Brevet FR3153540A1 — publié le 20250404

Titre :Procédé et appareil combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie Dans un procédé de stockage d’énergie, on comprime un gaz résiduaire (1), on envoie le gaz résiduaire comprimé (5) dans une unité de séparation (CO2 PSA) pour le séparer par adsorption produisant un débit (7) enrichi en CO2 et un débit (9) appauvri en CO2, et pendant une première période, on stocke le débit appauvri en CO2 (9) sous forme liquide et pendant une deuxième période, on vaporise du liquide stocké et on le détend dans une turbine (T). Figure : Fig. 1 Procédé et appareil combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie La présente invention est relative à un procédé et à un appareil combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie. La capture et stockage du dioxyde de carbone est une de seules solutions pour réduire les émissions de dioxyde de carbone de certaines industries (par exemple, cimenteries, aciéries…) Les technologies n’utilisant pas de solvant pour capturer le dioxyde de carbone, telles que les procédés Cryocap ® FG (avec un PSA CO2 et une séparation à basse température par condensation partielle et/ou distillation), les procédés à membranes froides (avec séparation par perméation à basse température et séparation à basse température ou les procédés à absorption chimique à carbonate de potassium utilisent principalement de l’électricité comme source d’énergie. Afin d’éviter des émissions indirectes, il est souhaitable d’utiliser de l’électricité de sources renouvelables qui sont par essence intermittentes dans la plupart des cas. Cette intermittence rend nécessaire de souscrire à un accord d’achat d’énergie qui est surdimensionné (par rapport aux besoins moyens du procédé) pour minimiser les périodes de manque de renouvelables. Un but de l’invention est de prévoir un stockage d’énergie dans un procédé de capture de dioxyde de carbone impliquant la compression d’un gaz résiduaire. Le procédé de capture peut être une séparation par adsorption, perméation, à carbonate de potassium ou peut impliquer plusieurs types de séparation (par exemple ceux décrits ci-dessus.) Il est connu généralement de stocker de l’énergie en utilisant des batteries pour un stockage à court terme (et à puissance réduite). Le stockage d’air liquéfié (ou LAES) est une technologie alternative pour le stockage d’énergie à longue durée qui est pénalisée par son efficacité qui avoisine les 50% quand il n’y a pas de source de chaleur fatale disponible. Cette technologie est décrite dans « Storage of Electrical Energy using Supercritical Liquid Air » de E.M.Smith, Proc. Instn. Mech. Engrs. Vol 191 27/77, 1977. Dans les procédés de capture de dioxyde de carbone, par exemple par adsorption, par perméation ou par absorption utilisant carbonate de potasse, on produit deux débits: un débit basse pression enrichi en CO2 et un débit haute pression appauvri en CO2. Il est connu de FR2497119A de détendre le débit appauvri en un composant d’un PSA, après chauffage, dans une turbine pour récupérer de l’énergie, en couplant la turbine au compresseur alimentant le PSA. La quantité d’énergie récupérée par la turbine du débit haute pression appauvri en CO2 est équivalent à entre 50 et 70% de l’énergie qu’il faudrait pour comprimer ce débit dans un compresseur centrifuge (ce qui s’explique par des irréversibilités pendant l’étape de compression et l’étape de détente). Il est également envisageable de coupler la turbine de l’unité de capture (compresseur gaz de queue du PSA ou compresseur de cycle) Selon l’invention, il est prévu d’utiliser ce débit appauvri en CO2 pour un procédé de stockage d’énergie, afin d’améliorer d’au moins 10% l’efficacité aller-retour (en anglais “round trip efficiency” ou RTE). L’usage de ce débit appauvri en CO2 comme liquide à stocker présente des avantages particuliers : -sa température de liquéfaction est plus basse que celle de l’air. Selon l’invention, il est prévu un procédé combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie dans lequel On comprime un gaz résiduaire contenant entre 10 et 45% mol CO2 à base sèche, voire entre 15 et 25% mol CO2 à base