Optimisation thermo-économique et environnementale du cycle de vie d'un procédé de capture de dioxyde de carbone dans une centrale termique

L'optimisation multicritères de la conception d'un procédé permet d'en minimiser les émissions polluantes et les coûts simultanément. Cela permet de déterminer une série de configurations représentant le meilleur compromis possible entre ces deux objectifs, peu importe leur pondération ultérieure. L'espace de décision peut comprendre des variables de conception, comme le choix de la taille ou de la température d'opération des équipements, et des variables d'approvisionnement, comme le choix d'un fournisseur ayant de meilleures pratiques environ¬nementales plutôt qu'un autre. Pour obtenir le meilleur compromis possible, il faut d'abord définir les fonctions-objectif correctement, ce qui pourrait nécessiter de les considérer dans une perspective du cycle de vie. La conception réellement optimale d'un procédé pourrait donc dépendre des impacts environnementaux du cycle de vie de ses intrants. L'hypothèse de recherche de cette thèse est qu'une décision de conception de procédé prise post-optimisation avec analyse du cycle de vie (ACV), comparativement à la décision prise sans ACV, apporte un bénéfice économique et environnemental à long terme dont l'espérance est mesurable, du moins lorsque les contraintes environnementales ne sont pas déjà internalisées dans le coût des intrants mais le seront plutôt entre le moment de la conception et celui de la construction. L'objectif général de recherche de cette thèse est de faire une validation de principe de l'intégration de données d'ACV dans un contexte d'optimisation de la conception d'un procédé par simulation informatique, et d'en mesurer le bénéfice pour un cas d'étude. Ce faisant, il est souhaité de développer de nouvelles façons d'utiliser l'ACV. Le cas d'étude est la conception préliminaire d'un procédé de capture de CO2 en postcombustion dans une centrale électrique à cycle combiné fonctionnant au gaz naturel. Le procédé en boucle met la fumée refroidie en contact avec un absorbant chimique aqueux qui réagit avec le CO2, pour ensuite chauffer l'absorbant et libérer le CO2 concentré qui peut ensuite être injecté dans un aquifère salin en haute mer. Les impacts environnementaux de ce procédé viennent principale¬ment du fait que la désorption consomme de la vapeur qui aurait autrement pu produire davantage d'électricité. Des impacts supplémentaires sont associés au remplacement périodique de l'absorbant, aux fuites de séquestration, ainsi qu'aux infrastructures, à la machinerie et à l'énergie requises pour compresser, assécher, re-compresser, transporter et injecter le CO2. La modélisation informatique du cas d'étude comprend un modèle de schéma d'écoulement du procédé incluant la cinétique de la capture, un modèle séparé d'intégration thermique du procédé, un algorithme génétique d'optimisation multicritères, le calcul des fonctions-objectif, et une plate-forme sous-jacente fournie par le Laboratoire d'énergétique industrielle de l'École polytechnique fédérale de Lausanne. L'espace de décision combine des variables de décision continues (par exemple, la pression d'une colonne) et discrètes (par exemple, le branchement d'un écoulement). Une partie de l'originalité de la démarche est d'explorer simultanément de nombreuses configu-rations d'écoulement et d'échangeurs de chaleur grâce à la plate-forme utilisée. Un objectif secondaire de recherche est donc de contribuer à l'état de l'art de la conception des procédés de capture de CO2 en milieu aqueux, particulièrement au niveau de l'intégration thermique. La principale originalité de la démarche est toutefois de comparer la prise de décisions en considérant toujours plusieurs façons de mesurer les impacts environnementaux avec ou sans l'ACV. Cela permet de mesurer la contribution de l'ACV elle-même pour la prise de décisions, mais aussi l'importance des impacts environnementaux spécifiques à chaque intrant, qu'il s'agisse de