FR2982169A1 - Procede de captation de co2 par un solvant aux amines avec regeneration du solvant par utilisation d'une source geothermale - Google Patents

Abstract

La présente invention décrit un procédé de captation de CO2 mettant en oeuvre un solvant aux amines et comportant une étape de régénération de la dite amine dans une colonne à distiller, dite colonne de régénération, dans lequel la chaleur nécessaire au fonctionnement de ladite colonne de régénération provient d'une source géothermale à température comprise entre 30°C et 200°C.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La maîtrise des rejets de gaz à effet de serre, notamment le CO2, est devenue une nécessité pour en atténuer les effets maintenant bien établis sur le réchauffement climatique. Une des principales sources de CO2 issu de l'activité humaine est la combustion d'hydrocarbures tel que le gaz naturel, le charbon ou le pétrole pour obtenir de la chaleur. Il est alors intéressant de recourir à des sources d'énergie de substitution telles que l'énergie géothermale grâce à laquelle le seul CO2 émis est celui lié à sa mise en oeuvre, et n'est plus directement lié à la production de chaleur. Cette notion est capitale dans le but de réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Ainsi, la chaleur contenue dans la croûte terrestre, dite géothermie ou chaleur géothermale, constitue une source d'énergie propre, sans rejet de gaz à effet de serre, et virtuellement disponible partout. La température s'élève à mesure que l'on descend dans la croûte terrestre. Il existe cependant des particularités géologiques qui font que l'on peut distinguer plusieurs cas : les cas à haute énergie : la température est supérieure à 200 °C les cas à moyenne énergie : la température est supérieure à 70 °C un cas à basse énergie : la température est comprise entre 30 et 70 °C les cas très basse énergie : la température est inférieure à 30 °C Ces gammes de températures intéressent particulièrement la famille des procédés de séparation par distillation, notamment dans le cas de la régénération de solvants. En effet, dans le cas des mélanges liquides aqueux ou de solvants légers, les températures d'ébullition correspondent assez bien à la gamme des températures disponibles par la géothermie. Dans le cas où cette chaleur géothermale est disponible à haute température de 100 à 200°C, la chaleur peut être utilisée directement dans le rebouilleur d'une colonne à distiller.

Dans le cas où la chaleur est disponible à basse température, c'est à dire de l'ordre de 80° C ou moins, ce niveau de température n'est pas suffisant pour beaucoup de procédé, à l'exception de certaines distillations comme la séparation des coupes C3, ou encore la distillation de l'éthanol. On peut alors associer le flux issu de la source géothermale à une pompe à chaleur qui, pour une dépense énergétique limitée, va pouvoir produire un flux à une température supérieure, de l'ordre de 150°C par exemple.

Outre la distillation, les températures atteintes par relevage de la température du flux géothermal intéressent particulièrement les procédés de captage du CO2 par absorption dans une solution d'amine. Le procédé de captation du CO2 par lune solution d'amine fait partie de l'art antérieur.

La solution d'amine se charge en CO2 par réaction de l'amine avec le CO2 pour former des carbonates. Pour régénérer l'amine, il est nécessaire de chauffer le mélange à une température de l'ordre de 100°C à 150°C de manière à convertir à nouveau les carbonates en CO2 gazeux, ceci dans une colonne à distiller dite colonne de régénération. Cette régénération thermique est très consommatrice d'énergie. La chaleur nécessaire à la régénération de la solution d'amine (appelé quelquefois amine par simplification) est habituellement fournie par condensation de vapeur basse pression dans le rebouilleur de la colonne de régénération. Cette vapeur est généralement issue d'une combustion d'hydrocarbures et est donc à nouveau génératrice de CO2. Dans le cas particulier où l'on considère une centrale électrique fonctionnant par combustion d'hydrocarbures (centrale dite "thermique") et dont on capte les émissions de CO2 par un procédé aux amines, la vapeur nécessaire à la régénération de l'amine est extraite du cycle vapeur de la centrale. Cela conduit à une perte de rendement électrique pour la centrale qui peut aller jusqu'à 30 %. La température à laquelle cette vapeur nécessaire à la régénération de l'amine est opérée, est 20 généralement de l'ordre de 120 °C, c'est à dire du même ordre de grandeur que les températures que l'on peut mettre en oeuvre à partir d'une source géothermale en faisant au besoin appel à un relevage par un circuit de pompe à chaleur. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES 25 La figure 1 illustre un schéma du procédé selon l'invention dans sa variante dite "directe" qui met en communication directe le fluide géothermale (1) issu de la source géothermale (3000) avec le rebouilleur (2000) de la colonne de régénération d'amine (1000). La figure 2 illustre un schéma du procédé selon l'invention dans sa variante dite "indirecte" 30 qui fait appel à un fluide caloporteur intermédiaire (2) mis en relation avec le fluide géothermale (1) au moyen d'un circuit comportant une pompe à chaleur (4000).

