Gazéification souterraine du charbon : option de décarbonation et source d'hydrogène ?

Dans l'ensemble, UCG présente à la fois des avantages stratégiques et d'énormes risques environnementaux et géologiques. L'Inde devrait le peser avant de continuer

Cet article fait partie de la série Comprehensive Energy Monitor: India and the World

Le premier projet pilote de gazéification souterraine du charbon (UCG) en Inde a été réalisé dans le bloc minier Vastan, Surat, Gujarat par ONGC (Oil & Natural Gas Corporation Limited) en collaboration avec Gujarat Industries Power Company Ltd (GIPCL) en 2010. ONGC a repris le site du bloc de la mine Vastan appartenant à GIPCL à Nani naroli, district de Surat, Gujarat en tant que projet pilote de R&D pour établir la technologie UCG en collaboration avec le Centre national de recherche minière-Skochinsky Institute of Mining (NMRC-SIM), Russie. L'accord de collaboration (AOC) pour coopérer dans les services, les opérations, le développement et la recherche liés à UCG en Inde avec ONGC a été prolongé jusqu'en mars 2020. Un certain nombre de sites ont été identifiés conjointement par ONGC et Neyveli Lignite Corporation Limited (NLC) pour étudier leur adéquation à l'UCG. Ce sont Tadkeshwar au Gujarat et Hodu-Sindhari & East Kurla au Rajasthan. Un autre site a été identifié conjointement par ONGC et GMDC (Gujarat Mineral Development Corporation Limited) à Surkha dans le district de Bhavnagar, Gujarat. Les données de tous les champs ont été analysées pour évaluer l'adéquation de ces sites à l'UCG. Tous les sites ont été jugés propices à l'exploration UCG. Les progrès sur les projets UCG ont été lents, mais pourraient-ils devenir une option pour décarboner le charbon en Inde ?

La gazéification souterraine du charbon (UCG) est la combustion partielle in situ du filon de charbon pour produire du gaz utilisable par les mêmes réactions chimiques qui se produisent dans les gazogènes de surface. Ceci est réalisé en injectant de la vapeur et de l'air (ou de l'oxygène) dans le filon de charbon qui est ensuite enflammé pour initier la gazéification. Typiquement, des températures supérieures à 1000°C sont nécessaires pour que la gazéification se déroule. Les produits et sous-produits de la gazéification varient selon la nature du charbon, la température, la pression et aussi selon que l'on utilise de l'air ou de l'oxygène. Les gaz produits (gaz de synthèse ou gaz de synthèse) sont principalement constitués de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO2), d'hydrogène (H2), de méthane (CH4) et, dans une moindre mesure, de sulfure d'hydrogène (H2S) et de certains produits de pyrolyse de poids moléculaire plus élevé. . Quelle que soit son utilisation, le gaz de synthèse doit être nettoyé à l'aide de technologies disponibles dans le commerce pour éliminer les impuretés telles que les particules, le goudron et les composés soufrés tels que le H2S et le sulfure de carbonyle (COS) pour le rendre utilisable.

Électricité

Le gaz de synthèse chaud d'UCG peut être utilisé pour fabriquer de la vapeur pour entraîner une turbine à vapeur qui génère de l'électricité ou il peut être brûlé pour produire de la vapeur pour entraîner une turbine électrique. Le gaz de synthèse peut également être directement introduit dans une pile à combustible qui peut tolérer le CO pour générer de l'électricité basse tension qui peut être augmentée et injectée dans le réseau.

Matière première chimique

Le gaz de synthèse peut être utilisé comme matière première chimique (après que son rapport H2/CO est convenablement équilibré) pour produire du méthanol, de l'hydrogène, de l'ammoniac et d'autres produits chimiques à l'aide du procédé Fischer-Tropsch. L'Institut central de recherche sur les mines et les carburants (CIMFR), en Inde, a identifié le méthanol et le gaz de pétrole liquide (GPL) comme des produits potentiels du gaz produit à partir des opérations de l'UCG. Le CIMFR produit 5 litres de gaz de synthèse par jour à partir de son projet pilote UCG et convertit 1,5 tonne de charbon en méthanol dans son redresseur de méthanol.

Production d'hydrogène

Un argument plus solide en faveur de l'UCG réside dans le fait que le charbon est la source évidente d'hydrogène, qui est potentiellement un important vecteur énergétique proche de zéro carbone de l'avenir. UCG en tant que générateur d'hydrogène couplé à une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) pour générer directement de l'énergie électrique a été étudié par des experts indiens. L'intégration avec la SOFC offre deux avantages spécifiques : (1) L'échappement d'anode de la SOFC qui a une température de fonctionnement élevée peut être utilisé pour produire la vapeur nécessaire au fonctionnement de l'UCG ainsi que pour le reformage du gaz de synthèse pour la SOFC (2) La SOFC peut servent également d'absorbeur sélectif d'oxygène de l'air pour un système efficace de production d'énergie électrique neutre en carbone à partir de charbon souterrain. L'analyse thermodynamique du système intégré montre une amélioration considérable de l'efficacité thermique nette par rapport à celle d'une centrale à cycle combiné classique.

