Extinction des appareils électroniques avant de pénétrer dans le bâtiment Laurite. Philippe entre en premier, avec un détecteur de gaz. Responsable de la sécurité sur le site IFP Énergies nouvelles (Ifpen) de Solaize, près de Lyon, il s’assure qu’aucune molécule susceptible de déclencher une explosion à la moindre étincelle n’est présente dans l’air. La voie est libre pour allumer les appareils photo et prendre quelques clichés des entrelacs de conduites qui longent l’allée centrale. Ici sont installées plusieurs unités pilotes qui testent des procédés développés en interne. Certaines, en fonctionnement, bourdonnent. D’autres, en maintenance, subissent les assauts des visseuses.
L’unité que nous venons voir est la 544 : un mini-pilote de plusieurs mètres de hauteur. « Elle a permis de valider pré-industriellement comment nous allons capter le CO2 sur les hauts-fourneaux du site ArcelorMittal de Dunkerque », explique Vania Santos-Moreau, ingénieure de recherche à l’Ifpen. Baptisé 3D (pour DMX Demonstration in Dunkirk), il servira à tester, à l’échelle du démonstrateur et en conditions réelles, le procédé DMX. Breveté et issu de dix ans de recherches, il sera commercialisé par Axens. Après la phase d’ingénierie, la mise en service est prévue à l’été 2021.
Regain d'activité depuis deux ans
Le captage et le stockage du CO2 (CCS) reprennent du service à l’Ifpen. « L’activité s’était calmée en 2013, relate Florence Delprat-Jannaud, la responsable des programmes CCS. Mais depuis deux ou trois ans, je suis contactée par beaucoup d’industriels qui me demandent si nous avons des solutions. »« C’est un levier actionnable à court terme pour réduire les émissions de CO2 dans l’atmosphère, assure François Kalaydjian, le directeur économie et veille à l’Ifpen. Et aujourd’hui, il faut agir vite. »
Les appels viennent principalement de sidérurgistes et de cimentiers. « Les chimistes sont aussi très intéressés, mais pour eux, c’est plus difficile », indique Florence Delprat-Jannaud. En effet, leurs sites, de petite taille, sont disséminés dans toute la France, et la composition des fumées change d’un site à l’autre. Or l’efficacité et la durée de vie des solvants généralement utilisés pour absorber le CO2 au contact des fumées dépendent de la composition de celles-ci. « Nous devons travailler sur l’intégration des procédés de captage sur des sites de différentes tailles et leur adaptation à chaque installation. »
Réduire les coûts du captage avec un solvant démixant
L’enjeu principal des travaux sur le captage de CO2 réside dans la baisse de son coût, à la fois en termes d’infrastructures et d’énergie consommée. D’autant que le captage peut représenter 70 % des dépenses de la chaîne CCS dans laquelle sont inclus le transport et le stockage. Les coûts visés par le procédé DMX sur des hauts-fourneaux se situent entre 30 et 40 euros par tonne de CO2 évitée, contre 50 euros avec les méthodes existantes, selon les estimations, précise Florence Delprat-Jannaud. « Cela permettra de lancer un premier déploiement industriel, espéré pour 2025. Mais il faudra continuer à baisser les coûts, notamment en travaillant sur les solvants », ajoute-t-elle.
Les économies réalisées avec le procédé DMX résultent de la réduction de l’énergie consommée pour capter le CO2 : - 30 à - 40 % par rapport aux procédés avec des solvants traditionnels. Comment ? Via un solvant démixant : initialement composé d’une seule phase, il se décompose en deux phases après le passage de la fumée chargée en CO2. Grâce à un pouvoir de captation du CO2 très important, une des molécules du mélange forme une phase très riche en CO2. L’autre phase n’en contient pas. Résultat : seule la phase riche en CO2 nécessite d’être régénérée grâce à de la vapeur à 160 °C pour en extraire le gaz avant d’être réutilisée. « Les solvants démixants sont étudiés dans d’autres travaux pour capter du CO2 mais n’ont jamais été utilisés à l’échelle industrielle, affirme Vania Santos-Moreau. Nous sommes les plus avancés sur ce projet. »
500 kg/h de CO2 pour le démonstrateur à installer sur le site d'ArcelorMittal
Face à une vue du ciel du site dunkerquois d’ArcelorMittal affichée sur le mur, Vania Santos-Moreau invite à imaginer le futur démonstrateur et sa colonne de 25 m de hauteur. Celle-ci sera installée sur une plate-forme bétonnée, rasée, agrandie et située à proximité d’un tuyau où circulent les gaz sidérurgiques. « Ce conduit fait 2 m de diamètre, avertit Éric Lemaire, chargé de l'équipe qui travaille sur le captage du CO2 à Solaize. Nous viendrons nous y brancher pour récupérer les fumées. » Le but : capter 500 kg de CO2 par heure (kg CO2/h) dans des conditions industrielles, avec les aléas de l’usine, son rythme et ses fumées, dont la composition peut varier. Un changement de taille par rapport aux 0,2 kg CO2/h captés sur l’unité 544 dans des conditions maîtrisées.