La figure 3 est un schéma qui précise le circuit du fluide caloporteur intermédiaire (2) comportant la pompe à chaleur (4000), circuit faisant appel à un échangeur (4002) et un compresseur (4003).

La figure 4 est un schéma du procédé selon l'invention dans une variante qui fait appel à deux fluides caloporteur intermédiaires, l'un mis en oeuvre dans un circuit comportant l'échangeur (4012) et le compresseur (4013), l'autre mis en oeuvre dans un circuit comportant l'échangeur (4002) et le compresseur (4003).

DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention décrit un procédé qui associe le captage de CO2 mettant en oeuvre un solvant régénérable thermiquement entre 50°C et 150°C, et préférentiellement entre 100°C et 130°C, par exemple, la monoéthanolamine (MEA), la diéthanolamaine (DEA), methyldiéthanolamine (MDEA), avec une source de chaleur géothermale, de telle façon que la quantité de CO2 évité soit maximisée et que l'impact sur le rendement des procédés associés soit le plus faible possible. On définit le CO2 évité comme la différence entre les émissions initiales de CO2 sans dispositif de réduction des émissions, et les émissions résiduelles du procédé incluant un dispositif de réduction des émissions de CO2. Le CO2 évité est donc réellement le CO2 qui n'est plus émis dans le procédé incluant un dispositif de captation de CO2. Le CO2 capté est généralement comprimé en sortie d'unité pour être transporté à l'état supercritique vers un site de stockage. Les sites de stockage considérés pour le stockage géologique du CO2 sont généralement des aquifères salins qui se situent dans la couche géologique dite du "dogger". C'est dans ce type de formations géologiques, à plus de 1500 m de profondeur, que l'on rencontre des températures d'eau supérieures à 70°C. Le puits creusé pour le stockage du CO2 peut alors aussi servir à la circulation de l'eau utilisée pour transporter la chaleur géothermale, améliorant ainsi la rentabilité de l'ensemble par association des fonctions. Plus précisément, la présente invention peut se définir comme un procédé de captation de CO2 30 mettant en oeuvre un solvant aux amines et comportant une étape de régénération du solvant aux amines dans une colonne à distiller, dite colonne de régénération, dans lequel la chaleur nécessaire au fonctionnement de ladite colonne de régénération provient d'une source géothermale à température comprise entre 30°C et 200°C. Selon une première variante du procédé de captation du CO2 selon l'invention, lorsque la température de la source géothermale est supérieure à 100°C, le fluide caloporteur amenant ses calories au rebouilleur (2000) de la colonne de régénération (1000) est directement le fluide caloporteur géothermal (1). Selon une seconde variante du procédé de captation du CO2 selon l'invention, lorsque la température de la source géothermale est inférieure à 100°C, le fluide caloporteur amenant ses calories au rebouilleur (2000) de la colonne de régénération (1000) est un fluide intermédiaire (2) qui prélève ses calories à la source géothermale (3000) et les restitue au rebouilleur (2000) de la colonne de régénération par l'intermédiaire d'au moins un circuit de pompe à chaleur (4000) qui permet de remonter son niveau thermique à la valeur nécessitée par la colonne de régénération .