sèche, et de l’azote jusqu’à une pression supérieure à 2 bar abs, de préférence supérieure à 5 bar abs voire supérieure à 7 bar abs On envoie le gaz résiduaire comprimé dans une unité de séparation pour le séparer par adsorption et/ou perméation et/ou absorption produisant un débit à une première pression enrichi en CO2 par rapport au gaz résiduaire comprimé et un débit à une deuxième pression inférieure à la première pression appauvri en CO2 contenant moins que 5% mol CO2, de préférence entre 1 et 3% mol CO2 et plus que 80% mol d’azote, voire plus que 90% mol d’azote et de préférence au plus 12% mol d’oxygène On sépare le débit enrichi en CO2 pour produire un produit riche en CO2, éventuellement par condensation partielle et/ou distillation et/ou solidification et i) Pendant une première période Au moins une partie du débit appauvri en CO2 est liquéfiée dans une unité de liquéfaction, où de préférence seule l’au moins une partie du débit appauvri est liquéfiée, et l’au moins une partie liquéfiée est stockée dans un stockage isolé thermiquement sous forme liquide et ii) Pendant une deuxième période Du liquide est soutiré du stockage, pressurisé par pompage jusqu’à une pression supérieure à 100 bars abs, voire supérieure à 120 bars abs et au moins une partie du liquide pressurisé est vaporisée, réchauffée et détendue dans une turbine pour produire de l’énergie mécanique et/ou électrique, sans avoir été envoyée à une étape de combustion. Selon d’autres aspects facultatifs : -le débit appauvri en CO2 est épuré pour réduire sa teneur en CO2 et éventuellement au moins une autre impureté susceptible de se liquéfier à la température du stockage, le débit épuré est liquéfié et stocké à une température cryogénique. -le débit appauvri en CO2 est lavé à une température inférieure à 0°C pour enlever au moins un composant plus lourd que le CO2, tel qu’au moins un NOx. -le débit appauvri en CO2 est lavé à une température inférieure à 0°C par du CO2 liquide, éventuellement produit par l’étape c). -de la chaleur de compression provenant du compresseur est utilisé pour réchauffer le liquide stocké de l’étape e). -le compresseur comprime le gaz résiduaire avec au moins une étape de compression adiabatique. -pendant la première période, aucun liquide n’est soutiré du stockage. -pendant la deuxième période, aucune partie du débit appauvri en CO2 n’est utilisée comme fluide de cycle dans un cycle de réfrigération pour liquéfier un fluide et aucune partie du débit appauvri n’est liquéfiée. -pendant la première période, de l’électricité provenant d’une source renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur et pendant la deuxième période, de l’électricité provenant d’une source non-renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur. -de la chaleur est transférée au liquide à vaporiser à travers des moyens de stockage de chaleur, tels que des sels fondus, des graviers, du quartz. -de la chaleur du gaz résiduaire en amont du compresseur est utilisée pour vaporiser le liquide stocké, par exemple en stockant la chaleur pendant la première période et en la transférant au liquide à vaporiser pendant la deuxième période. -le débit appauvri en CO2 est à une pression d’au moins 5 bars abs et au moins une autre partie du débit appauvri en CO2 est détendue dans au moins une turbine pour liquéfier la partie du débit appauvri en CO2 de l’étape i). -l’au moins une partie du débit appauvri en CO2 est liquéfiée sans avoir été comprimée. -la partie du débit appauvri en CO2 est liquéfiée, de préférence sans avoir été comprimée et une autre partie du débit appauvri en CO2 est comprimée dans un compresseur et détendue dans au moins une turbine. -de la chaleur de compression du compresseur et/ou d’un compresseur du produit gazeux riche en CO2 et/ou d’un compresseur du débit enrichi en CO2 et/ou d’un compresseur d’une partie du débit appauvri en CO2 est stockée pendant la première période et transférée au liquide à vaporiser pendant la deuxième période. -le gaz résiduaire comprimé contient de l’eau et est séché en amont de l’unité de séparation. -de la chaleur générée par une source du gaz résiduaire est utilisée pour vaporiser le liquide stocké, par exemple en stockant cette chaleur pendant la première période et en la transférant au liquide à vaporiser pendant la deuxième période. -le gaz résiduaire provient d’une source qui est une centrale électrique, par exemple à biomasse. