Il a quitté son grand-père, il a quitté sa grand-mère ... Mais il n'a pas pu échapper aux solutions technologiques de Toshiba! [musique exaltante de la suite de G. Sviridov «Time, forward!»] ». Nous parlons de dioxyde de carbone (CO2), qui se forme à la suite de presque toute activité industrielle, apportant l'apocalypse climatique prédite par les scientifiques en raison de «l'effet de serre». Cette fois, nous parlerons de technologies qui permettent non seulement de «capturer» le CO2 à la sortie, mais aussi de le transformer en un matériau recyclable pour l'agriculture, l'énergie et même pour sauver le climat de la planète.
Rassemblé en quelque sorte un Français, un Anglais et un Suédois
En 1824, le scientifique français Joseph Fourier a comparé la Terre à une boîte avec un couvercle en verre: lorsque les rayons du soleil tombent dessus, la surface intérieure de la boîte se réchauffe car la chaleur ne peut pas la quitter. Sous la «couverture», il faut comprendre l'atmosphère, et Fourier a théoriquement prouvé que le climat de la planète dépend de cette «couverture».
35 ans plus tard, le physicien anglais John Tyndall, inspiré par les récentes découvertes de la période glaciaire, a étudié l' effet des gaz sur le rayonnement thermique. À cette époque, les gens pensaient que les gaz étaient complètement perméables au rayonnement thermique. Le scientifique a décidétester cette hypothèse en laboratoire un à un sur les principaux gaz atmosphériques (oxygène, azote, hydrogène), et elle a été confirmée. Alors qu'il était sur le point de partir, il fixa son regard sur un tout nouveau gadget de laboratoire, le bec Bunsen. Elle fonctionnait au gaz de houille, également appelé «gaz de lampe», car il était utilisé dans les lanternes.
Le brûleur Bunsen fonctionnait avec une variété de mélanges de gaz, y compris du méthane, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Source: Daderot / Wikimedia Commons
Après avoir testé le gaz de charbon pour la conductivité thermique, Tyndall a découvert qu'il empêche le rayonnement thermique, puis a découvert que le dioxyde de carbone, en combinaison avec la vapeur d'eau, le bloque également.
Bien que le bec Bunsen - l'un des fruits de la révolution industrielle - ait presque directement "fait allusion" à Tyndall sur les conséquences possibles de cette révolution pour le climat, ce n'est qu'un demi-siècle plus tard que le scientifique suédois Svante Arrhenius est parvenu à certaines conclusions - en 1896, il a calculé qu'une diminution de moitié de la teneur en dioxyde de carbone l'atmosphère pourrait conduire à des périodes glaciaires et, par conséquent, la combustion de combustibles fossiles sur la planète pourrait se retourner contre eux.
Certes, à ce moment-là, les hypothèses d'Arrhenius semblaient fantastiques. Le problème n'est revenu qu'au milieu du XXe siècle, lorsque les émissions de dioxyde de carbone ont dépassé à plusieurs reprises le niveau du XIXe siècle. Dans les années 1960, des modèles ont été développés pour la première fois prouvant qu'au XXIe siècle, en raison du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, la température de la planète augmentera de plusieurs degrés.
L'augmentation des émissions de dioxyde de carbone est une conséquence directe de l'industrialisation dans les pays développés, puis en URSS et en Chine. Source: CAIT Climate Data Explorer, World Resources Institute (WRI)
Pendant ce temps, les scientifiques ont mené des holivars sur la question de savoir si le CO2 incontrôlable tuerait le climat auquel nous sommes habitués et comment il le ferait exactement, les pétroliers ont proposé le CCS - une technologie pour capturer et stocker le carbone. Dans les années 1950, le dioxyde de carbone a commencé à être utilisé dans des champs où le pétrole est difficile à séparer de diverses impuretés: contrairement à d'autres gaz, le CO2 se dissout bien dans le pétrole et l'eau de formation, ce qui entraîne une augmentation de leur volume et l'expulsion de l'huile mobile résiduelle. Dans les années 1970, les scientifiques ont commencé à pensersur l'utilisation du dioxyde de carbone, qui se forme lors de la combustion du gaz associé dans les torches. C'est ainsi qu'est née la technologie de captage post-combustion. De nos jours, il est de plus en plus utilisé pour des raisons environnementales, et pas seulement dans la production pétrolière. Comment? Nous vous raconterons l'exemple des projets Toshiba au Japon et aux USA.
