L'efficacité des centrales à cycle combiné gaz (GTCC) est un paramètre clé dans la réduction des émissions de CO2 et l'amélioration de la rentabilité de la production d'électricité. Chaque amélioration de 1 % de l'efficacité de ces centrales permet de réduire les émissions de CO2 de 5 kg/MWh, soit environ 22 500 tonnes de CO2 pour une centrale de 750 MW fonctionnant 6 000 heures par an. Cette réduction est comparable à l'élimination de 5 000 voitures des routes, un argument fort pour justifier la recherche continue d'améliorations technologiques.

Les performances des centrales à cycle combiné peuvent être maximisées en optimisant les turbines à gaz, comme l'exemple des moteurs à détonation rotative (RDE), qui offrent une approximation pratique de la combustion à volume constant. Cependant, il est important de noter que, selon une analyse thermodynamique rigoureuse, l'efficacité de ces turbines dans des conditions réelles dépasse souvent les prévisions théoriques de manière significative. L'efficacité atteinte par une turbine à détonation rotative, qui peut atteindre 66,4 % en mode de base, est donc souvent sujette à des estimations exagérées.

Dans un cadre plus global, l'analyse des technologies de capture du carbone dans les centrales à gaz et à charbon présente des perspectives intéressantes, bien que non sans défis. Par exemple, une étude menée pour le département britannique des Affaires, de l'Énergie et de la Stratégie industrielle (BEIS) a comparé diverses technologies, y compris le GTCC à gaz naturel avec capture post-combustion, le gazéifieur Allam et les centrales combinées à pile à combustible. Les résultats ont confirmé que la capture post-combustion, utilisant des technologies comme celle développée par Shell (CANSOLV), reste la méthode la plus compétitive pour les centrales au gaz naturel.

Les technologies à charbon, malgré leurs faibles coûts d’exploitation, souffrent d'une empreinte carbone considérablement plus élevée, même après avoir appliqué des systèmes de capture du carbone. Par ailleurs, la biomasse présente des défis similaires, en raison de la hausse des coûts des combustibles et de la faible expérience commerciale avec des chaudières de grande capacité.

Les coûts liés à la capture du carbone (CAPEX et OPEX) jouent également un rôle déterminant dans le choix des technologies. Par exemple, les coûts d'installation et d'exploitation d'un système de capture post-combustion sur une centrale GTCC au gaz naturel sont nettement inférieurs à ceux des technologies à charbon, ce qui rend le gaz naturel une option plus attractive sur le long terme. Cela explique pourquoi les centrales GTCC à gaz naturel avec capture post-combustion occupent une position dominante dans les classements de rentabilité énergétique, en particulier lorsqu'elles sont comparées aux centrales à charbon ou à biomasse.

L'optimisation des systèmes de capture, tels que l'utilisation d'amines comme la monoéthanolamine (MEA), a permis de réduire les coûts de CAPEX et OPEX, tout en améliorant les performances. Ces améliorations rendent les technologies de capture du carbone plus accessibles et plus efficaces, renforçant ainsi la compétitivité du gaz naturel par rapport aux autres sources d'énergie fossile. De plus, la capture du carbone constitue une étape cruciale dans la lutte contre le changement climatique, en permettant de réduire l'empreinte carbone des centrales électriques tout en continuant à exploiter les combustibles fossiles.

Pour une transition énergétique efficace, il est primordial de comprendre non seulement les avantages des technologies actuelles mais aussi les défis associés à leur déploiement à grande échelle. L'amélioration continue des performances des turbines et des technologies de capture, ainsi que l'intégration de solutions innovantes comme les piles à combustible hybrides, sont des pistes essentielles pour atteindre des objectifs de décarbonation ambitieux. Les résultats des études montrent clairement que, bien que certaines technologies comme le charbon et la biomasse puissent avoir un faible coût initial, elles échouent à long terme en raison de leur impact environnemental plus élevé. Le gaz naturel, avec des systèmes de capture du carbone de plus en plus efficaces, semble être une option viable pour l'avenir énergétique.

Pourquoi continuer à investir dans la capture post-combustion du CO2 ?