Dans la seconde variante du procédé selon l'invention faisant appel à un fluide caloporteur intermédiaire (2), ledit fluide intermédiaire (2) est généralement un hydrocarbure léger comportant 2 à 7 atomes de carbone comportant ou non des ligands hétéro atomiques. De façon préférée, le fluide intermédiaire (2) est du propane, du butane, du pentane, de l'hexane, de l'heptane ou un mélange quelconque de ces cinq composés.

De façon également préférée, le fluide caloporteur intermédiaire (2) est un alcool ou un diol ayant un squelette carboné comportant de 1 à 7 atomes de carbone. De façon plus précise, le procédé de captation du CO2 selon l'invention dans la seconde variante faisant appel à un fluide caloporteur intermédiaire (2), se décrit selon les 3 étapes suivantes: -a) le flux de fluide caloporteur (2) (600) provenant de l'échangeur (4002) après une mise en pression réalisée dans le compresseur (4003), échange sa chaleur au niveau du rebouilleur (2000) et devient le flux (601) à l'état liquide et sous pression. -b) le flux liquide (601) est détendu dans la vanne (4001), et se vaporise partiellement pour devenir le flux (602), de telle sorte que sa température et son point d'ébullition sont inférieurs 30 à la température du fluide caloporteur 1 (500) provenant du gisement géothermal, -c) le fluide caloporteur 2 (602) se vaporise totalement , et est surchauffé, (603) au contact du fluide caloporteur 1 (500) dans l'échangeur (4002) pour devenir le flux (603) à basse pression, dont la pression est remontée dans le compresseur (4003) pour revenir à l'étape a) du cycle.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La présente invention consiste en une mise en oeuvre de l'énergie géothermale disponible dans un site géologique en vue d'assurer les besoins thermiques du rebouilleur d'une colonne de régénération d'amine faisant partie d'un procédé de captation du CO2 contenu par exemple dans des fumées de combustion.

Le procédé selon la présente invention peut donc être vu comme un procédé de captation du CO2 par une solution d'amines, couplé avec une source géothermale par l'intermédiaire du fluide géothermale. Le procédé est dit direct lorsque la chaleur géothermale est directement valorisable dans le procédé de captation du CO2 aux amines sans qu'il soit nécessaire d'en remonter la 15 température. Le procédé est dit indirect lorsque la chaleur géothermale est remontée en température par un circuit de pompe à chaleur faisant appel à un second fluide intermédiaire, ce fluide intermédiaire échangeant ses calories au niveau de la colonne de régénération du procédé de captation de CO2 par une solution d'amines. Une variante du procédé indirecte consiste à 20 remonter la température de la chaleur géothermale par plusieurs circuits de pompes à chaleur fonctionnant en série, chacune étant alors la source froide de la précédente et la source chaude de la suivante. La suite du texte décrit la variante directe et la variante indirecte limitée à un seul circuit de pompe à chaleur. La figure 1 selon l'invention décrit la variante directe du procédé. 25 On considère ici le procédé associant directement une source de chaleur géothermale (3000) et la colonne à distiller (1000) muni d'un rebouilleur (2000) faisant partie du procédé de captation du CO2 aux amines. Le rebouilleur (2000) est un équipement de chauffage qui permet de fournir les calories nécessaires à la distillation des différents produits traités dans la colonne (1000), essentiellement les carbonates formés par la réaction du CO2 sur la ou les 30 amines. Selon l'art antérieur les calories fournies au rebouilleur proviennent généralement d'une vapeur sous pression disponible à une température supérieure à environ 150°C.

La colonne (1000) est alimentée par la charge (100), c'est à dire la solution d'amine à régénérer. En fond de colonne un flux (400) est soutiré, réchauffé dans le rebouilleur (2000) et réintroduit au moins à l'état partiellement vaporisé dans la colonne sous forme du flux (401) apportant ainsi les calories nécessaires à la colonne de régénération (1000).