Absorber
Tout le monde ne suit pas l'exemple des travailleurs du pétrole et utilise du dioxyde de carbone sous-produit. Par exemple, les centrales thermiques n'en ont tout simplement pas besoin, comme beaucoup d'autres industries, de sorte que le dioxyde de carbone pénètre dans l'atmosphère. Selon l' Agence internationale de l'énergie, en 2019, la masse totale des émissions de CO2 associées à la production d'énergie était de 33 milliards de tonnes.
Alors que dans les pays développés, les émissions de CO2 dans le secteur de l'énergie ont stagné (certaines barres sous la ligne blanche), dans les pays en développement, elles n'ont fait qu'augmenter (au-dessus de la ligne blanche). Source: Agence internationale de l'énergie (AIE)
Pour réduire les émissions inutiles et donner une seconde vie au dioxyde de carbone, nous utilisonstechnologie secondaire de captage et de stockage du carbone. Il est basé sur l'absorption chimique. Les émissions étant constituées d'un mélange gazeux, afin de capter exactement le CO2, nous faisons passer une solution aqueuse d'amines dans l'absorbeur avec «l'échappement» de la centrale thermique. Il est capable de capter sélectivement le CO2 à une certaine température et, inversement, de le «relâcher» à une température différente dans le strippeur.
De cette façon, vous pouvez «attraper» du dioxyde de carbone dans différents types de stations: charbon, pétrole, gaz. Source: Toshiba Energy Systems & Solutions
En septembre 2009, Toshiba a construitune usine pilote de séparation et de captage du CO2 à la centrale électrique de 50 MW de Mikawa située dans la ville d'Omuta, préfecture de Fukuoka, Japon. Ici, 10 tonnes de CO2 ont été captées par jour. Pour Toshiba, il s'agissait d'un projet pilote visant à affiner la technologie de capture du dioxyde de carbone à l'échelle industrielle.
À seulement 35 kilomètres de la centrale électrique de Mikawa se trouve la ville de Saga, qui depuis 2013 a suivi un cours visant à minimiser les émissions de substances nocives dans l'atmosphère. Après avoir pris connaissance des technologies de capture du carbone à l'usine pilote d'Omut, les responsables de Saga sont venus en personne pour obtenir des détails. Et, impressionnés par ce qu'ils ont vu, ils ont voulu utiliser une telle installation dans une usine d'incinération de déchets de leur ville.
Pour ce faire, la technologie a dû être adaptée, et Toshiba a installé un petit système d'essai pour capturer 10 à 20 kg de CO2 par jour à partir des gaz résiduaires générés par l'incinération des déchets. Au cours de 8 000 heures de fonctionnement, la technologie a été explorée ainsi que l'utilisation commerciale de la capture du CO2. L'absorbant utilisé était des amines alcalines, qui sont bien adaptées pour capturer le CO2 dans le mélange de gaz de combustion, où le dioxyde de carbone n'est que de 8 à 14%. Ce petit système d'essai a bien fonctionné et, en août 2016, une grande installation de captage du carbone construite par Toshiba est entrée en service commercial.
L'incinérateur Saga collecte 10 tonnes de CO2 chaque jour. Le dioxyde de carbone de haute pureté est ensuite envoyé à la ferme d'algues. Le dioxyde de carbone avec lumière fonctionne comme engrais, augmentant les rendements de 2 à 3 fois. Source: Toshiba Energy Systems & Solutions
De plus, le dioxyde de carbone est utilisé dans l'industrie alimentaire (conservateur E290), la production d'extincteurs, mais aussi comme réfrigérant dans les congélateurs, etc. Ainsi, la première usine d'incinération au monde est apparue à Saga, émissions nocives qui a réussi à commercialiser. Mais nous ne nous sommes pas arrêtés là, décidant de donner vie à un concept écologique toujours considéré comme fantastique.
La bioénergie dans le bon sens du mot
Il existe un concept de nettoyage de l'atmosphère du dioxyde de carbone, appelé «bioénergie avec capture et stockage du carbone» (en anglais Bio-Energy with Carbon Capture and Storage, BECCS). Ne vous précipitez pas pour attraper le pistolet: la perception extrasensorielle et le champ biologique n'ont rien à voir avec cela - nous ne parlons que d'une variation exotique de UHY.
