Des centrales électriques à émissions zéro

La centrale non polluante n’est plus un mythe. Les filtres de plus en plus sophistiqués éliminent les poussières et autres substances nocives des gaz rejetés. Dans l’avenir, les technologies de production d’électricité élimineront tout rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le perfectionnement des méthodes de mesure et de la distribution de l’électricité contribue également à la propreté de l’air.

Une centrale de gazéification du charbon en République Tchèque. À partir du gaz de synthèse, on obtient du combustible, des produits chimiques et de l’électricité – y compris sans émissions de CO2.

Au 19e siècle, les cheminées des usines crachant une épaisse fumée noire étaient un symbole de la révolution industrielle. Aujourd’hui, elles sont à jamais associées à la pollution et aux contrôles toujours plus stricts.

Les poussières en sont un bon exemple. Les centrales électriques actuelles sont équipées de filtres en tissu ainsi que de gigantesques filtres électrostatiques. Raccordées en série, plusieurs unités filtrantes peuvent ainsi capturer plus de 99% des poussières générées. Les filtres électrostatiques sont constitués de canaux en acier traversés de fils. Une tension de 40 à 100 kV est appliquée entre les fils et les parois, générant un plasma d’électrons et d’ions positifs qui chargent les poussières négativement. Ces dernières sont alors attirées par les parois, auxquelles elles adhèrent  Les filtres sont régulièrement secoués afin de collecter et éliminer les poussières.

Filtres innovants

Wheelabrator, qui fait partie du Groupe Siemens depuis 2005, fabrique des filtres innovants. Cette société possède plus de 90 années d’expérience dans la filtration des émissions. Elle fournit des systèmes aux centrales électriques, fabriques de papier, cimenteries et autres installations industrielles, ainsi que des équipements pour le traitement d’autres substances nocives, telles que l’oxyde d’azote. Ces systèmes fonctionnent selon un processus de réduction catalytique sélective : l’oxyde d’azote est transformé en azote inoffensif à l’aide d’urée. Le catalyseur SINOx, développé par Siemens dans les années 1990,  exploite ce processus pour nettoyer les gaz d’échappement des centrales de production de chauffage et réduire les émissions d’oxyde d’azote des camions diesel.

Cependant, la technologie actuelle ne pourra répondre aux futures réglementations sur les émissions. C’est pourquoi Werner Hartmann de Siemens Corporate Technology (CT), à Erlangen, travaille à l’amélioration de la filtration plasma, l’objectif étant d’augmenter de 20% la rétention des particules de poussières les plus fines. Grâce à de très brèves impulsions haute tension générées toutes les quelques millisecondes, la filtration est bien plus efficace. «Et la consommation d’énergie est réduite de moitié», se félicite Werner Hartmann après des tests pilotes menés dans des aciéries et des centrales électriques. Et cet aspect est capital puisque les filtres d’une centrale de grande envergure peuvent consommer jusqu’à 1 MW.

Mais le plasma peut capturer d’autres substances nocives. L’ozone purifiant l’eau destinée à être bue, est une molécule hautement réactive constituée de trois atomes d’oxygène, qui oxyde les substances nocives, telles que le monoxyde d’azote, le dioxyde de soufre et le mercure, produisant des composés plus faciles à dissocier. Les nouveaux processus au plasma de Siemens offrent une efficacité très élevée pour un coût inférieur à celui des méthodes antérieures. Thomas Hammer de CT, n’a aucun doute sur l’adoption de la technologie au plasma de Siemens, notamment en raison du durcissement des réglementations sur les émissions.

La législation sur la protection de l’environnement implique l’utilisation de méthodes de mesure de plus en plus sophistiquées. Les exploitants de centrales électriques, usines d’incinération et autres installations à combustion doivent effectuer des relevés précis et les consigner. Les polluants courants, notamment le dioxyde de soufre, l’oxyde d’azote et la poussière, sont mesurés toutes les 200 secondes. Dans les usines d’incinération, les produits tels que le mercure et les dioxines sont soumis à une surveillance quotidienne.