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie comprenant Un compresseur pour comprimer un gaz résiduaire contenant entre 10 et 45% mol CO2 à base sèche, voire entre 15 et 25% mol CO2 à base sèche, et de l’azote jusqu’à une pression supérieure à 2 bar abs, de préférence supérieure à 5 bar abs voire supérieure à 7 bar abs Une unité de séparation par adsorption et/ou perméation et/ou absorption, une conduite pour envoyer le gaz résiduaire comprimé du compresseur à l’unité de séparation pour le séparer par adsorption et/ou perméation et/ou absorption produisant un débit à une première pression enrichi en CO2 par rapport au gaz résiduaire comprimé et un débit à une deuxième pression inférieure à la première pression appauvri en CO2 contenant moins que 5% mol CO2, de préférence entre 1 et 3% mol CO2 et plus que 80% mol d’azote, voire plus que 90% mol d’azote et de préférence au plus 12% mol d’oxygène Une deuxième unité de séparation éventuellement par condensation partielle et/ou distillation et/ou solidification, une conduite pour envoyer le débit enrichi en CO2 à la deuxième unité de séparation pour produire un produit riche en CO2, et Une unité de liquéfaction, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit appauvri en CO2 se liquéfier dans l’unité de liquéfaction, et un stockage isolé thermiquement pour stocker l’au moins une partie liquéfiée sous forme liquide, une conduite pour soutirer du liquide du stockage, une pompe pour pressuriser le liquide soutiré, une turbine, un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer le liquide pressurisé de la pompe à l’échangeur de chaleur pour le vaporiser, une conduite pour envoyer le liquide vaporisé à la turbine pour se détendre pour produire de l’énergie mécanique et/ou électrique, sans avoir été envoyé à une étape de combustion et des moyens pour arrêter l’envoi de liquide vers le stockage et pour arrêter l’envoi de liquide du stockage à la pompe. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure où : FIG. 1 représente un procédé selon l’invention. Un gaz résiduaire 1 est produit par une cimenterie, une unité de fabrication de chaux, une aciérie, une combustion, par exemple une oxycombustion ou une autre source, tel qu’une centrale électrique, par exemple une centrale électrique à biomasse. Ce gaz résiduaire peut être généré à une température relativement élevée et la source du gaz résiduaire peut générer de la chaleur fatale. Il peut donc être nécessaire de refroidir le gaz résiduaire avant sa compression et éventuellement avant lavage dans une colonne de lavage, si présente, en amont de la compression. Le gaz résiduaire 1 contenant entre 10 et 45% mol CO 2 à base sèche, voire entre 15 et 25% mol CO 2 à base sèche ainsi que de l’azote, est lavé dans la colonne de lavage Q avec l’eau et/ou un liquide alcalin pour réduire sa teneur en NOx et/ou SOx produisant des condensats PC. Ensuite le gaz épuré 3 est comprimé dans un compresseur C, refroidi dans un refroidisseur R1 et ensuite refroidi par de l’eau dans les refroidisseurs R2, R3 pour condenser de l’eau W qu’il contient. Cette eau W est éliminée partiellement dans le séparateur S et ensuite dans les sécheurs D. Le gaz résiduaire séché 5 est envoyé à une première unité de séparation CO2 PSA fonctionnant par adsorption et/ou perméation et/ou absorption. L’unité fonctionne par exemple par un procédé Cryocap ® FG utilisant de l’adsorption à bascule de pression ou par un procédé à membranes froides (avec séparation par perméation à basse température tel que décrite dans US8911535, US8734569 ou US8617292) ou par un procédé à absorption chimique à carbonate de potassium. Il sera compris que la colonne de lavage Q et les sécheurs D ne sont nécessairement présents, par exemple uniquement si le gaz résiduaire contient les composés qu’ils sont destinés à enlever. L’unité CO2 PSA produit un débit enrichi en CO 2 et appauvri en azote 7 par rapport au gaz