À quelques mètres de là, le bâtiment Kernite abrite l’imposante unité pilote d’un autre procédé développé pour faciliter le captage du CO2. Derrière les protections calorifuges, les réacteurs qui permettent de réaliser une oxycombustion en boucle chimique (CLC, pour chemical looping combustion). Mis au point grâce à cette unité de 10 kilowatts, le procédé sera déployé à une échelle de 3 mégawatts en Chine, dans le cadre du projet Cheers (Chinese european emission reducing solutions). « C’est la dernière étape avant le déploiement industriel », déclare Stéphane Berthelot, ingénieur de recherche à l’Ifpen et responsable du projet.
Le procédé CLC part d'une combustion sous oxygène pur
Contrairement au procédé DMX, qui se greffe sur une installation existante pour traiter ses fumées, le procédé CLC vise à changer les conditions dans lesquelles se déroule la combustion d’une charge. Plus précisément, il s’agit de brûler charbon, gaz ou biomasse non pas dans de l’air – composé en majorité à 78 % d’azote et 21 % d’oxygène –, mais dans de l’oxygène pur pour n’avoir que du CO2 et de l’eau dans la fumée émise. « L’azote est difficile à séparer du CO2, pointe Stéphane Berthelot. En le supprimant du milieu où a lieu la combustion, les fumées en sortie ne sont composées que de CO2 et d’eau qui sont très faciles à séparer. Il suffit de refroidir l’eau et de la condenser. »
Le circuit d’alimentation en oxygène commence dans un réacteur où une poudre de métal est oxydée à 1 000 °C au contact d’air. La très haute température permet d’accélérer l’oxydation. L’oxyde métallique ainsi créé est envoyé dans la chambre de combustion, où il délivrera l’oxygène qu’il porte, par un mécanisme de « lit-fluidisation ». Utilisé dans le raffinage, dans la fabrication d’essence notamment, ce mécanisme consiste à injecter un gaz dans un lit de poudre pour mettre en mouvement la poudre. Le nuage de particules présente alors un comportement proche de celui d’un fluide et peut être transporté.
En Chine, le projet Cheers consiste à tester le procédé CLC sur une chaudière à charbon pour la production de vapeur. Il pourrait également être appliqué, ou adapté, à d’autres industries, remarque Stéphane Berthelot. « Notre partenaire Total envisage de l’utiliser pour alimenter ses raffineries en chaleur et en électricité. Et une version de ce procédé pourrait être développée pour les cimentiers, en utilisant du calcium à la place de l’oxyde métallique. Mais ce n’est pas l’objectif que nous visons en premier à l’Ifpen. »
Maquettes froides
Plus grandes que les unités pilotes, des maquettes froides ont été réalisées pour les procédés DMX et CLC. Situées dans un bâtiment à part, les colonnes imposantes permettent d’effectuer des tests à plus grande échelle, mais dans des conditions simplifiées. Ici, aucun solvant ou autre produit toxique n’est utilisé. Les tests sont réalisés avec de l’air et de l’eau, voire quelques composés traceurs. Et les conditions de pression et de température sont bien plus basses. « À cette échelle, cela nous coûterait trop cher de faire les tests en conditions réelles, souligne Éric Lemaire. Mais cette étape est nécessaire pour dimensionner les flux des gaz, des particules et des solvants. Nous faisons ensuite des simulations numériques et des extrapolations pour dimensionner l’unité industrielle. »
Dans les démonstrateurs des projets Cheers et 3D, le CO2 capté sera remis à l’atmosphère ou réinjecté dans les gaz sidérurgiques. Si l’expérience se révèle concluante et qu’un déploiement à l’échelle industrielle est décidé, le CO2 pourrait être transporté, stocké, utilisé comme tel ou transformé. L’un des objectifs du projet 3D est notamment de concevoir un futur pôle européen Dunkerque-mer du Nord, qui réunirait plusieurs industriels émetteurs de CO2. L’objectif : capter, conditionner, transporter et stocker 10 millions de tonnes de CO2 par an. Florence Delprat-Jannaud songe au projet Northern Lights, en cours de caractérisation au large de la Norvège. « Avec un déploiement industriel du procédé DMX en 2025, nous serions en phase. »
Les microalgues raffolent non seulement de la lumière mais aussi du dioxyde de carbone (CO2) pour se développer par photosynthèse. C’est pourquoi certains industriels étudient la possibilité de les utiliser pour réduire leurs émissions de CO2 et en tirer de nouveaux produits. Dans le cadre du projet Cimentalgue, un démonstrateur industriel sera installé sur la cimenterie de Vicat à Montalieu (Isère), pour trouver comment maximiser la production de microalgues par la capture du CO2 des fumées de l’usine. Les souches utilisées seront destinées à fabriquer des compléments alimentaires ou des biocarburants. « Nous sommes en phase de conception. La construction débutera cette année et sera suivie de deux ans d’opération et de plusieurs mois d’analyses, précise Marie Godard Pithon, la directrice adjointe chargée des performances industrielles chez Vicat. Lancé en 2016, le projet Vasco 2 a permis de valider la culture de microalgues en eau douce à partir des fumées industrielles brutes émises par Kem One, ArcelorMittal et Solamat-Merex sur la zone industrialo-portuaire de Fos-Sur-Mer (Bouches-du-Rhône). Au vu des résultats, les partenaires envisagent l’étape d’après, le projet Vasco 3, qui prévoit des cultures de plusieurs hectares pour produire des biocarburants.
