Brevet FR2957409A1 — publié le 20110916

La présente invention concerne un procédé de génération d'électricité mettant en oeuvre une unité de séparation des gaz de l'air, une unité de combustion fonctionnant soit à l'air, soit à un comburant plus pauvre en azote que l'air, ce comburant issu de l'unité de séparation des gaz de l'air et produisant des fumées de combustion, et une unité de compression et/ou de purification du CO2 issu des fumées de combustion produites par l'unité de combustion. Les changements climatiques constituent l'un des plus grands défis environnementaux. L'accroissement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère est en très grande partie la cause du réchauffement global. Le CO2 d'origine humaine est essentiellement émis dans l'atmosphère par la combustion des combustibles fossiles dans les centrales énergétiques. Pour lutter contre les émissions de CO2, une technologie vise à capturer le CO2 émis lors de la combustion de combustibles carbonés pour le séquestrer sous terre. L'une des contraintes posées est la séparation du CO2 dans les fumées où sa fraction ne dépasse traditionnellement pas 15%, ce qui induit des énergies de séparation importantes. Une possibilité consiste à séparer l'azote de l'air en amont de la combustion, il ne reste alors à la sortie de la chaudière quasiment plus que du CO2 et de l'eau, les produits de la combustion. La chaudière fonctionne alors à l'oxycombustion. On peut recycler une partie des fumées (essentiellement du CO2) avec l'oxygène pour éviter d'atteindre des températures trop élevées dans la chaudière. La capture du CO2 est donc assurée à moindre coût. Cette technique est prometteuse, tant du point de vue de l'investissement que de l'efficacité énergétique globale. Les producteurs d'électricité disposent divers moyens de production plus ou moins coûteux à opérer, par exemple les éoliennes, les centrales nucléaires....et évidemment les centrales à combustion de combustibles carbonés (CCCC). Or les CCCC sont relativement coûteuses à opérer. Selon la présente invention, le fonctionnement du procédé de production d'électricité varie selon le prix de vente d'électricité générée par la CCCC. Egalement en fonction de ce prix de vente, le producteur d'électricité peut décider de capturer tout ou une partie du CO2 émis par la CCCC, voire de ne pas la capturer. La capture partielle du CO2 n'est pas très adaptée pour la technologie de l'oxycombustion. Effectivement, il faut opérer à 100% en oxycombustion ou à l'air, mais il est difficile de s'écarter de ces régimes. En effet, s'il y a plus de 30% d'azote dans les fumées, la séparation du CO2 perd tous les avantages que l'on obtient lorsque le flux est plus concentré. Ainsi, la solution de référence pour une capture partielle serait d'investir à 100% l'appareil de séparation d'air (ASU) et de l'opérer à 100% de ses capacités. On peut cependant n'investir qu'une part de l'unité de compression et de séchage (ou l'investir à 100% mais ne l'opérer qu'à hauteur du CO2 que l'on souhaite capturer). Malheureusement, cette unité de compression et de séchage ne représente qu'une faible part de l'investissement et de l'énergie auto-consommée, contrairement à l'ASU. D'autre part, opérer avec une ASU à 100% de ses capacités signifie une consommation d'une quantité constante d'énergie dans le temps, ce qui ne permet pas une adaptation aux variations de coût et de débit de l'énergie disponible. Partant de là, un problème qui se pose est de proposer un procédé de production d'électricité qui permet de produire l'électricité d'une manière plus rentable que celle déjà connue. Selon un objet de l'invention il est prévu un procédé de génération d'électricité par combustion de combustibles carbonés mettant en oeuvre une unité de production de gaz de l'air, une unité de combustion fonctionnant soit à l'air, soit à un comburant plus pauvre en azote que l'air, au moins partiellement issu de l'unité de séparation de gaz de l'air , et une unité de compression et/ou de purification du CO2 issu des fumées de combustion, dans lequel lors du fonctionnement de l'unité de production des gaz de l'air, de l'air est envoyé à l'unité de production des gaz de l'air, lors du fonctionnement de l'unité de combustion et de l'unité de compression et/ou de purification, au moins une partie des fumées de combustion envoyées à l'unité de compression et/ou de purification proviennent de l'unité de combustion, lors du fonctionnement de l'unité de combustion au comburant plus pauvre en azote que l'air, le comburant plus pauvre en azote que l'air