Le projet catch4climate

 

Aperçu du projet

1Pourquoi le site de Mergelstetten a-t-il été choisi pour ce projet ?
Tous les sites susceptibles d’accueillir l’installation pilote Pure Oxyfuel au sein du consortium ont été étudiés par une équipe d’experts représentant l’ensemble des partenaires du consortium. Les principales raisons ayant conduit au choix du site de Mergelstetten sont la disponibilité d’une zone de construction couverte par un plan d’aménagement, la bonne desserte du site par les infrastructures de transport ainsi que son accessibilité logistique favorable pour les fournisseurs potentiels d’oxygène. Par ailleurs, d’importantes synergies peuvent être exploitées avec la cimenterie existante de l’entreprise SCHWENK. Celles-ci concernent notamment l’approvisionnement en farine crue et en combustibles. Le charbon pulvérisé ainsi que les combustibles alternatifs peuvent être acheminés sur de courtes distances logistiques, ce qui permet de réduire au minimum les mouvements de camions nécessaires.
2Quand l’installation sera-t-elle mise en service ?
L’installation pilote devrait être mise en service à l’été 2026.
3Dans quelle mesure le procédé Oxyfuel augmente-t-il le coût du ciment ?
La production de clinker de ciment au moyen du procédé Oxyfuel nécessite une quantité d’énergie nettement plus importante, notamment sous forme d’électricité pour extraire l’oxygène pur de l’air et pour liquéfier le CO₂ capté. Cela entraîne inévitablement une augmentation des coûts du processus de production. Des études publiques réalisées entre 2014 et 2018 estiment que les coûts de production du clinker pourraient être supérieurs d’environ 40 %. Toutefois, il n’est pas encore possible de déterminer avec précision l’augmentation réelle des coûts. Cette question fait également partie des objectifs du projet pilote et sera étudiée dans ce cadre.
4Quel sera le coût total du projet en millions d’euros ?
En tenant compte de l’ensemble des investissements ainsi que des coûts d’exploitation, le budget total du projet s’élève à environ 130 millions d’euros.
5Comment des avantages concurrentiels peuvent-ils être obtenus à long terme ?
Selon les études actuellement disponibles, les coûts de réduction des émissions de CO₂ sont estimés entre 40 et 90 €/t de CO₂ (captage et traitement du CO₂ au sein de la cimenterie). Les coûts réels dépendent toutefois fortement de la technologie et du procédé choisis. Les études actuelles montrent que la technologie Pure Oxyfuel retenue pour le projet catch4climate pourrait engendrer des coûts compris entre 40 et 50 €/t de CO₂. C’est dans cet écart de coûts que réside l’avantage concurrentiel attendu de la technologie Pure Oxyfuel, qui permet une séparation et un traitement, ou une séquestration, nettement facilités des émissions de CO₂ issues du processus de cuisson du clinker.
6Comment la tarification du CO₂ est-elle prise en compte ?
En raison de sa faible capacité de production, l’installation pilote ne participe pas au système européen d’échange de quotas d’émission de CO₂. En revanche, les suppléments liés au prix du CO₂ prévus par le système allemand d’échange de quotas d’émission (BEHG) doivent être acquittés pour les combustibles utilisés. Ces coûts font partie des coûts d’exploitation de l’installation.
7Quel est l’impact de ce procédé sur le prix du CO₂ par tonne ?
Le procédé Oxyfuel lui-même n’a aucune influence sur la quantité de CO₂ produite lors du processus de cuisson du clinker ; il permet simplement de générer le CO₂ sous une forme déjà fortement concentrée. Ce n’est qu’à travers une étape ultérieure de captage du CO₂ (purification et liquéfaction) que les émissions de CO₂ d’une installation de four peuvent être évitées et ne pas être rejetées dans l’atmosphère. Pour les futures installations Oxyfuel de plus grande taille, cela signifie qu’une demande plus faible en quotas de CO₂ dans le système européen d’échange de quotas d’émission pourrait être nécessaire, ce qui devrait, du moins en théorie, exercer une tendance à la baisse sur leur prix.
8La qualité du clinker s’améliore-t-elle avec le procédé Oxyfuel ?