En tête de la colonne de régénération (1000), on soutire un effluent gazeux (200), ainsi qu'éventuellement des effluents latéraux (non représentés sur la figure 1). Selon les spécifications désirées du produit, la charge à régénérer peut également être injectée en plusieurs points latéraux (non représentés) de la colonne. La chaleur transmise au rebouilleur (2000) est issue du flux (500) en provenance du gisement géothermal (3000). Une fois sa chaleur cédée dans le rebouilleur (2000), le fluide caloporteur (500) est renvoyé (501) au contact de la source géothermale chaude (3000). Le fluide caloporteur est préférentiellement mis en mouvement par une pompe (non représentée) même si la convection naturelle peut dans certains cas être utilisée par simple effet thermosiphon.

Le fluide caloporteur (500) peut être soit de l'eau issue du gisement géothermal (aquifère) qui est pompée directement, le système est alors dit ouvert, soit un fluide isolé du gisement géothermal par une conduite, le système est alors dit fermé. Le premier cas de figure (système ouvert) est plus simple et le moins coûteux. Néanmoins on préfère en général la seconde solution (système fermé) pour prévenir à la fois l'encrassement et les risques de pollution du gisement géothermal par un fluide du procédé par exemple du à une fuite au rebouilleur. Ce point est particulièrement important si le gisement géothermal est un aquifère produisant de l'eau potable. La figure 2 décrit la configuration indirecte du procédé.

Il s'agit, de la même manière que pour la figure 1, de coupler une colonne (1000) et son rebouilleur (2000) à un gisement hydrothermal (3000). En revanche, on se place ici dans le cas où il est nécessaire de remonter la température de la chaleur fournie par le gisement géothermal pour être en adéquation avec les besoins du rebouillage de la colonne (1000. Cette montée du niveau de température se fait au moyen d'un dispositif de pompage de chaleur (voir description de la figure 3).

La présente description se base sur la description précédente pour les flux (100) à (401) et pour les équipements (1000) à (2000). La chaleur fournie au rebouilleur (2000) est apportée par le fluide caloporteur chaud (600) issu du dispositif de pompage de chaleur (4000). Après avoir cédé sa chaleur (généralement par condensation), le fluide caloporteur (600) est recyclé (601) vers le dispositif de pompage de chaleur (4000). Au niveau du dispositif de pompage de chaleur (4000), le fluide caloporteur refroidi (601) est mis en contact avec le flux chaud issu du gisement géothermal (500) par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur décrit plus loin au moyen de la figure 3. Il en résulte un flux de fluide caloporteur 2 chaud (600) à destination du rebouilleur (2000) et un flux de fluide caloporteur 1 refroidi (501) à destination du gisement géothermal pour en récupérer la chaleur. De la même façon que précédemment, le réchauffage du flux de fluide caloporteur 1 (500) en flux (501) peut s'effectuer en boucle ouverte ou fermée.

La description de la figure 3 reprend la description des figures 1 et 2 pour les flux (100) à 601) et pour les équipements (1000) à 4000). Pour la bonne clarté de la description on appelle fluide caloporteur (1) le fluide géothermal et fluide caloporteur (2) le fluide intermédiaire qui est mis en oeuvre dans le circuit de la pompe à chaleur (4000).

Le flux (601) correspond au fluide caloporteur 2 du dispositif de pompage de chaleur après avoir cédé sa chaleur dans le rebouilleur (2000). Il est généralement à l'état liquide et sous pression. Lors de sa détente dans la vanne (4001), il se vaporise partiellement (602), donc se refroidit, de telle sorte que sa température et son point d'ébullition sont inférieurs à la température du fluide caloporteur 1 (500) provenant du gisement géothermale.

Le fluide caloporteur 2 (602) se vaporise, et éventuellement est surchauffé, (603) au contact du flux de fluide caloporteur 1 (500) dans l'échangeur (4002). Le fluide caloporteur 1 issu du gisement géothermal refroidi (501) est renvoyé au gisement géothermal. Le flux de vapeur résultant basse pression (602) est monté en pression par un compresseur (4003) de telle façon que l'on dispose d'un flux de vapeur chaud à haute pression (600) dont le point de condensation est supérieur au point d'ébullition du mélange à traiter (400) sortant de la colonne (1000).

