Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

Le ciment est le squelette invisible du monde moderne, le matériau qui maintient nos villes ensemble. Pourtant, le processus de fabrication du ciment est un contributeur majeur au réchauffement climatique. Lorsque le calcaire est chauffé pour créer du ciment, il libère de vastes quantités de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre qui emprisonne la chaleur dans l'atmosphère. Pour stopper cela, les ingénieurs ont développé des moyens de capturer ce gaz avant qu'il ne s'échappe dans le ciel. L'une des méthodes les plus fiables consiste à laver les fumées d'échappement avec un liquide spécial qui absorbe le dioxyde de carbone. Cependant, ce liquide finit par être saturé et doit être nettoyé pour pouvoir être réutilisé. Le processus de nettoyage nécessite une quantité énorme de chaleur, souvent plus que ce que l'usine peut se permettre de gaspiller. Si l'usine ne parvient pas à trouver assez de chaleur pour nettoyer le liquide, le système de capture du carbone ne peut pas fonctionner efficacement, laissant le problème de la pollution sans solution.

Parallèlement, une fois le dioxyde de carbone capturé, il doit être transformé en liquide pour être transporté et stocké. Cette transformation nécessite de refroidir le gaz à des températures extrêmement basses. Ce faisant, la machinerie qui refroidit le gaz génère une grande quantité de chaleur résiduelle, qui est généralement simplement rejetée dans l'air. Cela crée un paradoxe frustrant : l'usine a besoin de chaleur pour nettoyer le liquide, mais le processus de préparation du gaz pour le transport rejette précisément le type de chaleur dont elle a besoin. Des chercheurs de l'Université de sciences et technologies de Norvège et de SINTEF Energy Research ont proposé un moyen de résoudre ce casse-tête. Ils suggèrent de connecter le système de refroidissement au système de chauffage dans une boucle intelligente, transformant un déchet en une ressource utile.

L'équipe s'est concentrée sur une configuration spécifique utilisée dans les cimenteries où le dioxyde de carbone est capturé puis liquéfié. Dans la version standard de ce processus, le gaz est refroidi par un cycle de réfrigération qui repose sur l'ammoniac, un réfrigérant industriel courant. À mesure que l'ammoniac absorbe la chaleur du dioxyde de carbone pour le refroidir, l'ammoniac lui-même se réchauffe. Dans une usine typique, cet ammoniac chaud est refroidi en libérant sa chaleur dans l'air environnant, jetant essentiellement l'énergie qu'il vient d'absorber. Les chercheurs ont posé une question simple : et si, au lieu de jeter cette chaleur, on l'utilisait pour nettoyer le liquide de capture du carbone ?

Pour que cela fonctionne, ils ont conçu un système qui agit comme un ascenseur thermique. Ils ont ajouté une seconde boucle au dispositif d'ammoniac existant, utilisant un fluide différent appelé pentane. La chaleur de l'ammoniac chaud provenant du cycle de refroidissement est transférée au pentane. Cette chaleur est suffisante pour faire bouillir le pentane et le transformer en gaz. Lorsque le gaz de pentane est compressé, il devient encore plus chaud. Ce pentane surchauffé est ensuite envoyé vers la partie de l'usine qui a besoin de nettoyer le liquide de capture du carbone. Là, il cède sa chaleur, réchauffant le liquide juste assez pour libérer le dioxyde de carbone capturé afin que le liquide puisse être réutilisé. Le pentane se refroidit ensuite, redevient liquide et est prêt à capter à nouveau de la chaleur de l'ammoniac, créant ainsi un cycle continu.

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées pour tester l'efficacité de cette idée dans un scénario réel. Ils ont modélisé une usine qui capture un million de tonnes de dioxyde de carbone chaque année. Leurs calculs ont montré que ce nouveau système pourrait réussir à récupérer une partie significative de la chaleur nécessaire pour nettoyer le liquide. Plus précisément, le système pourrait fournir environ 22 % de la chaleur totale requise pour le nettoyage si le liquide nécessite une quantité d'énergie standard pour être régénéré. Si l'usine utilise un type de liquide plus efficace qui nécessite moins de chaleur au départ, le système pourrait couvrir jusqu'à 34 % du besoin. Cela signifie que l'usine devra brûler beaucoup moins de combustible pour générer de la vapeur, économisant ainsi de l'argent et réduisant davantage les émissions.

L'étude a également examiné la quantité d'énergie que le nouveau système consommerait pour faire fonctionner les pompes et les compresseurs. Bien que l'ajout de la boucle supplémentaire nécessite une électricité supplémentaire, le bilan global est positif. Les chercheurs ont constaté que le système est très efficace pour convertir le travail qu'il effectue en chaleur utile. Dans leurs simulations, l'installation a atteint un taux d'efficacité de plus de 57 %, ce qui est une performance solide pour un système qui accomplit deux tâches à la fois : refroidir le gaz et chauffer le liquide. C'est notablement meilleur que le système standard, qui ne fait que refroidir le gaz et gaspille la chaleur. L'équipe a découvert que le système fonctionne de manière optimale lorsque le dioxyde de carbone est compressé à une pression spécifique avant d'être refroidi, un détail qui permet à la récupération de chaleur de se produire à la bonne température.

L'un des principaux avantages de cette approche est qu'elle ne dépend pas de la météo ou de l'emplacement de l'usine. Dans de nombreuses parties du monde, les cimenteries peinent à trouver de la chaleur résiduelle car les matières premières sont humides et doivent être séchées, ce qui consomme toute l'énergie thermique disponible. Dans ces climats humides, la méthode habitée consistant à "voler" la chaleur d'autres parties de l'usine échoue souvent. Ce nouveau système, cependant, génère sa propre source de chaleur là où elle est nécessaire, en utilisant l'énergie du processus de refroidissement lui-même. Il transforme l'acte de geler le dioxyde de carbone en un moyen de réchauffer le fluide de nettoyage, recyclant ainsi l'énergie qui serait autrement perdue.

Les chercheurs ont reconnu que la construction de ce système nécessiterait des compresseurs plus grands et plus puissants que ceux d'une usine standard, ce qui représente un défi technique important. La machinerie doit gérer le flux du fluide pentane de manière efficace sans gaspiller d'énergie. Ils ont également noté que, bien que leurs résultats soient basés sur des modèles informatiques, la physique derrière la conception est solide et repose sur des principes établis de la thermodynamique. L'étude suggère que la mise à niveau des usines de capture de carbone existantes avec ce système à double boucle pourrait être une voie viable, en particulier pour les installations qui manquent d'autres sources de chaleur résiduelle. En reliant les besoins de refroidissement et de chauffage de l'usine, cette technologie offre un moyen de rendre la capture du carbone moins énergivore et plus pratique pour l'industrie du ciment, aidant à transformer une source majeure de pollution en une partie gérable de la solution.