Cette question fait l’objet d’une étude approfondie dans le cadre du projet et constitue un élément supplémentaire de l’évaluation des avantages de la technologie Pure Oxyfuel. À cette fin, des essais sont réalisés sur l’installation pilote afin d’examiner les possibilités d’amélioration de la qualité du clinker.
9À l’avenir, chaque cimenterie devra-t-elle disposer d’une installation de four fonctionnant selon le procédé Oxyfuel ?
Si le projet pilote s’avère concluant, le procédé Oxyfuel représentera une excellente option pour capter du CO₂ hautement concentré à partir des gaz de combustion et contribuer ainsi à la neutralité carbone de l’industrie cimentière. En principe, les installations de fours existantes peuvent être converties au procédé Oxyfuel, ou de nouvelles installations peuvent être construites selon ce procédé. Parallèlement au procédé Oxyfuel, d’autres alternatives technologiques sont également testées dans l’industrie cimentière mondiale afin d’atteindre l’objectif de neutralité carbone. Il n’est pas encore possible de savoir aujourd’hui laquelle de ces innovations technologiques s’imposera à terme. Toutefois, le procédé Oxyfuel est actuellement considéré comme celui offrant les coûts d’exploitation les plus faibles parmi les technologies concurrentes.
10Ce projet est-il pertinent du point de vue de l’efficacité énergétique ?
Le captage du CO₂ associé au procédé nécessite une quantité d’électricité nettement plus importante que le processus de production conventionnel. Une grande partie de cette consommation supplémentaire est liée à la production d’oxygène (dans le cadre du projet pilote, cette consommation énergétique supplémentaire est toutefois supportée par le fournisseur d’oxygène). Par ailleurs, les besoins en énergie combustible sont également légèrement plus élevés avec le procédé Oxyfuel. Cela s’explique notamment par des pertes thermiques accrues dues à un rayonnement de chaleur plus important lié aux sections plus réduites des conduites de gaz, ainsi que par le fait que la chaleur du clinker cuit ne peut pas être utilisée de la même manière pour préchauffer l’oxygène de combustion que dans les installations conventionnelles, où elle sert à préchauffer l’air de combustion.
11L’objectif est-il également d’utiliser 100 % de combustibles alternatifs ?
L’utilisation de combustibles alternatifs, en particulier ceux contenant une part de matières biogènes, permet à l’industrie cimentière de réduire dans une proportion équivalente le recours aux combustibles fossiles.
12Serait-il intéressant de se concentrer sur des combustibles respectueux de l’environnement ?
En ce qui concerne l’utilisation prévue de 100 % de combustibles alternatifs, une préservation maximale des ressources dans l’approvisionnement énergétique est assurée. Le processus de cuisson du clinker permet une valorisation thermique des combustibles sans résidus, c’est-à-dire qu’il ne génère ni cendres ni mâchefers devant être éliminés en décharge, contrairement à ce qui se produit dans les usines d’incinération des déchets. Il apporte ainsi une contribution importante à une valorisation thermique respectueuse de l’environnement.
13Pourquoi mène-t-on des recherches sur le captage du CO₂ contenu dans les gaz de combustion ?
La neutralité climatique visée en Europe et en Allemagne d’ici 2045 constitue le cadre des développements technologiques et des processus de transformation nécessaires, y compris dans l’industrie cimentière. Selon la feuille de route CO₂ de l’Association allemande de l’industrie du ciment (VDZ), les technologies dites CCUS (captage, utilisation et stockage du carbone) contribueront à plus de 50 % à la réduction des émissions de CO₂ liées aux procédés industriels sur la voie de la neutralité climatique. Parmi les différentes options de captage du CO₂ issu du processus de cuisson du clinker, la technologie Pure Oxyfuel est considérée comme la solution potentiellement la plus économique. Cette technologie est donc particulièrement prometteuse pour l’industrie cimentière et constitue une contribution essentielle à l’atteinte des objectifs politiques en matière de neutralité climatique.