Seule une petite fraction du charbon indien est extraite sous terre, la majeure partie du reste étant extraite par extraction à ciel ouvert. De grandes réserves de charbon sont disponibles à des profondeurs supérieures à 300 mètres qui sont moins adaptées aux technologies minières conventionnelles. Cela limite les ressources de charbon disponibles malgré d'importantes réserves de papier. Le charbon indien était considéré comme «inexploitable» parce qu'il se trouvait sous des terres forestières vierges, trop profondes, de faible qualité ou dans des veines étroites pouvant être gazéifiées, augmentant ainsi considérablement la disponibilité des ressources en charbon. L'Inde possède également d'importants gisements de lignite difficile à exploiter économiquement en raison de sa faible teneur en énergie. Selon des estimations faites en 2006, environ 66% du charbon indien de faible qualité à une profondeur intermédiaire pourrait être gazéifié sous terre pour produire du gaz naturel synthétique, du méthanol, de l'essence, du diesel, de l'hydrogène et également utilisé comme matière première pour la production d'engrais.

La teneur élevée en cendres du charbon indien présente un défi opérationnel dans l'utilisation du charbon extrait dans le pays dans les équipements de surface tels que les gazogènes et les chaudières. UCG a un potentiel unique dans la récupération de la valeur calorifique du charbon à haute teneur en cendres. Aucun charbon ne serait transporté à la surface, ce qui réduirait également les coûts et l'empreinte de pollution locale associés au transport du charbon par rail (ou camions) ; cela réduirait également la pollution associée au stockage du charbon. Comme l'extraction de charbon conventionnelle est éliminée avec l'UCG, les coûts d'exploitation et les dommages de surface sont réduits et la sécurité de la mine est augmentée car les accidents tels que l'effondrement de la mine et l'asphyxie sont éliminés. Aucun système de gazéification de surface n'est nécessaire pour l'UCG et, par conséquent, les coûts d'investissement seraient inférieurs. Plus important encore, l'UCG avec séparation et réinjection du CO2 dans le sous-sol peut dissocier la demande croissante d'électricité de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES). L'intérêt croissant pour l'hydrogène en tant que vecteur énergétique zéro carbone justifie également de revisiter l'option UCG.

La capture, l'utilisation et le stockage du carbone (CCUS) sont devenus un élément technologique clé pour réduire les gaz à effet de serre (GES), principalement le CO2, par séquestration géologique, comme l'observe le rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Le stockage géologique du carbone (GCS) est similaire au CCUS. Le stockage du CO2 dans l'espace vide créé par le procédé UCG dans la zone du réacteur présente un certain nombre d'avantages : (1) L'UCG crée une cavité assez grande (de l'ordre de 5 à 8 mètres (m) de diamètre) entre les puits. Un seul brûlage avec des puits espacés de 300 m créerait un vide de 6 000 à 15 000 mètres cubes pouvant stocker environ 8 000 tonnes de CO2 (2) Des puits de production et d'injection sont disponibles pour la livraison de CO2 et le colmatage et l'abandon appropriés. Cela réduira considérablement le coût du CCUS car les puits représentent 40 à 60 % des coûts du CCUS (3) La réponse physique du charbon au CO2 peut améliorer la séquestration. Lorsque l'oxygène est utilisé pour la gazéification, les réacteurs de conversion eau-gaz (réaction du CO avec de la vapeur pour produire du CO2 et du H2) convertissent presque tout le CO en CO2 dont le CO2 peut être facilement éliminé par un certain nombre de technologies disponibles. Le CO2 peut être stocké dans des aquifères salins profonds, des gisements de gaz épuisés, des gisements de pétrole actifs et des filons de charbon épuisés et non exploitables, qui se trouvent tous fréquemment à proximité des filons de charbon choisis pour l'UCG, ce qui fait du package UCG-CCUS une option intéressante pour la gestion du carbone. Comme le charbon gonfle et se plastifie en présence de CO2, les fractures et la porosité peuvent se fermer rapidement, ce qui immobilisera et atténuera les fuites potentielles de CO2.

