L'avenir des combustibles fossiles : gazéification du charbon et MHD pour une production d'énergie plus propre

Le processus de gazéification du charbon représente une approche innovante pour transformer le charbon en gaz de synthèse (syngas) ou en gaz naturel synthétique (SNG), et constitue l'une des tentatives les plus ambitieuses pour réduire l'empreinte environnementale de la production d'énergie à partir du charbon. Le résidu de distillation sous vide (visbreaker residue) utilisé comme matière première dans ce processus de gazéification est un produit dérivé très riche en carbone, avec une densité de 1 100 kg/m3 et un pouvoir calorifique inférieur (LHV) d'environ 39 MJ/kg. Ce résidu est principalement composé de 85 % de carbone, 10 % d'hydrogène et 4 % de soufre, avec des traces de vanadium, nickel, fer, sodium et calcium. Bien qu'il soit généralement considéré comme une matière non adaptée à l'alimentation des turbines à gaz, il trouve parfois une utilisation dans des applications spécifiques, telles que celles dans les secteurs marins, les raffineries et les champs pétroliers, après un traitement préalable rigoureux et l'ajout d'inhibiteurs pour éviter l'usure des turbines.

L'option la plus prometteuse, dans ce contexte, consiste à utiliser l'hydrogène produit par gazéification de charbon, en particulier l'hydrogène gris, dans une centrale GTCC. Ce procédé permettrait de générer de l'énergie propre tout en réduisant les émissions de dioxyde de carbone, en particulier avec l'ajout de systèmes de captation et de stockage du carbone (CCS). Un tel système permettrait de diminuer les émissions de CO2 à 57,8 kg/MWh, ce qui en ferait une source d'énergie « bleue » relativement propre. Cependant, la viabilité économique de cette approche dépend fortement des coûts en capital (CAPEX) et des coûts opérationnels (OPEX), ainsi que du prix du mégawattheure (LCOE). Si ces coûts peuvent être optimisés, la gazéification du charbon, combinée à la capture du carbone, pourrait devenir une solution viable pour la production d'électricité durable.

La transition énergétique mondiale, marquée par la recherche incessante de solutions à faible émission de carbone, pose des défis colossaux. La dépendance croissante aux énergies fossiles, notamment le charbon, dans de nombreuses régions du monde, rend nécessaire une réévaluation de ces technologies et de leur potentiel à réduire les impacts environnementaux. Même si la gazéification du charbon et la technologie MHD ne représentent pas des solutions parfaites, elles peuvent néanmoins offrir des pistes intéressantes pour l'avenir de la production d'énergie propre et durable.

Il est également important de comprendre que ces technologies, bien qu'elles offrent un potentiel d'amélioration de l'efficacité et de réduction des émissions, nécessitent des investissements massifs en recherche et développement pour devenir économiquement viables à grande échelle. De plus, le succès de ces approches dépendra largement de la capacité à intégrer des systèmes de capture et de stockage du carbone, ainsi que de la manière dont les réglementations environnementales évolueront dans les années à venir.

Quel rôle jouent les systèmes de stockage d'énergie dans l'optimisation de l'efficacité thermique et la gestion des ressources énergétiques ?

L'optimisation des ressources énergétiques est un enjeu majeur dans la transition énergétique moderne. En particulier, le stockage de l'énergie, notamment dans les systèmes utilisant le dioxyde de carbone (CO2) comme vecteur énergétique, joue un rôle central dans la gestion des fluctuations de production et de consommation d'énergie. L'un des concepts clés dans ce domaine est l'efficacité thermique, mesurée par le taux de rendement énergétique (RTE), qui quantifie la conversion d'énergie thermique en électricité.

L'un des modèles d'efficacité étudiés dans la littérature repose sur une comparaison entre la consommation d'énergie d'un compresseur et la production d'énergie d'une turbine dans un cycle thermodynamique. Dans cette équation, où le terme WC représente la consommation énergétique du compresseur et HFC la consommation de carburant pour le chauffage, le calcul suggère que l’énergie thermique contenue dans le CO2 chauffé pourrait être utilisée pour générer de l’électricité dans une centrale thermique efficace à 45,6%. Ces calculs aboutissent à des valeurs de RTE supérieures à 60% dans certains systèmes comme les variantes SC (Supercritical) et TC (Transcritical). Toutefois, ces résultats, bien qu'optimistes, se révèlent être en grande partie irréalistes. En effet, une analyse plus approfondie montre une erreur fondamentale dans l’approche des auteurs originaux, qui ont utilisé la chaleur transférée au CO2 dans le réchauffeur comme une source d'énergie thermique, ce qui est inexact dans un chauffage à combustion directe.

Afin de vérifier la validité de ces chiffres, une réévaluation des calculs a été réalisée en utilisant le logiciel THERMOFLEX de Thermoflow, avec des propriétés du CO2 calculées à partir du package REFPROP. Cette vérification montre des valeurs de RTE plus réalistes, mais légèrement inférieures à celles avancées initialement. Il est intéressant de noter que l'efficacité de la turbine et du compresseur a été maintenue à des valeurs isentropiques standards de 85% et 87% respectivement, et les résultats ont permis d'obtenir un RTE corrigé autour de 47%, ce qui est bien plus faible que celui annoncé dans les calculs originaux.

Les systèmes de stockage d'énergie ne se contentent pas de stocker de l'énergie pour une utilisation ultérieure ; ils jouent également un rôle crucial dans la stabilisation du réseau électrique, en fournissant des services auxiliaires. Cela inclut la régulation de fréquence, qui permet de maintenir l'équilibre entre la production et la consommation d’électricité, et la réserve tournante, qui garantit un maintien immédiat de la production d’électricité en cas de défaillance du réseau. En outre, ces systèmes permettent de réduire le besoin en infrastructures de transmission d'électricité, notamment en période de pics de demande, ce qui diminue les coûts d'extension du réseau.

Un autre aspect important des systèmes de stockage d’énergie, en particulier les batteries et les technologies similaires, réside dans leur capacité à faciliter l'intégration des énergies renouvelables intermittentes (RES) en lissant les variations de leur production. En permettant l’utilisation de l’électricité excédentaire générée lors de périodes de faible demande ou de production élevée, ces technologies contribuent à une gestion plus efficace des ressources énergétiques.

Les applications pratiques de ces systèmes incluent le lissage de la charge, l'arbitrage de l’énergie, ainsi que la gestion des pics de consommation, et l’approvisionnement de secours en cas de panne de courant. Ces capacités de stockage et de gestion de l’énergie se révèlent particulièrement utiles dans les régions où l’intégration d’énergies renouvelables, telles que l'éolien et le solaire, est cruciale pour la transition énergétique.