Technologie de l’installation

1L’installation nécessite-t-elle beaucoup d’électricité ?
L’évitement des émissions de CO₂ est très énergivore, quelle que soit la technologie choisie. La consommation spécifique d’énergie de l’installation de captage du CO₂ associée au procédé Pure Oxyfuel est estimée entre 120 et 150 kWh par tonne de CO₂ purifiée et liquéfiée.
2Quelles techniques de traitement des gaz de combustion sont utilisées dans l’installation de four Oxyfuel ?
Les gaz de combustion en sortie des cyclones du préchauffeur doivent être traités conformément aux prescriptions relatives aux émissions prévues par la loi fédérale allemande sur la protection contre les nuisances (BImSchG), les Instructions techniques sur la qualité de l’air (TA Luft) et le 17e règlement d’application du BImSchG (17. BImSchV).
Cette approche tient compte du fait que la composition et les concentrations de polluants des gaz de combustion du four sont modifiées en raison de l’utilisation d’un nouvel agent oxydant (oxygène pur au lieu de l’air ambiant). Par rapport aux installations de fours conventionnelles, la technologie de traitement des gaz de combustion est donc améliorée.
Les techniques suivantes sont prévues :
• Le flux de gaz de combustion en sortie du préchauffeur est dépoussiéré à l’aide d’un filtre résistant aux hautes températures.
• Les gaz de combustion faiblement chargés en poussières sont ensuite dirigés vers une installation SCR (réduction catalytique sélective) destinée à réduire les émissions de NOx. Cette installation SCR constitue la deuxième étape du traitement des oxydes d’azote, après l’installation SNCR intégrée au four, qui assure une réduction non catalytique des NOx. • La présence potentiellement plus élevée de composés soufrés (SOx) dans les gaz de combustion a rendu nécessaire l’installation d’un système spécifique de désulfuration des fumées, dont la conception globale permet également de réduire les émissions de mercure. C’est pourquoi il est prévu d’équiper cette installation pilote de four Oxyfuel d’un laveur humide (scrubber) supplémentaire pour le traitement des gaz de combustion, une solution jusqu’à présent considérée comme peu conventionnelle dans l’industrie cimentière.
3Comment le CO₂ est-il capté ?
L’unité CPU (CO₂ Processing Unit), ou unité de traitement du CO₂, combine plusieurs étapes de procédé coordonnées pour séparer et liquéfier le CO₂ contenu dans les gaz de combustion. Dans un premier temps, le gaz est dirigé vers un laveur de gaz où il est refroidi, partiellement déshydraté et débarrassé de certains sels. Il est ensuite traité, par exemple au moyen d’un lavage alcalin sous pression, afin d’éliminer les oxydes d’azote et les oxydes de soufre. Le gaz est ensuite séché à l’aide d’un adsorbeur à lit fixe. Une fois sec, il est séparé dans une colonne de rectification à haute pression fonctionnant à très basse température. Cette opération permet de fractionner le gaz en plusieurs composants : le CO₂ liquide d’une part, et d’autre part l’oxygène, l’azote, l’argon ainsi que le CO₂ résiduel sous forme gazeuse. Remarque : le rendement de récupération du CO₂ liquéfié (« catch rate ») dépend également de la concentration de CO₂ présente dans le gaz à l’entrée de la CPU. L’augmentation de ce rendement est liée à une disponibilité opérationnelle aussi élevée que possible de l’installation de four ainsi qu’à un fort degré d’enrichissement en CO₂.
4À quel endroit précis du procédé le CO₂ est-il capté ?
Le CO₂ est capté après le traitement des gaz de combustion (mis en œuvre afin de respecter les valeurs limites fixées par la 17e BImSchV) et avant leur rejet dans l’atmosphère par la cheminée.
5Quel est le coût énergétique du captage du CO₂ ? Quel est l’effort énergétique nécessaire pour séparer le CO₂ ?
L’objectif premier de ce projet est d’atteindre la concentration de CO₂ la plus élevée techniquement possible afin d’optimiser la conception d’une CPU à l’échelle industrielle, tant du point de vue énergétique que des coûts d’investissement. L’installation pilote constitue la première étape visant à repenser le processus de cuisson du clinker en amont de la chaîne de traitement, de manière à obtenir une concentration optimale de CO₂ à l’entrée de l’étape suivante du procédé. De manière générale, il existe une corrélation entre une consommation énergétique plus faible de la CPU et un degré plus élevé d’enrichissement en CO₂ à son entrée. (Il convient de noter que la consommation spécifique d’électricité d’une CPU, quelle que soit sa conception, dépassera celle nécessaire à l’exploitation du four.) C’est pourquoi le projet de recherche se concentre principalement sur l’évaluation des performances du nouveau four. La détermination du niveau d’enrichissement en CO₂ atteint ainsi que de l’amplitude de ses variations constitue un objectif essentiel du projet, afin de permettre le dimensionnement approprié des autres unités de l’installation. D’après les études disponibles, il faut s’attendre, pour une installation à grande échelle, à une consommation spécifique d’énergie électrique d’environ 120 à 150 kWh par tonne de CO₂. Literatur: A. Darde et al., “Air separation and flue gas compression and purification units for oxy-coal combustion systems”, Energy Procedia 1 (2009) 527-534 V. Hoenig, et al. „ECRA CCS Project –Report about Phase III. Technical Report TR-119/2012“, Düsseldorf / Germany, 2012 K. Koring, „CO2-Emissionsminder-ungspotential und technologische Auswirkungen der Oxyfuel- Technologie im Zementklinkerbrennprozess“; Schriftenreihe der Zementindustrie, Heft 79, 2013
6Dans quelle mesure le stockage et le transport du CO₂ présentent-ils des risques ? Évaluation des risques liés au CO₂.
Le CO₂ est un gaz technique utilisé, par exemple, comme gaz inerte pour la prévention des incendies et des explosions, comme gaz de purge ou comme gaz de protection afin d’éviter des réactions indésirables. La liquéfaction des gaz au moyen de pressions élevées et de basses températures, ainsi que leur stockage et leur transport dans ces conditions, doivent être réalisés dans le respect des normes de sécurité applicables.