Réduire les coûts

Siemens a conçu un appareil d’analyse qui mesure la quantité de lumière infrarouge absorbée par les gaz d’échappement d’une centrale électrique afin de calculer leur concentration en polluants. Plusieurs substances peuvent être analysées simultanément - en général le monoxyde de carbone, le dioxyde de soufre et/ou l’oxyde d’azote - en plus du niveau d’oxygène, qui sert de valeur de référence. Michael Markus, Chef produits des systèmes de mesure des gaz d’échappement chez Siemens Automation and Drives (A&D), à Karlsruhe, révèle que le principe utilisé date de plusieurs décennies. «La véritable innovation de notre appareil est l’amélioration constante de son rapport prix-performances», précise-t-il. Par exemple, l’Ultramat 23, grâce auquel A&D détient près d’un quart du marché de la chromatographie des gaz industriels, ne coûte que 5000 à 11500€ selon ses caractéristiques.

A&D commence également à proposer des systèmes de mesure pour les usines d’incinération. Outre un appareil analysant l’absorption de lumière infrarouge par les gaz d’échappement, la gamme inclut des systèmes de mesure des hydrocarbures et de l’oxygène, ainsi qu’un équipement laser permettant de quantifier l’humidité, le chlorure d’hydrogène et l’ammoniac. Selon Michael Markus, la tendance s’oriente vers l’utilisation d’appareils distincts pour chaque polluant plutôt que de systèmes tout-en-un. «Moins onéreux, ils représentent également un investissement plus sûr au vu du renforcement des réglementations. Et en cas de défaillance de l’un des appareils, l’exploitation de l’installation n’est pas mise en péril.»

Siemens a accompli des progrès remarquables en chromatographie des gaz : les mélanges gazeux sont séparés en quelques minutes, et leurs composants sont mesurés de manière extrêmement précise. Longtemps utilisée à des fins de surveillance et de contrôle dans l’industrie chimique et pétrochimique, la chromatographie des gaz n’en est qu’à ses balbutiements dans la mesure des émissions, car les appareils restent très chers.

Si de nombreux efforts ont été réalisés pour réduire les polluants des gaz d’échappement, les gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone (CO2), posent toujours problème. En plus des mesures visant à l’amélioration du rendement, aux économies d’énergie et à l’utilisation accrue de sources d’énergie renouvelables, il devient urgent de disposer de technologies d’élimination du CO2 produit par les centrales électriques à combustion fossile.

Néanmoins, les centrales à émissions zéro ne relèvent plus de l’utopie. RWE, par exemple, prévoit de construire une centrale de 450 MW sans émissions de CO2 d’ici 2014. Plusieurs pays européens étudient différents procédés de stockage du CO2 dans des dômes de sel ou des gisements de pétrole ou de gaz, notamment dans la mer du Nord.

Mais pour pouvoir séquestrer le CO2, il faut préalablement le séparer des gaz d’échappement via un procédé tel que l’oxycombustion, ou «oxyfuel» : le charbon ou le gaz naturel est brûlé en utilisant de l’oxygène pur, ce qui évite d’ajouter inutilement de grandes quantités d’azote (dont l’atmosphère est constituée aux 3/4), produisant de l’oxyde d’azote au cours de la combustion. Avec le procédé oxyfuel, les gaz d’échappement comprennent principalement du CO2 et de la vapeur. Une fois la vapeur condensée, le CO2 restant peut être pompé vers le sous-sol. Les centrales électriques oxyfuel ne sont aujourd’hui qu’à l’état de projet, mais deux installations pilotes de 30MW devraient entrer en service en 2008, l’une en France, l’autre en Allemagne.

Une combustion complète

Des centrales à gazéification intégrée à cycle combiné (IGCC) sont déjà en exploitation : un combustible, tel que le charbon, est converti, par ajout d’oxygène, en gaz de synthèse - essentiellement du monoxyde de carbone et de l’hydrogène. Ce gaz est purifié, traité et brûlé dans une turbine à gaz afin de produire de l’électricité. Les gaz de combustion chauds sont à leur tour utilisés pour générer de la vapeur, alimentant une autre turbine qui produit, elle aussi, de l’énergie.