Dans le domaine de la réduction des émissions de gaz à effet de serre, la capture et le stockage du carbone (CSC) constituent des technologies cruciales, particulièrement dans le cadre des centrales électriques utilisant des combustibles fossiles. Malgré les obstacles rencontrés lors de leur mise en œuvre, ces technologies continuent d'être explorées et développées. Prenons l'exemple de plusieurs projets qui ont été lancés dans le but de capturer le dioxyde de carbone (CO2) émis par des centrales à charbon ou à gaz, souvent dans le cadre d'initiatives gouvernementales et industrielles visant à atténuer les effets du changement climatique.

L'un des premiers exemples significatifs de capture post-combustion est le projet Petra Nova, situé au Texas, aux États-Unis. Ce projet, lancé avec un grand optimisme, visait à capturer environ 1,6 million de tonnes de CO2 par an, soit 90 % des émissions de CO2 générées par la centrale à charbon. Cependant, après trois ans d'opération, le projet n'a capturé que 1,3 million de tonnes, soit 20 % de moins que prévu. Ce retard a été attribué à une série de problèmes mécaniques et à une disponibilité de l'équipement d'environ 40 % du temps, malgré le fait que la technologie utilisée ait démontré son efficacité dans des conditions normales de fonctionnement. Un tel retard a eu des répercussions économiques importantes, car le CO2 capturé devait être vendu à des clients pour l'extraction assistée de pétrole (EOR), mais le volume non capturé a entraîné des pertes financières et des pénalités contractuelles.

Un autre projet similaire s'est déroulé à la centrale Boundary Dam de SaskPower, située au Canada. Ici, une unité de la centrale a été équipée d'une technologie de capture basée sur une solution aminée pour capturer 90 % des émissions de CO2. Le coût de la mise en place de cette technologie a été estimé à 600 millions de dollars canadiens (environ 435 millions de dollars américains à l'époque), soit 3 750 dollars par kilowatt. Le CO2 capturé était ensuite transporté par pipeline vers des champs pétrolifères voisins pour l'EOR. Cependant, ce projet a également rencontré des difficultés techniques, notamment un écart entre la quantité de CO2 capturé et celle attendue. Au lieu de la cible d'un million de tonnes de CO2 capturées chaque année, seulement 400 000 tonnes ont été obtenues, entraînant des pertes de revenus et des renégociations de contrats. En 2018, SaskPower a décidé de ne pas poursuivre l'adaptation des autres unités de la centrale avec la technologie de capture du carbone, mettant en évidence les défis économiques et techniques associés à de tels projets.

Malgré ces défis, la technologie de capture post-combustion reste une solution potentiellement viable, en particulier pour les centrales électriques utilisant des turbines à gaz à cycle combiné (GTCC). Ces centrales, qui sont déjà parmi les plus efficaces en termes d'émissions de CO2, peuvent bénéficier de l'ajout de technologies de capture du carbone pour atteindre des niveaux d'efficacité encore plus élevés. En effet, bien que les projets de capture du carbone à grande échelle aient souvent été confrontés à des problèmes économiques et techniques, le fait que ces technologies puissent être intégrées à des installations existantes représente un avantage considérable. Cela permettrait de réduire les émissions de CO2 tout en utilisant des infrastructures déjà en place.

Un aspect essentiel pour comprendre l'importance de la capture post-combustion réside dans la flexibilité qu’elle offre. Contrairement à d'autres solutions comme la capture avant combustion, qui nécessite des modifications importantes des processus de combustion, la capture post-combustion peut être mise en œuvre sur des installations existantes sans changements majeurs dans leur fonctionnement. Cela permet à de nombreuses installations de continuer à fonctionner tout en réduisant leur empreinte carbone. C'est un des principaux arguments en faveur de la capture post-combustion : elle offre une réponse aux besoins immédiats en matière de réduction des émissions tout en étant potentiellement moins coûteuse et plus rapide à déployer que d'autres solutions.