On suppose qu'il est possible de réduire la quantité de CO2 dans l'atmosphère en agissant contre ce gaz sur deux fronts: d'une part, faire pousser des plantes qui absorbent le CO2 lors de la photosynthèse, d'autre part, brûler ces plantes, et le CO2 qui en résulte est enfoui dans les couches profondes de la croûte terrestre, ou transformer en quelque chose d'utile. Par exemple, un engrais pour un nouveau lot de plantes. Le débat autour de cette théorie, peut-être, est encore plus féroce que sur le réchauffement climatique lui-même, donc nous n'entrerons pas dans leur essence, mais parlons simplement de notre projet pilote dans cette bioénergie «correcte».
Parallèlement aux travaux de Saga, la centrale thermique d'Omut était en cours de rénovation. En 2017, il est passé du charbon au biocarburant. Des centaines de milliers de tonnes de coquilles indonésiennes provenant des amandes du palmier à huile utilisées pour obtenir l'huile de palme ont commencé à être envoyées au four de cette station. La centrale de biocarburants d'Omut sera la première centrale électrique au monde à utiliser les technologies BECCS - elle sera en mesure de capter plus de 500 tonnes de dioxyde de carbone par jour, soit plus de la moitié de toutes les émissions de CO2 de la centrale.
Soit liquide, soit une vision
Le dioxyde de carbone recyclé peut lui-même devenir une source d'énergie, de plus, il est respectueux de l'environnement. Pour ce faire, il doit être amené à un état supercritique, c'est-à-dire à la forme agrégée d'une substance, dans laquelle il a les propriétés à la fois d'un gaz et d'un liquide. Le CO2 est relativement facile à convertir dans cet état - il nécessite une température de 31 ° C à une pression d'environ 7,4 MPa (73 atm).
Bien que le CO2 supercritique ressemble à un liquide en apparence, il est correctement appelé fluide supercritique (SCF). Source: chaîne YouTube Flachzange1337
En 2018, Toshiba, en collaboration avec la société américaine NET Power, a testé avec succès une chambre de combustion à l'échelle commerciale dans une centrale électrique de 50 MW à La Port, Texas, États-Unis, conçue pour confirmer le fonctionnement d'un système de production d'électricité au CO2 supercritique. ... Toshiba développe la turbine et la chambre de combustion depuis 2012.
Le système de production d'électricité au CO2 supercritique utilise du gaz naturel et est plus efficace que les autres systèmes au gaz naturel, et capte le CO2 à haute pression tout en éliminant les oxydes d'azote et autres polluants.
Cela fonctionne comme ceci: le CO2 SCF, le gaz naturel et l'oxygène sont introduits dans la chambre de combustion. En brûlant ce mélange, la chambre génère un fluide de travail gazeux, constitué principalement de dioxyde de carbone et de vapeur. Il est transféré sous haute pression et à haute température vers la turbine, où il fait tourner l'arbre et produit de l'électricité.
Les gaz d'échappement de la turbine sont ensuite refroidis et divisés en deux parties - eau et CO2. Ce dernier est à nouveau comprimé et renvoyé dans la chambre de combustion, recommençant le cycle. L'excès de CO2 peut être enterré sous terre ou transféré à un consommateur externe, et l'eau propre peut être rejetée.
Le schéma de l'installation utilisant le fluide supercritique CO2. Source: Toshiba Energy Systems & Solutions
Ne fumez pas ici!
Ainsi, nous avons découvert que le dioxyde de carbone est recyclable, après quoi il peut être dirigé vers les besoins de l'agriculture, de l'industrie, de l'énergie. Ainsi, en l'empêchant de pénétrer dans l'atmosphère, nous réduisons non seulement l'effet de serre, mais réalisons également un profit. En termes simples, le dioxyde de carbone est une source potentielle de revenus.
Où est produite une grande partie de ce gaz? Par exemple, en Russie: selon la compagnie pétrolière BP, en 2018 la Russie occupe la quatrième place mondiale en termes d'émissions de gaz à effet de serre (1,55 milliard de tonnes par an), derrière seulement la Chine, les États-Unis et l'Inde pour cet indicateur et devant le Japon d'une ligne ... N'est-ce pas une raison pour commencer à «capturer» le CO2 à l'échelle industrielle, alors que le prix du pétrole établit des records négatifs?