résiduaire traité 5 sous une première pression et un débit appauvri en CO2 et enrichi en azote 9 sous une deuxième pression d’au moins 2 bar abs , de préférence égale à au moins 5 bars abs, inférieure à la première pression, ce débit 9 appauvri en CO2 contenant moins que 5% mol CO2, de préférence entre 1 et 3% mol CO2. Le débit appauvri en CO2 contient entre 3 et 12% mol d’oxygène et entre 83 et 96% mol d’azote. Le débit enrichi en CO2 est envoyé, éventuellement après compression, à une deuxième unité de séparation CC, fonctionnant par exemple par condensation partielle et/ou distillation et/ou solidification, produisant un débit riche en CO2 11 sous forme gazeuse et/ou liquide et/ou solide et un gaz sec à teneur réduite en CO2 qui sert à régénérer les sécheurs D, si ceux-ci fonctionnent par adsorption. Le gaz 13 ayant récupéré l’eau des sécheurs D est envoyé en aval du refroidisseur R1. Le débit appauvri en CO2 9 est éventuellement épuré dans une unité d’épuration I pour enlever des impuretés qu’il contient, par exemple au moins une partie du CO2 restant, au moins un hydrocarbure, au moins un NOx. Par contre, il est possible de se passer de l’unité d’épuration si on règle le PSA produisant le débit 9 pour arrêter le CO2 et autres impuretés à des niveaux très bas. Ensuite, pendant une première période, au moins une partie du débit appauvri en CO2 9 est liquéfiée dans une unité de liquéfaction L et stockée dans un stockage et isolé thermiquement sous forme liquide. Dans ce cas, le débit appauvri 9 doit être épuré en amont pour enlever le CO2 restant (teneur résiduelle à atteindre de l’ordre de quelques ppm CO2) qu’il contient et tout autre composant susceptible de se solidifier à la température d’opération du stockage qui est une température cryogénique. L’au moins une partie du débit appauvri en CO2 est à une pression d’au moins 2 bar abs, préférablement plus de 5 bar abs .et une partie 9a du débit 9 peut être comprimée dans un compresseur C1, refroidie et ensuite détendue dans une turbine T1 pour produire les frigories nécessaires pour la liquéfaction. Le stockage st peut être sous pression (isolé sous vide) ou à pression atmosphérique (stockage à fond plat). Pendant une deuxième période, du liquide 15 est soutiré du stockage st, pressurisé par pompage dans une pompe P jusqu’à une pression supérieure à 100 bars abs, voire supérieure à 120 bars abs et au moins une partie du liquide pressurisé est vaporisée, réchauffée dans l’élément CS et/ou HS et détendue dans une turbine T pour produire de l’énergie mécanique et/ou électrique. La turbine de détente alimenté par le gaz réchauffé 17 est une turbine détendant le gaz réchauffé 17 lui-même et ne détend pas le gaz produit par une chambre de combustion alimenté par le gaz réchauffé 17. L’énergie générée par la turbine T alimenté par le gaz réchauffé 17 peut alimenter le moteur d’un compresseur de l’appareil sous forme d’électricité. L’électricité peut sinon être envoyée au réseau ou utilisée sur site. Le gaz détendu V provenant de la turbine T est envoyé à l’air. Pendant la première période, de l’électricité provenant d’une source renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur C et pendant la deuxième période, de l’électricité provenant d’une source non-renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur C. De préférence, pendant la première période, seulement de l’électricité provenant d’une source renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur C. De préférence, pendant la deuxième période, de l’électricité provenant d’une source non-renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur C. La chaleur pour réchauffer le liquide du stockage st pendant la deuxième période peut provenir du compresseur du gaz résiduaire (fumées), qui peut comprendre au moins un étage adiabatique et/ou d’un compresseur du CO2 gazeux produit par la deuxième unité de séparation et/ou d’un compresseur du débit enrichi en CO2 destiné à la deuxième unité de séparation. La chaleur pour réchauffer le liquide 15 du stockage st pendant la deuxième période peut provenir du gaz résiduaire 3 en amont du compresseur de gaz résiduaire et éventuellement en amont