Toutefois, il est important de noter que la capture du CO2 à grande échelle reste un défi complexe. Les problèmes rencontrés par des projets comme Petra Nova ou Boundary Dam soulignent non seulement la difficulté technique de ces entreprises, mais aussi les contraintes économiques associées à leur déploiement. La rentabilité de ces projets dépend non seulement de l’efficacité des technologies de capture mais aussi des prix du carbone, des coûts de maintenance et des infrastructures nécessaires pour transporter et stocker le CO2. En outre, le marché des produits dérivés du CO2 capturé, comme le dioxyde de soufre ou les cendres volantes, doit être suffisamment développé pour rendre ces projets financièrement viables.

Les investissements dans la recherche et le développement de technologies de capture du carbone continueront de jouer un rôle clé dans la transition énergétique. L’un des principaux enseignements à tirer des projets passés est qu’il est crucial d’adopter une approche réaliste et de ne pas sous-estimer les défis techniques et économiques. En outre, il est essentiel de maintenir un soutien gouvernemental et une collaboration entre l'industrie et les institutions de recherche pour faire progresser cette technologie vers une commercialisation à grande échelle. La viabilité économique de la capture post-combustion dépendra également des politiques climatiques, des réglementations sur les émissions de carbone et des incitations financières qui peuvent encourager les investissements dans des solutions basées sur la réduction du carbone.

L'impact des choix énergétiques : l'exemple de l'Allemagne et de la France dans la transition énergétique mondiale

Il est étonnant de constater que malgré une capacité installée en énergies renouvelables de plus de 100 GWe, les émissions de CO2 de l'Allemagne étaient près de huit fois plus élevées que celles de la France. En fermant ses centrales nucléaires précipitamment, l'Allemagne a sans doute cru qu'elle faisait un grand pas pour la planète et pour elle-même. Mais une telle décision, loin de protéger l'environnement, a en réalité entraîné des effets secondaires non négligeables, mettant en lumière les complexités et paradoxes des transitions énergétiques.

Lors des années 1970, à l'apogée de l'énergie nucléaire, celle-ci a eu un impact négatif inattendu sur la consommation de combustibles fossiles. Au lieu de réduire la production d'énergie à base de charbon, comme cela était initialement prévu, l'expansion de l'énergie nucléaire a conduit à une augmentation de l'extraction du charbon. En particulier, les centrales thermiques de la TVA, alimentées par le charbon extrait en surface, fournissaient l'énergie nécessaire à l'enrichissement de l'uranium pour la production de carburant nucléaire. Ce paradoxe, où la recherche de solutions plus propres a paradoxalement contribué à augmenter l'empreinte carbone, soulève une question centrale dans la lutte contre le réchauffement climatique : comment éviter qu'une solution en apparence bénéfique ne devienne une cause de pollution accrue ?

L'exemple de l'Allemagne est révélateur des tensions inhérentes à la transition énergétique. Les gouvernements, souvent pressés de démontrer des résultats immédiats, prennent parfois des décisions qui, à court terme, paraissent bénéfiques, mais qui se révèlent avoir des effets à long terme négatifs. Cette situation n'est pas unique à l'Allemagne. Elle se reflète également dans l'augmentation de la consommation d'essence malgré la multiplication des véhicules à faible consommation de carburant. En effet, l'amélioration de l'efficacité énergétique incite les consommateurs à prendre davantage leur voiture, en réduisant leur conscience des coûts. De manière similaire, la fabrication et la mise en place d'infrastructures pour des énergies renouvelables telles que les éoliennes et les panneaux solaires peuvent entraîner une consommation énergétique accrue, qui ne peut être satisfaite que par une augmentation de l'utilisation des énergies fossiles.

Ainsi, bien que la production d'énergies renouvelables soit essentielle pour réduire les émissions de CO2, il est crucial de comprendre qu'une croissance exponentielle de la capacité de production peut avoir des effets opposés à ceux escomptés. Les matériaux nécessaires à la fabrication des éoliennes et des panneaux solaires, tels que l'acier et le béton, représentent des quantités énormes de ressources, dont l'extraction et le traitement génèrent des émissions importantes. Il est donc indispensable de repenser la manière dont les technologies vertes sont déployées pour éviter que l'impact écologique de leur production ne compense les bénéfices qu'elles pourraient apporter en termes de réduction des émissions.

