Une nouvelle recherche fait progresser la compréhension de la technologie de capture et de stockage du carbone | Nouvelles impériales
Les scientifiques ont mené des recherches importantes sur la solubilité de l’hydrogène pour aider au développement de la technologie de capture et de stockage du carbone.
Alors que les pays du monde entier passent à zéro émission nette, l’investissement dans de nouvelles technologies telles que le captage et le stockage du carbone (CSC) et l’utilisation de l’hydrogène (H2) comme gaz combustible alternatif devient critique.
Dans une étude récente de l’Imperial College de Londres, publiée dans Fluid Phase Equilibria, des scientifiques ont mené des recherches importantes sur la solubilité des impuretés d’hydrogène dans les saumures des réservoirs dans le but d’améliorer le développement futur et le succès des systèmes CCS. Cela impliquait d’étudier l’hydrogène tel qu’il se dissout dans une solution de chlorure de sodium à différentes pressions et températures.
Impuretés d’hydrogène et solubilité
En raison des limites technologiques des réseaux d’énergie existants, la méthode de production d’hydrogène actuellement privilégiée implique le reformage du gaz naturel couplé au CSC pour former de l’hydrogène dit «bleu». Dans ce processus, le gaz naturel réagit avec la vapeur pour former de l’hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2). Le CO2 est ensuite pompé pour sécuriser le stockage souterrain dans des réservoirs de pétrole et de gaz épuisés, des houillères ou des aquifères salins profonds.
«D’un point de vue industriel, la recherche contribue à réduire le risque de stockage du dioxyde de carbone en élaborant un dossier scientifique détaillé pour étayer les prévisions de la capacité de stockage et de la sécurité des réservoirs.» Professeur Martin Trusler Département de génie chimique
Le dioxyde de carbone capturé n’est jamais pur et le flux de production d’hydrogène bleu contiendra d’importantes impuretés d’hydrogène. L’établissement de l’étendue et de la vitesse de dissolution de ces impuretés d’hydrogène dans les eaux salines est important pour prédire les performances à long terme d’un réservoir de stockage.
L’étude récente de l’Impériale comble ces lacunes dans les connaissances et a pu quantifier pour la première fois les effets des sels sur la réduction de la solubilité de l’hydrogène et d’autres gaz dans les saumures dans des conditions reproduisant celles des aquifères salins profonds.
Les travaux ont été menés dans le cadre du projet ELEGANCY récemment achevé, un effort de collaboration internationale financé dans le cadre du programme Accelerating CCS Technologies dans le but d’accélérer la décarbonation du système énergétique européen grâce à l’hydrogène et au CSC.
Capacité de captage et de stockage du carbone
Le captage et le stockage du carbone est la méthode qui consiste à capturer le dioxyde de carbone formé pendant la production d’électricité et les processus industriels et à le stocker de manière à ce qu’il ne soit pas émis dans l’atmosphère.
La technologie a un potentiel important pour capter la quasi-totalité du CO2 produites par ces procédés, avec la plus grande capacité de stockage offerte par les aquifères salins profonds.
Afin d’atteindre les cibles de zéro net existantes, les estimations suggèrent que le déploiement de la technologie CSC doit augmenter de plusieurs ordres de grandeur au cours des deux prochaines décennies.
Cependant, un certain nombre d’obstacles doivent être surmontés afin d’accélérer le déploiement généralisé du CSC. L’un de ces obstacles consiste à réduire les risques du processus de stockage en améliorant notre compréhension fondamentale du devenir à long terme du CO injecté.2.
L’hydrogène bleu pour un avenir vert
Dans de nombreux scénarios de décarbonisation, l’hydrogène «bleu» est considéré comme un vecteur d’énergie renouvelable prometteur, utilisé dans le carburant, le chauffage, les transports et l’industrie. Pourtant, malgré ses avantages, il reste des problèmes à résoudre.
L’hydrogène bleu fait référence à la division du gaz naturel en hydrogène et CO2 par reformage du méthane à la vapeur ou reformage thermique automatique. Le dioxyde de carbone libéré dans le processus est capturé et stocké pour atténuer les impacts environnementaux.