Dans une centrale IGCC, le CO2 peut être séparé au cours de la phase de préparation du gaz de synthèse. Cependant, la compression et le stockage du gaz réduisent le rendement d’environ 12%. La centrale sans émissions de CO2 de RWE fonctionnera selon ce principe. Les centrales IGCC peuvent être alimentées avec de la biomasse ou des déchets de l’industrie chimique, et utiliser des résidus de raffinerie pour générer de l’énergie et de la chaleur ou de l’hydrogène.

En mai 2006, Siemens a clairement affiché sa confiance en l’avenir de l’IGCC en faisant l’acquisition de l’activité gazéification du charbon et gaz de synthèse du groupe suisse Sustec. Le gazéificateur de Siemens, qui peut brûler du charbon comme de la biomasse, du coke de pétrole ou encore des résidus de raffinerie, présente un rendement et une durée de vie élevés, ainsi qu’une grande simplicité d’exploitation. Le gaz de synthèse obtenu à l’aide d’oxygène et de vapeur peut être utilisé dans les centrales IGCC ou dans d’autres installations afin de produire des combustibles ou des substances chimiques de synthèse, auparavant dérivés du pétrole brut. En janvier 2007, Siemens a décroché une importante commande en Chine concernant la fourniture de deux gazéificateurs à flux entraîné de 500 MW, capables de produire 830000 tonnes/an d’éthane.

Georg Rosenbauer est responsable du développement des activités liées au changement climatique, chez Siemens Power Generation. Il a étudié la faisabilité technique et économique de différents procédés de séparation du CO2. Selon lui, il est possible de faire passer les coûts de réduction des émissions de CO2 sous la barre des 30 "/tonne en utilisant le processus IGCC avec une séparation du CO2 avant la combustion. Des méthodes alternatives le permettraient également, mais leur avenir reste incertain. Les coûts actuels - environ 16"/tonne de CO2, dans le cadre du programme d’échange des droits d’émissions – sont bien inférieurs à ce chiffre, mais l’application d’objectifs plus sévères les fera inexorablement dépasser les 30 ". La séparation et le stockage du CO2 deviendront ainsi économiquement viables. Entretemps, il faudra envisager d’autres mesures incitatives pour promouvoir cette technologie.

Un second souffle pour le courant continu

Le réseau électrique joue également un rôle clé dans la réduction des émissions. Pour limiter les déperditions d’énergie, les lignes haute tension (HT) transportant le courant alternatif ne devraient pas s’étirer sur plus de quelques centaines de kilomètres, ce qui est concevable dans des pays comme l’Allemagne, mais pas dans des pays aussi vastes que la Chine. Pour raccorder les immenses centrales hydroélectriques implantées à l’intérieur des terres avec les villes côtières, le transport de courant continu haute tension (CCHT) s’avère plus adapté.

À ce jour, Siemens a construit quatre lignes CCHT en Chine, transportant chacune jusqu’à 2 000-3 000 MW, avec des déperditions minimes. « Les lignes CCHT peuvent aussi s’envisager dans le cas de parcs éoliens offshore à plus de 50 km des côtes », affirme Hartmut Huang, Directeur des technologies CCHT et FACTS chez Siemens Power Transmission and Distribution à Erlangen.

Les FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) possèdent des convertisseurs optimisant la stabilité de la circulation du courant. Les lignes aériennes HT d’une tension nominale de 400 kV peuvent donc être exploitées quasiment à leur limite admissible de 420 kV, ce qui réduit considérablement les déperditions. Les lignes à isolation gazeuse supportent des tensions encore plus élevées. Constituées d’aluminium et de cuivre recouverts d’une gaine métallique rigide contenant un mélange isolant d’azote et d’hexafluorure de soufre, elles conviennent au transport aérien ou souterrain de courant continu et alternatif jusqu’à 550 kV, et sont donc idéales pour les sites urbains.

Auteur : Bernd Müller