gaz naturel, d'acier, d'absorbant, ou d'un service de transport et de séquestration du CO2, ou encore spécifiques à chaque substance émise, qu'il s'agisse du CO2 lui-même, des autres gaz à effet de serre ou d'autres polluants. Les principaux résultats de ce travail sont que le coût de la capture du CO2, par unité de potentiel de réchauffement global évité, augmente d'environ 3 % lorsqu'on considère les impacts dans une perspective du cycle de vie, et que c'est le CO2 lui-même, émis par les producteurs de gaz naturel et les transporteurs de CO2, qui contribue principalement à cette différence. Ainsi, l'ACV peut mener à de meilleures décisions dans plusieurs circonstances, en favorisant l'efficacité énergétique et la substitution de combustibles biogéniques comme le gaz naturel synthétique du bois gazéifié, et en décidant d'encourager les fournisseurs à réduire leurs propres émissions. Dans le cas précis où une taxe anticipée sur le CO2 est tout juste suffisante pour donner l'impression que la capture est rentable, alors qu'une évaluation détaillée de la même taxe chez les fournisseurs indique qu'elle n'est pas rentable, le recours à l'ACV mène alors à la décision de payer la taxe plutôt que de capturer le CO2, pour un gain d'environ 0,64 $/MWh attribuable à l'ACV, validant ainsi l'hypothèse de recherche. Les conclusions techniques, économiques et environnementales découlant de ces résultats sont détaillées dans trois articles soumis avec cette thèse, respectivement. Quelques observations originales sur le plan technique répondent à l'objectif secondaire de recherche. En particulier, il pourrait être avantageux d'utiliser la chaleur de l'absorbant de CO2 appauvri pour générer de la vapeur, ce qui permettrait de simplifier le désorbeur. Aussi, les résultats donnent des valeurs optimales relativement élevées pour la largeur de l'absorbeur, la charge nette de l'absorbant et le taux de capture. Cela porte à croire que les auteurs précédents n'ont pas pu arriver à un optimum global parce qu'ils ont utilisé un nombre insuffisant de variables de décision et parce que leur fonction-objectif, minimiser la consommation de vapeur, est inadéquate. Cependant, ces idées restent à valider avec un modèle plus détaillé. Le principal apport aux connaissances de cette thèse consiste en une nouvelle méthodologie d'optimisation du cycle de vie qui combine l'ACV et l'analyse des coûts du cycle de vie. Elle permet d'optimiser la conception d'un procédé tout en considérant que les fournisseurs vont optimiser eux-mêmes leurs émissions, sous la pression soit de nouvelles taxes, soit d'une politique d'approvisionnement à déterminer plus tard. Son originalité repose sur une pondération des émissions des fournisseurs selon leur coût d'évitement correspondant à un mélange optimal de mesures de prévention et de compensation. Cette méthodologie est la seule permettant une conception globalement optimale, selon la démonstration fournie dans cette thèse, qui suggère également que la validité de l'approche s'étend à toutes les décisions de conception en général. L'analyse des coûts d'évitement de 3850 processus élémentaires d'une base de données d'ACV démontre que pour une très large majorité de processus, qualifiables d'énergivores, les coûts d'évitement des substances autres que le CO2 sont négligeables par rapport aux autres coûts. Comme les coûts non-environnementaux représentent indirectement des opportunités d'évitement d'impacts ailleurs, il est souvent préférable, même d'un point de vue strictement environne¬mental, d'utiliser une conception de faible coût mais en incitant (monétairement) les fournisseurs à prévenir ou à compenser leurs émissions, plutôt que d'utiliser la conception de faibles impacts selon l'ACV sans égard aux coûts. En fait, lorsque la totalité des intrants d'un procédé sont énergivores, la conception optimale est simplement celle qui minimise les coûts du cycle de vie, incluant les futures taxes indirectes sur le CO2 que l'ACV permet d'estimer pour chaque intrant.

