WAVEINCORE
Le projet WAVEINCORE vise à développer de nouvelles technologies de désorption pour la régénération thermique des solvants enrichis en CO2, aujourd'hui considérés comme des solvants de référence ou prometteurs vis-à-vis de la capture du CO2. Ces technologies sont basées sur le concept de régénération des solvants usés par irradiation micro-ondes (MO). Les technologies de désorption MO à développer ont le potentiel de réduire drastiquement les consommations d'énergie et les pertes de solvants en travaillant à des températures inférieures à 100°C, avec l'utilisation éventuelle d'électricité renouvelable. La réduction drastique des besoins en eau pour opérer le procédé de désorption du CO2, ainsi que la réduction de la taille des contacteurs devraient apporter d'importants avantages supplémentaires.
Le développement des technologies de captage du CO2 est non seulement un levier incontournable des scénarios de résilience face au réchauffement climatique, mais participe également au déploiement des énergies renouvelables, décarbonées. Les procédés opérant la capture des émissions CO2 par son absorption sélective dans des solvants sont parmi les technologies les plus matures et prêtes au déploiement industriel. Cependant, l’efficacité énergétique de ces procédés, qui requièrent de mettre en œuvre deux étages de séparation gaz-liquide afin de réaliser successivement l’enrichissement du solvant en CO2 et sa régénération est faible, inférieure à 50 %. Plus de la moitié de la pénalité énergétique du procédé est en réalité due à la production à partir de combustibles fossiles de vapeur d’eau surchauffée venant alimenter l’étage de désorption pour la récupération du CO2 pur. Par ailleurs, de grandes surface d’échange sont nécessaires, impliquant la mise en oeuvre de colonnes à plateaux ou à garnissage de grande taille qui représentent des coûts d'investissement élevés, tandis que les coûts d'exploitation induits par la dégradation thermique du solvant, la production de vapeur d’eau surchauffée, la corrosion des équipements, la formation d'aérosols toxiques restent des problèmes majeurs.
L'électrification des procédés thermiques : une solution à la décarbonisation industrielle
Le projet WAVEINCORE vise à développer de nouvelles technologies de désorption appliquées à la régénération thermique de solvants à base d'amines utilisant un chauffage par irradiation micro-ondes (MO). Opérant à des températures inférieures à 100°C avec la possibilité d'utiliser de l'électricité renouvelable à la place de vapeur d’eau surchauffée, une réduction drastique de la pénalité énergétique et des pertes en solvant sont attendues, en même temps qu’un gain vis-à-vis des quantités d’eau requises pour le procédé. Dépassant la preuve de concept établie, le caractère innovant du projet se situe au niveau de la conception optimisée de prototypes de démonstration à l’échelle du laboratoire, opérant la régénération assistée par MO de solutions aminées représentatives de procédés avancés de capture de CO2 post-combustion. Il inclut aussi le développement de modèles phénoménologiques décrivant l'effet du rayonnement MO couplés aux mécanismes de transferts - réactions intervenant au cours de la régénération de systèmes gaz-solvant types. Le consortium associe deux équipes de recherche du laboratoire GEPEA, à IMT Atlantique et à l’ONIRIS, ainsi que l’entreprise SAIREM.
Equipements MO dédiés à l'étude à l'echelle des contacteurs gaz-liquide prototypes des performances de désorption Co2, de solvant
Méthode utilisée
Le développement de modèles prenant en compte les interactions à l’échelle locale entre les champs MO et les mécanismes de transfert-réaction intervenant dans la phase solvant est l'un des principaux objectifs du projet WAVEINCORE. Il faut souligner qu'aucune approche de modélisation abordant le couplage entre l'irradiation MO et les systèmes réactifs gaz-liquide n'a été développée à ce jour : les connaissances à acquérir dans ce domaine sont totalement nouvelles. Ces modèles sont appliqués à un solvant référence MEA (méthyléthanolamine) et seront adaptés à une sélection de solvants de dernière génération, pour lesquels les propriétés thermophysiques, diélectriques et thermodynamiques sont entièrement caractérisées, en tenant compte de leur dépendance à la température et aux concentrations de gaz dissous.
Profil de température simulé du solvant en écoulement sous champ micro-ondes à l’échelle d’une fibre creuse à membrane poreuse.
Dans le but de décrire les phénomènes couplés de réaction et transferts à l'échelle locale, l'approche de modélisation a été initialement développée pour décrire les taux de désorption du CO2 lorsque le solvant s'écoule dans une fibre creuse à membrane poreuse placée dans un tube en verre soumis à une irradiation MW. Le modèle numérique simule des données expérimentales obtenues à partir d'un montage expérimental composé d'un générateur MW à semi-conducteurs fonctionnant à la fréquence de 2450 MHz, d'un applicateur de guide d'ondes équipé d'un tuner à 3 tronçons et d'un court-circuit coulissant pour l'adaptation d'impédance. La validité du modèle de simulation est ainsi évaluée à partir des données expérimentales de température de sortie du solvant et les taux de désorption du CO2. L'approche de modélisation sert de base théorique utile pour la conception et l'optimisation de prototypes de contacteurs membranaires intégrés à un équipement MO, dont les performances sont étudiées expérimentalement à l'échelle du laboratoire. Pour différentes configurations de contacteurs, les capacités de désorption du CO2, les vitesses de chauffe et les consommations énergétiques sont étudiées en fonction des paramètres de fonctionnement.
Schéma de l’installation expérimentale pour l’étude à l’échelle d’une fibre à membrane poreuse de la désorption CO2 de solvant par chauffage MO.
Les prochaines étapes
Le dimensionnement d’un démonstrateur en environnement industriel réel sera envisagé en complément de la plateforme expérimentale « Power to Gas » MINERVE. Le démonstrateur pourrait permettre de capturer le CO2 des émissions de combustion des chaudières alimentant le réseau collectif de chauffage du site de la Chantrerie afin d’alimenter les réacteurs de méthanation. Une analyse technico-économique sera réalisée, reposant sur des scénarios optimisés d’intégration énergétique afin d’évaluer le potentiel d’intensification de la technologie proposée.
Rôle de l'école
Ce projet coordonné par Pascaline Pré professeure au département des systèmes énergétiques et environnement à IMT Atlantique s’inscrit dans le champ d’expertise de l’équipe VERTE du laboratoire GEPEA, qui développe des procédés appliqués au traitement des émissions industrielles et purification de gaz vecteurs d’énergie. Il associe le professeur Sébastien Curet de l’équipe OSE du laboratoire GEPEA expert dans le domaine du traitement thermique par chauffage micro-ondes. Les deux partenaires académiques co-encadrent la thèse d’Ali Hajj, en contrat CIFRE avec l’entreprise SAIREM, qui a apporté son savoir-faire dans la conception des équipements micro-ondes dédiés à la caractérisation expérimentale des contacteurs prototypes de désorption.
Partenaires
La recherche s’inscrit dans une démarche d’innovation technologique associant deux partenaires académiques du laboratoire GEPEA : IMT Atlantique et ONIRIS, ainsi que l’entreprise SAIREM, fabricant français d’équipements industriels MO. Le potentiel de marché associé à l’application de cette technologie est énorme considérant les besoins croissants de décarbonisation des procédés industriels, en France et à l’international. Le projet WAVEINCORE apportera de nouvelles connaissances en lien avec la mise en œuvre de technologies MO pour des applications industrielles encore peu explorées.