Le vide créé par l'UCG peut provoquer des déformations importantes à la fois dans le charbon restant et dans les roches environnantes. Le chauffage, la trempe, le flux d'eau et l'effondrement potentiel du toit et des murs peuvent sérieusement compromettre l'intégrité de la cavité. Ceux-ci sont difficiles à prévoir. En général, les côtés de la cavité se déplacent vers l'intérieur, le sol vers le haut et le toit vers le bas (affaissement). L'ampleur et la forme de l'affaissement dépendent de nombreux facteurs, notamment la profondeur du filon (épaisseur et mort-terrain), la rigidité effective de la roche et la limite d'élasticité. Les prévisions peuvent être inexactes car de nombreuses roches présentent un comportement contrainte-déformation non linéaire.

Les opérations UCG ne peuvent pas être contrôlées dans la même mesure que les gazogènes de surface, ce qui présente un risque en raison de la température et de la pression élevées dans la cavité. Une partie du charbon de l'UCG peut avoir des caractéristiques géologiques ou hydrologiques qui augmentent les risques environnementaux à des niveaux inacceptables. La zone de réaction plus large de l'UCG à grande échelle peut créer une vaste zone de dépression des eaux souterraines créant un écoulement dans plutôt que loin de la zone de combustion. Étant donné que l'UCG est un processus à haute température et haute pression, la production et le transport de composés organiques toxiques à partir de la cavité de combustion seront une conséquence, quel que soit le type de charbon gazéifié. Les sites UCG plus profonds doivent utiliser une pression et une température plus élevées pour maintenir la zone de combustion, ce qui augmente le risque d'écoulement vers les eaux souterraines régionales. L'utilisation du site UCG pour le CCUS peut augmenter la mobilité de nombreux contaminants car les matières organiques sont généralement très solubles dans le CO2 et les métaux sont mobilisés dans des conditions aqueuses acides. En maintenant la direction de l'écoulement des eaux souterraines dans la cavité plutôt qu'à l'opposé de celle-ci, la mobilité des contaminants solubles pourrait être considérablement réduite.

L'économie des centrales électriques basées sur UCG n'est pas facilement disponible car il n'y a pas de centrales électriques UCG en activité dans le monde occidental et les estimations de coûts sont difficiles à obtenir pour les centrales qui fonctionnent en Chine et en Russie. En général, une centrale électrique basée sur l'UCG est très similaire à une centrale électrique à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC) moins le gazogène de surface. L'usine UCG a également besoin d'un équipement de nettoyage des gaz beaucoup plus petit car la teneur en goudron et en cendres du gaz de synthèse à base d'UCG est nettement inférieure à celle obtenue à partir d'un gazéifieur de surface. Ces facteurs confèrent aux centrales électriques à base d'UCG un avantage économique significatif par rapport aux centrales IGCC et aux centrales à charbon pulvérisé supercritique (SCPC). Les estimations évaluent le coût d'une centrale électrique UCG à environ la moitié de celui d'une centrale SCPC et IGCC et le coût de l'électricité produite à l'aide d'une centrale UCG à environ un quart de celui d'une centrale IGCC ou SCPC.

L'économie de l'UCG comporte des incertitudes majeures qui devraient persister. L'UCG est un processus à l'état intrinsèquement "instable" et le débit et la valeur calorifique du gaz produit varient dans le temps. Toute usine en exploitation doit tenir compte de ce facteur. De nombreuses variables de processus importantes telles que le taux d'afflux d'eau, la distribution des réactifs dans la zone de gazéification et le taux de croissance de la cavité ne peuvent être estimées qu'à partir de mesures de la température et de la qualité et de la quantité du gaz produit. Les changements dans la quantité et la qualité du gaz produit auront un impact significatif sur l'économie du projet. D'autre part, les dépenses en capital des projets UCG peuvent être sensiblement inférieures à celles des gazogènes de surface équivalents car l'achat d'un gazogène n'est pas nécessaire. Les dépenses d'exploitation liées à l'extraction du charbon, au transport du charbon et à la gestion des cendres sont également considérablement réduites à UCG. Même pour les projets dotés d'importantes installations de surveillance et de sécurité environnementales, les usines UCG ont conservé leurs avantages économiques.

Dans l'ensemble, UCG présente des avantages stratégiques tels que l'utilisation d'une ressource nationale qui contribuera à la sécurité énergétique, la compétitivité des coûts par rapport aux technologies propres alternatives et la faible demande sur les ressources foncières rares en Inde. Cependant, il comporte également d'énormes risques environnementaux et géologiques. Pour faire le bon choix pour l'Inde, une analyse minutieuse des coûts et des avantages de l'UCG par le biais de projets pilotes détaillés sera nécessaire.

Les opinions exprimées ci-dessus appartiennent au(x) auteur(s).