Les températures des flux haute (600-601) et basse (602-603) pression sont choisies en fonction de la température du gisement géothermal et du rebouilleur. Les pressions de ces flux sont déterminées de telle manière que le point de condensation du fluide haute pression (600-601) soit de l'ordre de 1 à 10 °C au dessus de la température d'ébullition du mélange (400) sortant de la colonne (1000), et de telle façon que le point d'ébullition du fluide basse pression (602-603) soit de l'ordre de 1 à 10 °C au dessous de la température du gisement géothermal (3000). La description de la figure 4 reprend la description des figures 1 à 3 pour les flux (100) à (603) et pour les équipements (1000) à (4003).

La différence par rapport au cas précédent réside dans le fait que l'on introduit un palier intermédiaire dans le dispositif pour éviter de remonter directement de la température du gisement géothermal (3000) à la température du rebouilleur (2000), ce qui peut être coûteux en énergie. On a alors recours à un pompage en série avec deux, ou plus, pompes à chaleur en série. On procède alors à deux remontées en température successive de moindre importance, ce qui peut se révéler plus avantageux économiquement. Cela permet aussi de recourir à deux fluides caloporteurs de nature différente, chacun adapté soit à la condensation dans le rebouilleur (2000), soit à l'évaporation au contact du gisement géothermal (3000). Les équipements (4011-4012-4013) et les flux (610-611-612-613) ont respectivement le même rôle que les équipements (4001-4002-4003) et les flux (600-601-602-603).

Le fluide réfrigérant alimentant le ou les circuits de pompe à chaleur est choisi dans le groupe formé par les fluides frigorigènes définis par l'IUCPC. Le fluide réfrigérant est préférentiellement choisi dans le sous groupe suivant des hydrocarbures légers comportant 2 à 7 atomes de carbone comportant ou non des ligands hétéroatomiques. De manière encore plus préférée, le fluide réfrigérant est du propane, du butane, du pentane, de l'hexane, de l'heptane ou un mélange quelconque des cinq. EXEMPLES SELON L'INVENTION Exemple 1 selon l'art antérieur On se place dans le cadre du captage du CO2 contenu dans les fumées de combustion d'une centrale thermique au charbon d'une puissance électrique nette de 290 MWe pour une puissance thermique de 820 MWth. Le rendement électrique net de la centrale est de 35 % en tenant compte du captage du CO2. Le rendement électrique net sans captage est de 45 %. La production électrique nette sans captage est ainsi de 370 MWe. Le CO2 est capté dans une unité telle que décrite dans la figure 1. Le solvant choisi est ici une 5 solution aqueuse à 30 % poids de mono éthylamine (MEA). Le principal poste de dépense d'énergie est celui de la régénération de la solution d'amine dans le régénérateur. Dans ce cas la puissance thermique à fournir au rebouilleur R1 à 120°C est de 254 MWth. soit 368 t/h de vapeur basse pression à 3 bar et 150 C.

10 Exemple 2 selon la présente invention et en référence à la figure 2 On se place dans le même cas que dans l'exemple 1 selon l'art antérieur du captage du CO2 sur fumées de centrale électrique. Le rebouillage de l'amine est ici assuré par la fourniture directe de chaleur par la circulation des 8 730 m3/h d'eau à 150°C (500) provenant d'une source géothermale. Après échange, l'eau (501) est renvoyée à 125 °C. La consommation de 15 la pompe de recirculation de l'eau est de 0,3 MWe auxquels s'ajoutent 8 MWe pour les compresseurs de CO2 soit une production électrique nette de 361,7 MWe, ce qui est sensiblement meilleur que l'exemple 1. Exemple 3 selon la présente invention et en référence aux figures 2 et 3 20 On se place dans le même cas que dans l'exemple 1 selon l'art antérieur du captage du CO2 contenus dans des fumées de centrale électrique. Le rebouillage de l'amine est ici assuré par la fourniture indirecte de la chaleur issue de l'exploitation d'un gisement géothermal (3000) à 95° C produisant un flux (500) à 90°C. Le fluide caloporteur utilisé pour la récupération de la chaleur géothermale est le n-pentane 25 dans cet exemple. La température du fluide caloporteur (603) après échange (4002) est de 85° C avec une approche de 5° C par rapport au flux (500). Le tableau suivant reprend les caractéristiques des flux principaux du système de récupération de la chaleur géothermale.