provient de l'unité de production des gaz de l'air caractérisé en ce que, selon le prix de vente de l'électricité générée et/ou selon le prix d'achat de l'électricité consommée par au moins une des unités et/ou selon le prix de mise à l'air des fumées de combustion, on modifie, éventuellement en réduisant , possiblement à zéro, au moins une des quantités suivantes : i) la quantité d'air envoyée à l'unité de séparation des gaz de l'air, ii) la quantité de comburant envoyé de l'unité de séparation des gaz de l'air vers l'unité de combustion, iii) la quantité de fumées envoyées à l'unité de compression et/ou de purification, et iv) la quantité d'air envoyé à l'unité de combustion. Eventuellement : - si le prix de vente de l'électricité dépasse un seuil, on réduit, éventuellement à zéro, au moins une des quantités i) â iii) et l'unité de combustion est alimentée à l'air ; - on réduit, éventuellement à zéro, la quantité de fumées envoyées à l'unité de compression et/ou de purification si le coût de mise à l'air des fumées est inférieur à un deuxième seuil ou si le rapport entre le coût de mise à l'air des fumées et la prix de vente de l'électricité est inférieur à un troisième seuil ; - on augmente, éventuellement à partir de zéro, la quantité d'air envoyée à l'unité de combustion si le prix de vente de l'électricité est supérieur à un quatrième seuil, qui peut être inférieur, égal ou supérieur au premier seuil, le cas échéant ; - l'unité de combustion fonctionne à l'air si le prix de vente d'électricité dépasse le 20 premier seuil et éventuellement au comburant plus pauvre en azote que l'air si le prix de vente d'électricité est inférieur au premier seuil ; - si le prix d'électricité est inférieur à un seuil, la quantité d'air envoyée à l'unité de séparation des gaz de l'air est supérieure à la quantité de comburant envoyé de l'unité de séparation des gaz de l'air vers l'unité de combustion ; 25 - si le prix d'électricité est supérieur à un seuil, la quantité d'air envoyée à l'unité de séparation des gaz de l'air est inférieure à la quantité de comburant envoyé de l'unité de séparation des gaz de l'air vers l'unité de combustion ; - une partie de la quantité de comburant est fournie par vaporisation de comburant stocké sous forme liquide ; 30 - si le prix de vente de l'électricité est inférieur à un seuil, on réduit, éventuellement à zéro, au moins une des quantités i) à iii) ; - si le prix de vente de l'électricité est inférieur à un seuil, l'unité de combustion ne fonctionne pas, on réduit à zéro les quantités ii), iii), iv) et éventuellement i). Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de combustion de combustibles carbonés comprenant une unité de production des gaz de l'air, une unité de combustion fonctionnant soit à l'air, soit à un comburant plus pauvre en azote que l'air, issu de l'unité de séparation des gaz de l'air , et une unité de compression et/ou de purification du CO2 issu des fumées de combustion, caractérisée en ce qu'elle comprend une conduite de mise à l'air d'un gaz riche en CO2 dérivé des fumées de combustion. Par unité de production des gaz de l'air, on entend une unité comprenant l'unité de séparation des gaz de l'air, les différents stockages cryogéniques et les tuyaux nécessaires à son fonctionnement. On entend par unité de combustion par exemple une chaudière ou un incinérateur, de préférence une chaudière à Lit Fluidisé Circulant ou une chaudière à Charbon Pulvérisé. Par chaudière à lit fluidisé circulant, on entend une chaudière dans lequel le combustible est brûlé en suspension dans l'air ou l'oxygène. Par chaudière à charbon pulvérisé on entend une chaudière dans lequel le combustible est finement broyé. Par combustibles carbonés, on entend par exemple le charbon, la lignite, les ordures ménagères, tout combustible issu de la biomasse (débris végétaux, production végétale dédiée à la combustion...). Par comburant plus pauvre en azote que l'air, on entend un fluide enrichi en oxygène par rapport à l'air, en particulier contenant au moins 60% mol. d'oxygène, de préférence au moins 90% mol. d'oxygène. Un autre comburant, par exemple le CO2 peut être envoyé à la CCCC. L'énergie nécessaire au fonctionnement des différentes unités mises en oeuvre dans le procédé de combustion provient soit de l'unité de production électrique elle-même alimentée au moins partiellement par l'oxygène produit, soit d'une autre unité de production électrique via un réseau de transport de l'électricité, soit par un approvisionnement direct en électricité d'une source renouvelable (panneaux