Dans cette dynamique, l'adoption d'une approche "open access" à la technologie, comme le suggère la CRI (Critical Readiness Indicator), pourrait accélérer le déploiement des meilleures technologies disponibles tout en réduisant les coûts de construction et en augmentant l'efficacité opérationnelle. L'exemple des technologies d'absorption chimique à base d'amines pour la capture du CO2 montre qu'une stratégie bien pensée peut permettre de compenser les pénalités de rendement énergétique par des efforts concertés pour limiter la consommation d'énergie et améliorer l'efficacité énergétique à l'échelle des utilisateurs.

Cependant, une telle démarche ne peut se faire sans une coordination mondiale. Dans un monde globalisé, chaque pays doit assumer sa part de responsabilité, et cette responsabilité ne peut pas être déléguée à quelques nations développées. Si un seul pays fait des progrès significatifs dans sa transition énergétique tandis que d'autres continuent sur la voie de la croissance sans limites, tous les efforts seront rapidement annulés par les émissions des pays réfractaires. Ce n'est qu'en travaillant collectivement, au sein d'une vision partagée, que le monde pourra véritablement espérer inverser la tendance du réchauffement climatique.

L'exemple de la Seconde Guerre mondiale, où les États-Unis ont joué un rôle déterminant à eux seuls, ne trouve pas d'équivalent dans la lutte actuelle contre le changement climatique. Aucun pays, même le plus puissant, ne pourra résoudre seul ce défi global. C'est pourquoi il est nécessaire que tous les pays, riches ou pauvres, se concertent pour définir un plan d'action commun, accompagné de mesures contraignantes. L'investissement et les avancées réalisés dans les pays de l'OCDE peuvent être facilement annulés par la persistance de la production d'énergie à partir du charbon dans certains pays en développement.

Le secteur de l'énergie n'est qu'une partie du problème. L'ensemble des secteurs industriels doivent être pris en compte dans la lutte contre le réchauffement climatique. Si des progrès sont réalisés dans le secteur énergétique mais que d'autres secteurs continuent à émettre massivement du CO2, l'effort sera vain. Par exemple, entre 2013 et 2019, l'Europe a réussi à réduire de 30% les émissions de CO2 dans le secteur de la production d'énergie, mais cette réduction a été en grande partie compensée par une augmentation de 27% des émissions du secteur de l'aviation. Ce phénomène illustre la nécessité d'une approche intégrée où tous les secteurs travaillent de concert pour atteindre les objectifs climatiques.

La question du financement est souvent soulevée dans ce contexte. Les opposants à l'idée d'une action gouvernementale rapide font valoir que les pays en développement ont également le droit de croître économiquement, tout comme les pays riches. Cependant, il est essentiel de comprendre que l'idée d'une croissance infinie est une illusion. La planète ne peut pas supporter un tel rythme de développement, surtout si celui-ci repose sur des ressources limitées et polluantes. L'exemple des guerres en Irak et en Afghanistan, dont le coût pour les contribuables américains pourrait atteindre 2,4 trillions de dollars, montre qu'il existe des fonds considérables dans les coffres publics et privés. Ces ressources devraient être orientées vers des projets bénéfiques pour l'ensemble de l'humanité, et non vers des dépenses militaires ou spéculatives.

En somme, les technologies nécessaires pour lutter efficacement contre le changement climatique sont déjà disponibles. Ce n'est pas la recherche de nouvelles inventions qui est cruciale, mais leur déploiement à grande échelle. Toutefois, un système économique axé sur des rendements à court terme, privilégiant les intérêts privés, ne pourra pas soutenir les investissements nécessaires à cette transition. La lutte contre le changement climatique nécessite une révision en profondeur de nos priorités économiques et une coopération internationale sans précédent.

Comment évaluer la préparation commerciale des technologies énergétiques émergentes ?