de la colonne de lavage ou de la source du gaz résiduaire 1. Dans tous les cas, il est possible de stocker la chaleur venant d’au moins une de ces sources pendant la première période et d’envoyer depuis l’élément CS, HS où est stocké la chaleur pour vaporiser le liquide pendant la deuxième période. Pour ce faire, il est recommandé d’utiliser des moyens de stockage de chaleur, tels que des lits de graviers, du quartz CS ou des sels fondus HS. De préférence, pendant la première période, aucun liquide n’est soutiré du stockage st. De préférence, pendant la deuxième période aucune partie du débit appauvri en CO2 9 n’est liquéfiée. En cette deuxième période, le débit appauvri de CO2 9 peut être recyclé pour être traité dans la première unité de séparation CO2 PSA. Procédé combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie dans lequel On comprime un gaz résiduaire (1) contenant entre 10 et 45% mol CO2 à base sèche, voire entre 15 et 25% mol CO2 à base sèche, et de l’azote jusqu’à une pression supérieure à 2 bar abs, de préférence supérieure à 5 bar abs voire supérieure à 7 bar abs On envoie le gaz résiduaire comprimé (5) dans une unité de séparation (CO2 PSA) pour le séparer par adsorption et/ou perméation et/ou absorption produisant un débit (7) à une première pression enrichi en CO2 par rapport au gaz résiduaire comprimé et un débit (9) à une deuxième pression inférieure à la première pression appauvri en CO2 contenant moins que 5% mol CO2, de préférence entre 1 et 3% mol CO2 et plus que 80% mol d’azote, voire plus que 90% mol d’azote et de préférence au plus 12% mol d’oxygène On sépare le débit enrichi en CO2 pour produire un produit (11) riche en CO2, éventuellement par condensation partielle et/ou distillation et/ou solidification et i) Pendant une première période Au moins une partie du débit appauvri en CO2 (9) est liquéfiée dans une unité de liquéfaction (L), où de préférence seule l’au moins une partie du débit appauvri est liquéfiée, et l’au moins une partie liquéfiée est stockée dans un stockage (st) isolé thermiquement sous forme liquide et ii) Pendant une deuxième période Du liquide (15) est soutiré du stockage, pressurisé par pompage jusqu’à une pression supérieure à 100 bars abs, voire supérieure à 120 bars abs et au moins une partie (17) du liquide pressurisé est vaporisée, réchauffée et détendue dans une turbine (T) pour produire de l’énergie mécanique et/ou électrique, sans avoir été envoyé à une étape de combustion. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit appauvri en CO2 (9) est épuré (I) pour réduire sa teneur en CO2 et éventuellement au moins une autre impureté susceptible de se liquéfier à la température du stockage, le débit épuré est liquéfié et stocké à une température cryogénique. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit appauvri en CO2 (1) est lavé (Q) à une température inférieure à 0°C pour enlever au moins un composant plus lourd que le CO2, tel qu’au moins un NOx. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le débit appauvri en CO2 (9) est lavé à une température inférieure à 0°C par du CO2 liquide, éventuellement produit par l’étape c). Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur de compression provenant du compresseur (c) est utilisé pour réchauffer le liquide stocké (15) de l’étape e). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le compresseur (C) comprime le gaz résiduaire (3) avec au moins une étape de compression adiabatique. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant la première période, aucun liquide n’est soutiré du stockage (st). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant la deuxième période, aucune partie du débit appauvri en CO2 (9a) n’est utilisée comme fluide de cycle dans un cycle de réfrigération pour liquéfier un fluide et aucune partie du débit appauvri (9) n’est liquéfiée. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant la première période, de l’électricité provenant d’une source renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur (C) et pendant la deuxième période, de l’électricité provenant d’une source non-renouvelable est envoyée à un moteur du compresseur. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur est transférée au liquide à vaporiser (15) à travers des moyens de stockage de chaleur (CS, HS), tels que des sels fondus, des graviers, du quartz. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur du gaz résiduaire en amont du compresseur (C) est utilisée pour vaporiser le liquide stocké (15), par exemple en stockant la chaleur pendant la première période et en la transférant au liquide à vaporiser pendant la deuxième période. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le débit appauvri en CO2 (9) est à une pression d’au moins 5 bars abs et au moins une autre partie du débit appauvri en CO2 est détendue dans au moins une turbine (T1) pour liquéfier la partie du débit appauvri en CO2 de l’étape i). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’au moins une partie du débit appauvri en CO2 (9) est liquéfiée sans avoir été comprimée. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la partie du débit appauvri en CO2 (9) est liquéfiée, de préférence sans avoir été comprimée et une autre partie du débit appauvri en CO2 est comprimée dans un compresseur (C1) et détendue dans au moins une turbine (T1). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur de compression du compresseur (C) et/ou d’un compresseur du produit gazeux (11) riche en CO2 et/ou d’un compresseur du débit enrichi en CO2 (7) et/ou d’un compresseur (C1) d’une partie du débit appauvri en CO2 (9) est stockée pendant la première période et transférée au liquide à vaporiser pendant la deuxième période. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz résiduaire comprimé (3) contient de l’eau et est séché S, D) en amont de l’unité de séparation (CO2 PSA). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur générée par une source du gaz résiduaire (1) est utilisée pour vaporiser le liquide stocké, par exemple en stockant cette chaleur pendant la première période et en la transférant au liquide à vaporiser (15) pendant la deuxième période. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz résiduaire (1) provient d’une source qui est une centrale électrique, par exemple à biomasse. Appareil combiné de capture de CO2 et de stockage d’énergie comprenant Un compresseur (c) pour comprimer un gaz résiduaire (1) contenant entre 10 et 45% mol CO2 à base sèche, voire entre 15 et 25% mol CO2 à base sèche, et de l’azote jusqu’à une pression supérieure à 2 bar abs, de préférence supérieure à 5 bar abs voire supérieure à 7 bar abs Une unité de séparation par adsorption et/ou perméation et/ou absorption (CO2 PSA), une conduite pour envoyer le gaz résiduaire comprimé du compresseur à l’unité de séparation pour le séparer par adsorption et/ou perméation et/ou absorption produisant un débit (7) à une première pression enrichi en CO2 par rapport au gaz résiduaire comprimé et un débit (9) à une deuxième pression inférieure à la première pression appauvri en CO2 contenant moins que 5% mol CO2, de préférence entre 1 et 3% mol CO2 et plus que 80% mol d’azote, voire plus que 90% mol d’azote et de préférence au plus 12% mol d’oxygène Une deuxième unité de séparation (CC) éventuellement par condensation partielle et/ou distillation et/ou solidification, une conduite pour envoyer le débit enrichi en CO2 (7) à la deuxième unité de séparation pour produire un produit riche en CO2, et Une unité de liquéfaction (L), une conduite pour envoyer au moins une partie du débit appauvri en CO2 (9) se liquéfier dans l’unité de liquéfaction, et un stockage (st) isolé thermiquement pour stocker l’au moins une partie liquéfiée sous forme liquide, une conduite pour soutirer du liquide du stockage, une pompe pour pressuriser le liquide soutiré, une turbine, un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer le liquide pressurisé de la pompe (p) à l’échangeur de chaleur (HS, CS) pour le vaporiser, une conduite pour envoyer le liquide vaporisé (17) à la turbine (T) pour se détendre pour produire de l’énergie mécanique et/ou électrique, sans avoir été envoyé à une étape de combustion et des moyens pour arrêter l’envoi de liquide vers le stockage et pour arrêter l’envoi de liquide du stockage à la pompe.