Protection de la qualité de l’air

1Qu’est-ce qui est rejeté dans l’atmosphère par la cheminée des gaz de combustion, en dehors du CO₂ ? Quelle est la composition des rejets atmosphériques ?
Dans l’étude technique relative aux polluants atmosphériques, les émissions futures de l’installation sont décrites et évaluées de la manière la plus précise possible. De manière générale, le processus de cuisson du clinker génère des émissions provenant de la combustion, des procédés techniques mis en œuvre ainsi que de la composition des matières premières et des combustibles utilisés. Des valeurs limites d’émission sont prévues pour les composants • les oxydes d’azote (NOx), • le monoxyde de carbone (CO), • les poussières, • les oxydes de soufre (SO₂), • l’ammoniac (NH₃), • les chlorures et fluorures (HCl, HF), • les composés organiques (COT), • le benzène, • le mercure (Hg), • les éléments traces, • les dioxines et les furanes. Le procédé Oxyfuel a également une influence sur le niveau d’émission des composants mentionnés ci-dessus en raison de sa technologie de procédé différente (du fait du débit plus faible des gaz de combustion, les concentrations d’émission sont plus élevées ; toutefois, les quantités de polluants émises par tonne de clinker restent comparables à celles des installations de fours conventionnelles). Les émissions sont donc surveillées par des mesures régulières et, pour la plupart d’entre elles, même en continu, tout comme dans les installations de fours conventionnelles. Par ailleurs, les technologies les plus modernes de traitement des gaz de combustion, conformes à l’état de la technique, sont mises en œuvre. À l’aide d’une modélisation de dispersion des polluants atmosphériques, les immissions susceptibles d’être générées par l’installation dans son environnement sont également évaluées. L’installation pilote est conçue, construite et exploitée de manière à garantir en permanence un fonctionnement sûr, sans nuisance et respectueux de l’environnement.
2Pourquoi affirmez-vous qu’à terme plus rien ne sortira de l’usine ?
L’objectif à long terme est d’augmenter progressivement le captage du CO₂ contenu dans les gaz de combustion. Ainsi, de moins en moins de gaz de combustion issus du four seraient rejetés dans l’environnement par la cheminée principale. Si l’ensemble du flux de gaz de combustion était dirigé vers une installation de captage du CO₂, il ne resterait finalement comme émission que l’air de refroidissement dépoussiéré provenant du refroidisseur.
Toutefois, l’ampleur réelle du captage du CO₂ qui sera mise en œuvre dans le cadre du projet pilote ne pourra être déterminée qu’au fur et à mesure de l’avancement du projet. L’objectif principal du projet de recherche est de démontrer qu’un captage complet du CO₂ est fondamentalement possible lorsque le procédé de production Pure Oxyfuel est utilisé.
3Comment la composition des polluants évolue-t-elle avec l’utilisation de 100 % d’oxygène ?
La combustion à l’oxygène pur, en raison de sa technologie de procédé différente, influence les niveaux d’émission des composants mentionnés ci-dessus au point 31, tels que les NOx. La température plus élevée des gaz peut entraîner une conversion accrue de l’azote présent en NOx. En revanche, la quantité totale d’azote présente dans le système est nettement plus faible, de sorte que ces effets peuvent se compenser totalement ou partiellement. Par ailleurs, les modifications du fonctionnement du four entre des conditions réductrices et oxydantes ont également une incidence sur les niveaux d’émission du SO₂ et du COT (carbone organique total). Les émissions de ces composants sont mesurées et surveillées en continu pendant l’exploitation de l’installation. En raison du débit plus faible des gaz de combustion, les concentrations de polluants dans les gaz sont généralement plus élevées que dans les cimenteries conventionnelles. Cependant, les quantités de polluants émises par tonne de clinker restent comparables à celles des installations de fours conventionnelles, puisqu’en définitive, il n’est pas possible d’émettre davantage de substances que celles introduites dans le processus de cuisson du clinker par les matières premières et les combustibles utilisés.

Autres questions et suggestions concernant le projet

1Qu’en est-il de projets de protection du climat similaires dans d’autres régions du monde, par exemple en Asie ?
En raison de l’Accord de Paris, des projets de protection du climat sont actuellement menés dans le monde entier.
Ces projets visent principalement à développer et tester de nouvelles technologies (comme le procédé Oxyfuel), qui pourront ensuite être déployées dans de nombreux autres pays, y compris en Asie, si elles s’avèrent concluantes.
Les partenaires du consortium CI4C exercent leurs activités à l’échelle internationale. Après une expérimentation réussie dans le cadre du projet C4C, la technologie Oxyfuel pourra être mise en œuvre sur leurs sites à travers le monde.
 

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