L’hydrogène peut également être produit en divisant l’eau par électrolyse pour ne former que de l’oxygène et de l’hydrogène, autrement connu sous le nom d’hydrogène «vert». Dans ce processus, l’électricité est produite à partir de sources renouvelables telles que le vent et le solaire avec un CO proche de zéro2 émissions.
En raison des limites pratiques des systèmes énergétiques actuels, il est peu probable que l’hydrogène vert puisse être déployé à grande échelle avant 2050. L’hydrogène bleu avec CSC offre donc la solution optimale à l’heure actuelle.
Cependant, il reste plusieurs problèmes à résoudre, notamment en ce qui concerne la solubilité des impuretés d’hydrogène dans les réservoirs de stockage. Avant le projet actuel, il n’y avait pas de données haute pression sur la solubilité de l’hydrogène dans l’eau saline. Ceci est dû à la complexité de ce type de mesure, caractérisé par une haute pression, une forte inflammabilité de l’hydrogène et la présence de sel qui risque donc de corrosion et de fuite.
De même, une connaissance fiable des propriétés thermophysiques des mélanges de CO2, H2 et d’autres substances sont essentielles dans la conception du processus global de production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles avec captage, transport et stockage simultanés du CO2.
Technologie pionnière
L’étude récente menée par des scientifiques de l’Impériale est la première du genre à aborder ces problèmes pour l’hydrogène, en utilisant un nouvel appareil expérimental qui a mis en œuvre une méthode de synthèse statique conçue spécifiquement pour ce travail.
Le nouvel appareil a été conçu pour mesurer précisément la solubilité de l’hydrogène dans l’eau ou la saumure dans des conditions de température et de pression contrôlées. L’équipement peut supporter jusqu’à 150 ° C et une pression jusqu’à environ 400 bar pour imiter les conditions rencontrées dans les aquifères salins profonds naturels couramment utilisés dans le CSC.
En utilisant ce procédé, une quantité connue de gaz a d’abord été introduite dans un récipient à haute pression. Ensuite, de l’eau ou de la saumure a été injectée, comprimant le gaz et en forçant une partie à se dissoudre, et cela s’est poursuivi jusqu’à ce que tout le gaz se soit dissous.
Le processus a été surveillé par observation visuelle à travers une fenêtre scellée, faite d’un monocristal de saphir pur, qui formait une extrémité du récipient.
L’expérience a été répétée à différentes températures et avec des quantités variables de gaz pour établir comment la solubilité du gaz varie en fonction de la température et de la pression.
Une caractéristique importante de la conception, basée sur les leçons apprises précédemment, était l’élimination de tout volume «mort» non observable dans lequel du gaz non dissous pourrait être piégé.
La conception comportait également des matériaux, tels que l’alliage de titane et le saphir, qui résistent à la corrosion par les saumures concentrées.
Selon le professeur Martin Trusler, chercheur principal: «D’un point de vue industriel, la recherche contribue à réduire le risque de stockage de dioxyde de carbone en élaborant un dossier scientifique détaillé pour étayer les prévisions de la capacité de stockage et de la sécurité des réservoirs.»
En d’autres termes, l’étude contribuera à mieux prédire les performances à long terme des installations de captage et de stockage du carbone afin d’assurer un succès futur croissant de la technologie. «
Avancer
L’adoption des technologies de capture et de stockage du carbone est actuellement lente, limitée par le manque d’incitations financières, la faible acceptation du public, le manque de politique énergétique gouvernementale cohérente et les limites technologiques.
La recherche menée dans le cadre de cette étude en conjonction avec le projet ELEGANCY représente une étape cruciale pour faciliter la mise en œuvre généralisée de la technologie CSC et une plus grande consommation d’hydrogène comme carburant pour un avenir énergétique plus vert.
Les chercheurs suggèrent une enquête plus approfondie sur d’autres types de saumure, car leur étude portait uniquement sur la solubilité dans les solutions de chlorure de sodium. De plus, les divergences entre les études concurrentes avec des résultats variables doivent également être corrigées à l’avenir.
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« Solubilité de l’hydrogène dans la saumure de chlorure de sodium à haute pression » par Torin-Ollarves et Trusler, publié 18e Mars 2021 dans les équilibres de phase fluide.
Image principale: Shutterstock de Roman Zaiets.