solaires, éoliennes, barrage hydroélectrique, etc). La figure 1 représente un schéma général d'un ensemble capable de fonctionner selon le procédé de l'invention, pour la capture du CO2, d'une unité de séparation des gaz de l'air, d'une unité de combustion mettant en oeuvre une chaudière à charbon pulvérisé et fonctionnant alternativement à un comburant plus pauvre en azote que l'air et à l'air, et une unité de compression et de purification du CO2. Une conduite d'amenée d'air 1 est reliée à l'unité 2 de séparation des gaz de l'air qui est relié à une conduite de production d'oxygène 3. La conduite d'oxygène 3 est relié à un stockage 21 et indirectement à une unité de combustion 7. La conduite d'oxygène est reliée d'abord à un mélangeur 4 permettant le mélange d'oxygène avec une recirculation de CO2 à travers une conduite 6,18. Une conduite d'amenée de comburant 5 est relié au mélangeur 4 et à la chaudière 7 à charbon pulvérisé. Une ligne d'arrivée de combustible 8, ici le charbon brut, est reliée à un pulvériseur 10 qui est relié à la chaudière 7 à charbon pulvérisé. Une conduite de vapeur issue de la chaudière 7 est reliée à une turbine à vapeur 11, 15 qui peut fournir un travail mécanique. Ce travail peut être transformé en énergie à l'aide d'un alternateur 12 pour fournir de l'électricité. Une conduite de fumées de combustion 13 est reliée à l'unité de dépoussiérage 14, et éventuellement à une unité de désulfurisation 15 . Les fumées peuvent être envoyées dans l'unité 20 de compression et/ou de purification (CPU) du CO2 ou rejetées à 20 l'atmosphère par la conduite 23. L'unité 16 peut être une unité de conditionnement tel qu'une unité de compression et l'unité 9 peut être une unité de pré-traitement. On distingue cinq modes de fonctionnement de l'ensemble selon le prix de vente et/ou d'achat d'électricité. 1) Prix d'électricité très élevée et prix de mise à l'air des fumées de la chaudière 25 bas. Dans le cas où le prix de l'électricité générée par l'ensemble dépasse un premier seuil et en même temps le prix de la mise à l'air des fumées de la chaudière est inférieur à un deuxième seuil, la chaudière n'est plus alimentée par de l'oxygène mais seulement par de l'air. Dans ce cas, l'appareil de séparation d'air 2 n'est plus alimenté par de l'air et ne 30 produit ni d'oxygène ni d'azote. De même, l'unité CPU 20 ne fonctionne pas et les fumées sont mises à l'air à travers la conduite 23. Cette mode de fonctionnement peut également être mise en route quand le rapport entre le prix de mise à l'air des fumées et le prix de l'électricité générée est dessous d'un troisième seuil. L'unité de compression 16 ne fonctionne pas. Ici il est plus intéressant de vendre l'électricité qui aurait été consommée par l'appareil de séparation d'air et par l'unité CPU plutôt que de l'utiliser pour faire fonctionner ces dispositifs. Il est également possible d'arrêter juste l'appareil de séparation d'air en arrêtant d'y envoyer de l'air et de continuer à faire fonctionner l'unité CPU 20 en alimentant la chaudière uniquement avec du comburant stocké. 2) Prix de l'électricité élevé L'appareil de séparation d'air 2 sépare moins d'air qu'il ne produit comme gaz de l'air, une partie des produits provenant de la vaporisation de produits séparés pendant que l'électricité est moins chère. L'unité CPU 20 est également en marche comme l'unité de compression 16 et la chaudière est alimentée par de l'oxygène. Dans ce cas, le débit d'air envoyé vers l'appareil de séparation d'air 2 peut être inférieur au débit d'oxygène 5 envoyé vers la chaudière 7. 3) Prix de l'électricité modéré L'unité CPU 20 est également en marche et la chaudière est alimentée par de l'oxygène. La chaudière fonctionne à une marche réduite par rapport à celle quand le prix de l'électricité est élevé (cas précédent). L'appareil de séparation d'air sépare moins d'air qu'il ne produit comme gaz de l'air, une partie des produits provenant de la vaporisation de produits séparé pendant que l'électricité est moins chère. 4) Prix de l'électricité bas Dans ce cas, la production d'électricité est modérée. La chaudière 7 est alimentée par de l'oxygène. La chaudière 7 fonctionne avec une marche très réduite, c'est-à-dire à environ 50% par exemple, cette marche étant réduite encore par rapport au cas précédent du prix de l'électricité modéré. Comme la chaudière ne fonctionne pas avec sa production maximale, les fumées produites seront réduites et donc l'unité CPU 20 marche avec une production de CO2 moyenne. L'appareil de séparation d'air 2 sépare plus d'air qu'il ne produit comme gaz de l'air, une partie de l'air séparé étant stockée sous forme liquide. Dans ce cas, le débit d'air 1 envoyé vers l'appareil de séparation d'air 2 peut être supérieur au débit d'oxygène 5 envoyé vers la chaudière 7. 