Abstract

Multi-objective process design optimization makes it possible to simultaneously minimize the polluting emissions and the costs of a process, determining a set of configurations that represents the best possible compromise between these two objectives, regardless of their future weighting. The decision space may include design variables such as equipment size or operating temperature and procurement variables such as the choice of a supplier with better environmental practices than another. In order to obtain the best possible compromise, the objective functions must be correctly defined in the first place – a process that may require considering them in a life cycle perspective. The truly optimal design of a process could thus depend on the life cycle environmental impacts of all its inputs. The research hypothesis outlined in this dissertation advances that a process design decision taken post-optimization with life cycle assessment (LCA), as compared to the decision taken without LCA, brings a long-term economic and environmental benefit with a measurable expectation, at least when environmental constraints have not been internalized in input prices yet, but will be internalized between the design phase and the construction phase. The general research objective is therefore to set out a proof of concept of LCA data integration into a process design optimization context through computer simulation and then to measure the benefits for a case study, with a view to develop new ways of using LCA. The case study involves the preliminary design of a post-combustion CO2 capture process in a natural gas combined cycle power plant. The closed-loop process puts cold flue gas in contact with an aqueous chemical absorbent that reacts with the CO2, after which the absorbent is heated to release concentrated CO2 that can later be injected into a saline aquifer at sea. The environmental impacts of the process stem in majority from the stripper consumption of steam that would otherwise produce more electricity. Additional impacts are generated by make-up absorbent production and by sequestration leaks, as well as by the infrastructure, the machinery and the energy required to compress, dry out, recompress, transport and inject the CO2. Computer modeling of the case study includes a process flow-sheeting model that accounts for CO2 capture kinetics, a separate thermal integration model, a genetic multi-objective optimi¬zation algorithm, the calculation of objective functions as well as an underlying platform provided by the Industrial Energy Systems Laboratory of École polytechnique fédérale de Lausanne. The decision space combines continuous (e.g. a column operating pressure) and discrete variables (e.g. the branching of a flow). Part of the originality of the approach is that it concurrently explores several absorbent flow and heat exchanger configurations using the unique capabilities of the platform. A secondary research objective is therefore to contribute to the state of the art in CO2 capture process design, especially as it pertains to thermal integration with the power plant steam cycle. However, the originality of the approach is mainly driven by the fact that it compares decisions made by considering several ways of measuring the environmental impacts, with and without LCA, thus making it possible to assess the contribution of LCA itself for decision-making as well as the significance of the environmental impacts specific to each input (e.g. natural gas, steel, absorbent, or CO2 transport and sequestration services), or specific to each substance emitted (e.g. CO2, other greenhouse gases, or other pollutants). The main results of the research are that the CO2 capture costs, per unit of avoided global warming potential, increase by approximately 3% when considering impacts in a life cycle perspective and that it is the CO2 released by natural gas producers and CO2 transporters that largely contribute to the increase. LCA can therefore lead to better decision-making in several circumstances by fostering energy efficiency and the substitution of biogenic fuels such as synthetic natural gas from wood gasification as well as by choosing to incite suppliers to reduce their emissions. In the specific case in which an anticipated CO2 tax is just enough to give the impression that capture is profitable while a detailed assessment of the same tax as paid by suppliers indicates that it is not, LCA will support the decision to pay the tax rather than capture the CO2, for a net gain of some $0.64/MWh attributable to the LCA, therefore validating the research hypothesis. The technical, economic and environmental conclusions drawn from these results are detailed in the three articles submitted with this dissertation, respectively. Certain novel technical observations meet the secondary research objective. More specifically, it may be advantageous to use the lean CO2 absorbent heat to generate steam, simplifying stripper design. Also, results include relatively high optimal values for the absorber width, the net absorbent loading and the overall capture rate, leading one to believe that other authors have not yet been able to reach a global optimum because they used too few decision variables and they relied on the inadequate objective function of minimizing steam consumption. However, these ideas must still be validated using a more detailed model including the individual cost of the main heat exchangers. This dissertation's main contribution to scientific knowledge consists in a new life cycle optimization methodology that combines life cycle assessment and life cycle costing, making it possible to optimize a process design while considering that suppliers will also optimize their emissions themselves because of future taxes or voluntarily through a procurement policy to be determined at a later date. Its originality is based on a method for weighting supply-chain emissions according to the avoidance cost of an optimal combination of prevention and compensation measures. According to the theoretical demonstration set out in the dissertation, this methodology is the only approach that makes it possible to determine a globally optimal design, and it is suggested that its validity extends to all design decision-making in general. The avoidance costs of a batch of 3 850 elementary processes from an LCA database show that, for the vast majority of these processes defined as energy-intensive, the avoidance costs of non-CO2 substances are negligible as compared to all other costs. Since non-environmental costs indirectly represent avoidance opportunities elsewhere, it is often preferable – even from a strictly environmental perspective – to use a low-cost design and incite suppliers (using money) to prevent or compensate their emissions rather than rely on a design with low-impacts according to LCA but without considering costs. In fact, when all inputs of a process are energy-intensive, the optimal process design is simply the one that minimizes all life cycle costs, including indirect future CO2 taxes that LCA can estimate for each input.