelé boucle chimique, produirait un flux très concentré de dioxyde de carbone. Un tel flux serait plus facile à capturer et à stocker sous terre que la méthode standard de capture du dioxyde de carbone dilué dans les gaz d'échappement des centrales électriques au charbon conventionnelles. La nouvelle méthode pourrait rendre moins coûteux pour les centrales au charbon de se conformer aux réglementations en cours sur les émissions de CO2.
Le bouclage chimique pourrait être une grande amélioration par rapport aux systèmes de capture du dioxyde de carbone des centrales électriques conventionnelles. Les systèmes typiques réduisent la puissance de sortie des centrales au charbon jusqu'à 30 pour cent et, en raison de la puissance de sortie réduite et du coût des équipements supplémentaires, augmentent le coût de l'électricité de 85 pour cent. Avec une boucle chimique, disons Fanxing Li , chercheur à l'Ohio State, vous ne voyez pas cette pénalité énergétique et, par conséquent, nous espérons pouvoir prouver que c'est moins cher.
La plupart des centrales électriques au charbon brûlent du charbon pulvérisé dans l'air, et comme l'air est principalement composé d'azote, les émissions de gaz d'échappement le sont également – environ 14 % seulement sont du dioxyde de carbone. Il faut gaspiller beaucoup d'énergie pour séparer l'azote du dioxyde de carbone, dit Li. Avec le bouclage chimique, le charbon n'est pas directement exposé à l'air. Au lieu de cela, le bouclage implique une série de réactions chimiques dans lesquelles un matériau solide, agissant comme intermédiaire, capte d'abord l'oxygène de l'air, puis le transfère au carburant, sans l'azote ou d'autres gaz dans l'air. Les réactions produisent de la chaleur, qui peut être utilisée pour produire de l'électricité, ainsi qu'un flux de CO2 concentré qui peut être facilement capté.
Dans la version du bouclage chimique que les chercheurs utiliseront dans l'usine pilote, le charbon est d'abord gazéifié, un processus courant qui consiste à convertir le charbon en gaz de synthèse, une combinaison de monoxyde de carbone et d'hydrogène gazeux. Le gaz de synthèse est exposé à des particules d'oxyde de fer, c'est-à-dire de rouille, qui agissent comme un transporteur d'oxygène. En réagissant avec le gaz de synthèse, l'oxyde de fer libère son oxygène, formant du fer métallique. L'oxygène oxyde le monoxyde de carbone, formant du dioxyde de carbone, et l'hydrogène, formant de la vapeur. A ce stade, la vapeur et le dioxyde de carbone quittent le système. La vapeur peut être facilement éliminée en la condensant, laissant derrière elle du dioxyde de carbone hautement concentré qui peut être capturé et stocké.
Dans l'étape suivante de la boucle chimique, le fer est déplacé vers une autre chambre. Il est exposé à l'oxygène de l'air, formant de l'oxyde de fer dans une réaction chimique qui génère de la chaleur, qui est utilisée pour générer de l'électricité. (Alternativement, le fer peut être exposé à la vapeur pour produire de l'hydrogène pour les piles à combustible ou pour être transformé en carburant liquide dans une raffinerie.) L'oxyde de fer retourne ensuite dans la première chambre pour réagir avec plus de gaz de synthèse, fermant la boucle.
La mise en œuvre d'un tel système dans une centrale électrique à grande échelle présente deux défis principaux, explique David Thimsen, chef de projet principal pour la production de charbon de pointe à la Institut de recherche sur l'énergie électrique . Le premier défi consiste à concevoir des mécanismes pour déplacer le fer et l'oxyde de fer à l'intérieur de l'usine. La seconde est de s'assurer que les matériaux ne sont pas trop chers. Thimsen dit que l'approche adoptée par les chercheurs de l'État de l'Ohio pourrait ne pas s'avérer être la meilleure version du bouclage chimique. Les oxydes métalliques peuvent être coûteux, d'une part. Et gazéifier le charbon avant de le faire réagir avec les oxydes entraînerait une pénalité énergétique, d'autant plus qu'il s'agit d'un processus de séparation de l'oxygène de l'air.
Une autre Une approche de bouclage chimique est en cours de développement par Alstom Power, dans le cadre d'un autre projet DOE de 5 millions de dollars. Dans ce système, dit Thimsen, le matériau porteur d'oxygène est dérivé du calcaire, qui est bon marché. Ce système a été couronné de succès dans une petite usine pilote et sera testé dans une usine prototype plus grande de 3 000 kilowatts. Les chercheurs de l'Ohio State sont également aux premiers stades du développement d'une approche qui n'implique pas d'étape de gazéification distincte. Cette approche pourrait être 10 à 20 % plus efficace que la version pour l'usine pilote, dit Li.