5) Prix de l'électricité très bas L'appareil de séparation d'air fonctionne mais ne produit que les produits liquides qui sont envoyés aux stockages ou au stockage s'il n'y a qu'un seul produit. Si le ou les stockages de liquide sont pleins, l'appareil de séparation d'air 2 ne fonctionne pas. L'unité CPU 20 ne fonctionne pas et l'unité de compression 16 et la chaudière 7 non plus. Revendications1. Procédé de génération d'électricité par combustion de combustibles carbonés mettant en oeuvre une unité de production de gaz de l'air (2), une unité de combustion (7) fonctionnant soit à l'air, soit à un comburant plus pauvre en azote que l'air, au moins partiellement issu de l'unité de séparation de gaz de l'air , et une unité de compression et/ou de purification du CO2 (16,20) issu des fumées de combustion, dans lequel lors du fonctionnement de l'unité de production des gaz de l'air, de l'air est envoyé à l'unité de production des gaz de l'air, lors du fonctionnement de l'unité de combustion et de l'unité de compression et/ou de purification, au moins une partie des fumées de combustion envoyées à l'unité de compression et/ou de purification proviennent de l'unité de combustion, lors du fonctionnement de l'unité de combustion au comburant plus pauvre en azote que l'air, le comburant plus pauvre en azote que l'air provient de l'unité de production des gaz de l'air caractérisé en ce que, selon le prix de vente de l'électricité générée et/ou selon le prix d'achat de l'électricité consommée par au moins une des unités et/ou selon le prix de mise à l'air des fumées de combustion, on modifie, éventuellement en réduisant, possiblement à zéro, au moins une des quantités suivantes : i) la quantité d'air envoyée à l'unité de séparation des gaz de l'air, ii) la quantité de comburant envoyé de l'unité de séparation des gaz de l'air vers l'unité de combustion, iii) la quantité de fumées envoyées à l'unité de compression et/ou de purification, et iv) la quantité d'air envoyé à l'unité de combustion. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel si le prix de vente de l'électricité dépasse un seuil, on réduit, éventuellement à zéro, au moins une des quantités i) â iii) et l'unité de combustion (7) est alimentée à l'air. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on réduit, éventuellement à zéro, la quantité de fumées envoyées à l'unité de compression et/ou de purification (16,20) si le coût de mise à l'air des fumées est inférieur à un deuxième seuil ou si le rapport entrele coût de mise à l'air des fumées et la prix de vente de l'électricité est inférieur à un troisième seuil. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on augmente, éventuellement à partir de zéro, la quantité d'air envoyée à l'unité de combustion (7) si le prix de vente de l'électricité est supérieur à un quatrième seuil, qui peut être inférieur, égal ou supérieur au premier seuil, le cas échéant. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'unité de combustion (7) fonctionne à l'air si le prix de vente d'électricité dépasse le premier seuil et éventuellement au comburant plus pauvre en azote que l'air si le prix de vente d'électricité est inférieur au premier seuil. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel si le prix d'électricité est inférieur à un seuil, la quantité d'air envoyée à l'unité de séparation des gaz de l'air (2) est supérieure à la quantité de comburant envoyé de l'unité de séparation des gaz de l'air vers l'unité de combustion. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel si le prix d'électricité est supérieur à un seuil, la quantité d'air envoyée à l'unité de séparation des gaz de l'air (2) est inférieure à la quantité de comburant envoyé de l'unité de séparation des gaz de l'air vers l'unité de combustion. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel une partie de la quantité de comburant est fournie par vaporisation de comburant stocké sous forme liquide. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel si le prix de vente de l'électricité est inférieur à un seuil, on réduit, éventuellement à zéro, au moins une des quantités i) â iii).30 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel si le prix de vente de l'électricité est inférieur à un seuil, l'unité de combustion (7) ne fonctionne pas, on réduit à zéro les quantités ii), iii), iv) et éventuellement i).