Les technologies énergétiques émergentes font face à des défis considérables lorsqu'elles passent du stade de laboratoire à celui de l'industrialisation. L'un des principaux critères utilisés pour évaluer cette progression est le niveau de préparation technologique, ou Technology Readiness Level (TRL). Ce système, développé par la NASA et largement adopté par les agences gouvernementales telles que le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), permet de classifier les technologies en fonction de leur maturité. Cependant, bien que le TRL mesure principalement l'aspect technique, il ne suffit pas à évaluer la réussite commerciale d'une technologie. C’est là qu’entre en jeu l'indice de préparation commerciale (Commercial Readiness Index, CRI).

Le CRI va au-delà de l’évaluation technique en prenant en compte plusieurs facteurs, notamment la compétitivité du marché, le coût du capital, le temps de retour sur investissement et les risques associés aux premières applications commerciales (First of a Kind, FOAK). Ainsi, le CRI se compose de six niveaux qui vont de la proposition commerciale hypothétique (CRI 1) à une classe d'actifs bancables (CRI 6). Cette approche permet de mieux comprendre non seulement la faisabilité technique d'une technologie mais aussi sa capacité à s’imposer sur le marché.

Pour illustrer l’importance du CRI, il suffit de regarder l’exemple de la technologie photovoltaïque (PV) en Allemagne. En 1998, cette technologie, bien que vieille de plusieurs décennies, a atteint le niveau de CRI 3, ce qui signifie qu'elle était en train de se commercialiser à une échelle réduite, mais encore largement dépendante du soutien gouvernemental. Ce n'est qu'en 2004, avec la mise en place d'une tarification de rachat (Feed-In Tariff, FIT), que le marché a commencé à se développer à grande échelle. Malgré sa simplicité relative, avec des composants peu coûteux et sans pièces mobiles, l'industrialisation du PV a nécessité près de deux décennies supplémentaires pour atteindre un CRI de 6, moment où la technologie est devenue une classe d'actifs bancables.

Le passage d'une technologie pilote à une technologie commercialisable à grande échelle n'est cependant jamais linéaire. L’échelle de production joue un rôle crucial, notamment en ce qui concerne la dynamique des fluides, la thermodynamique, et la sélection des matériaux. Par exemple, dans le cas des centrales électriques utilisant des turbines sCO2 (supercritique CO2), des défis de taille apparaissent lorsque l’on passe d’une échelle de démonstration à une échelle industrielle. Les changements dans le comportement des fluides et les taux de transfert thermique peuvent entraîner des ajustements significatifs dans la conception et le dimensionnement des équipements. Ces ajustements sont parfois imprévisibles et peuvent même remettre en question les choix technologiques initiaux.

Un autre aspect à prendre en compte dans l'évaluation de la maturité commerciale est le financement. Les technologies émergentes dans le secteur de l’énergie, en particulier celles liées à la capture du carbone, nécessitent des investissements importants en raison des risques associés aux premières applications commerciales. Dans ces cas, le CRI peut aider à structurer les attentes des investisseurs et à réduire l'incertitude. Par exemple, un projet de capture de carbone à base de solvants aminés, bien qu'ayant passé les étapes de validation technique, reste largement dépendant de subventions publiques pour ses essais à grande échelle. Cette situation peut amener à une "zone d’ombre" en ce qui concerne l’adoption réelle de la technologie à un stade commercial.

Il est donc essentiel de comprendre que l’évolution d'une technologie vers son adoption commerciale n'est pas uniquement liée à sa performance technique, mais aussi à des facteurs externes tels que la politique publique, les incitations financières et la concurrence du marché. Une technologie peut parfaitement être prête sur le plan technique, mais rencontrer de nombreuses barrières à son déploiement commercial si le soutien nécessaire n’est pas présent.

Le passage de la phase de démonstration à celle de commercialisation nécessite une évaluation précise de la maturité non seulement des technologies elles-mêmes, mais aussi des infrastructures qui les accompagnent. Il est ainsi impératif de prendre en compte les changements possibles dans la chaîne d'approvisionnement, les coûts d'exploitation, les dynamiques de marché et les évolutions réglementaires lors de l’évaluation du potentiel commercial d'une nouvelle technologie.

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