30 Propriété Unité 600 601 602 603 Fraction vapeur - 1 0 0,45 1 Température °C 124.3 124 72 85 Pression bar 10 10 3 3 Flux t/h 3381 3381 3381 3381 Le fluide transfert 198 kWth prélevés sur le flux issu du gisement hydrothermal, pour une dépense de compression de 56 MWe. Soit un coefficient de performance de 3,54. La fourniture de 254 MWth au rebouilleur par pompage de chaleur géothermale conduit alors à une production électrique nette de 306 MWe en comptant 8 MWe pour la compression du CO2. Le rendement électrique net passe alors de 35% à 37 %. 15 20 25

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1) Procédé de captation de CO2 mettant en oeuvre un solvant aux amines et comportant une étape de régénération de la dite amine dans une colonne à distiller, dite colonne de régénération, dans lequel la chaleur nécessaire au fonctionnement de ladite colonne de régénération provient d'une source géothermale à température comprise entre 30°C et 200°C.
2. 2) Procédé de captation du CO2 selon la revendication 1, dans lequel lorsque la température de la source géothermale est supérieure à 100°C et préférentiellement supérieure à 130°C, le fluide caloporteur amenant ses calories au rebouilleur de la colonne de régénération est directement le fluide caloporteur géothermal.
3. 3) Procédé de captation du CO2 selon la revendication 1, dans lequel lorsque la température de la source géothermale est inférieure à 100°C, le fluide caloporteur amenant ses calories au rebouilleur (2000) de la colonne de régénération (1000) est un fluide intermédiaire (2) qui prélève ses calories à la source géothermale (3000) jouant le rôle de source froide, et les restitue au rebouilleur (2000) de la colonne de régénération par l'intermédiaire d'au moins un circuit de pompe à chaleur (4000).
4. 4) Procédé de captation du CO2 selon la revendication 3, dans lequel le fluide intermédiaire (2) est un hydrocarbures légers comportant 2 à 7 atomes de carbone comportant ou non des ligands hétéro atomiques.
5. 5) Procédé de captation du CO2 selon la revendication 3, dans lequel le fluide intermédiaire (2) est du propane, du butane, du pentane, de l'hexane, de l'heptane ou un mélange quelconque de ces cinq composés.
6. 6) Procédé de captation du CO2 selon la revendication 3, dans lequel le fluide intermédiaire (2) est un alcool ou un diol ayant un squelette carboné comportant de 1 à 7 atomes de carbone.
7. 7) Procédé de captation du CO2 selon la revendication 3, dans lequel le circuit du fluide intermédiaire (2) est décrit selon les 3 étapes suivantes: -a) le flux de fluide caloporteur (2) (600) provenant de l'échangeur (4002) après une mise en pression réalisée dans le compresseur (4003), échange sa chaleur au niveau du rebouilleur (2000) et devient le flux (601) à l'état liquide et sous pression. -b) le flux liquide (601) est détendu dans la vanne (4001), et se vaporise partiellement pour devenir le flux (602), de telle sorte que sa température et son point d'ébullition sont inférieurs à la température du fluide caloporteur 1 (500) provenant du gisement géothermale, -c) le fluide caloporteur 2 (602) se vaporise totalement , et est surchauffé, (603) au contact du flux de fluide caloporteur 1 (500) dans l'échangeur (4002) pour devenir le flux (603) à basse pression dont la pression est remontée dans le compresseur (4003) pour revenir à l'étape a) du cycle. 20 25 30