PHYSIQUE DU PHÉNOMÈNE DE DÉGRADATION DE PERFORMANCE

Le captage et la séquestration du CO2 sont parmi les défis industriels et scientifiques majeurs de notre époque. Ces défis entrent dans le cadre de la réduction des gaz à effet de serre responsables de l’augmentation de la température moyenne de la terre.

Le CO2, à lui seul, représente 50% du pouvoir de réchauffement. Il devient alors urgent de trouver les méthodes pour lutter contre ses émissions. Différentes solutions techniques peuvent être envisagées. En amont : économie d’énergie et réduction de combustion de carbone fossile au profit d’énergies non émettrices de CO2, en aval : capture, transport et séquestration du CO2.

C’est dans ce contexte que s’inscrivent nos travaux intitulés  » Étude de l’efficacité diphasique d’une pompe pour la compression du CO2 « . Il s’agit en effet d’analyser les possibilités d’adapter une pompe axiale poly-phasique à la compression du CO2 déjà capté, en vue de son transport et de son injection dans des aquifères profonds ou dans des réservoirs épuisés. Initialement, la technologie de la pompe poly phasique a été développée par l’IFPEN il y a un peu plus d’une vingtaine d’années pour le transport de pétrole brut et du gaz naturel dans une seule conduite de production. L’objectif est maintenant d’étendre son domaine d’application à la compression du CO2.

La post-combustion consiste à traiter les fumées issues d’une combustion par un traitement aux amines capable d’en extraire le CO2. La pré-combustion consiste à modifier le combustible qui sera utilisé dans une chaudière, de manière à ce que la combustion produise un CO2 en très faible quantité. Le gaz est alors prélevé au niveau du traitement du combustible. Le dernier procédé, l’oxy-combustion se traduit par une suralimentation en oxygène au niveau de la combustion ce qui a pour effet de concentrer le CO2 dans les fumées pour un meilleur traitement. On s’intéresse plus particulièrement à ce procédé.

Pour porter le fluide aux conditions de transport ou d’injection dans les sites de séquestration géologique, il faut une puissance installée très importante (environ 13 MW installés par million de tonnes de CO2 comprimé annuellement) et une dépense énergétique d’environ 400 kJ/ kg de CO2 (110 kWh/tonne). La compression du CO2 constitue alors un poste non négligeable du coût de la chaîne de capture – séquestration. Selon le rapport IFPEN rédigé par Pierre-Antoine Bouillon [6], le coût du conditionnement du CO2 est de l’ordre de 50 à 60 € la tonne.

La technologie de la pompe polyphasique rotodynamique a été développée par IFPEN dans les années 80, pour répondre aux exigences de réduction des coûts de production de pétrole brut et de valorisation du gaz naturel sur des sites de production isolés (sites à terre ou en mer, et plus souvent sous marin). Elle permet le transport du brut et du gaz dans une seule conduite de production offrant une alternative au schéma utilisé autrefois, qui consistait à séparer les effluents et à ne transporter que le brut dans une conduite. Le gaz était alors transporté séparément dans le meilleur des cas, voire brulé sur le site même de production.

Le marché des pompes polyphasiques, actuellement en pleine expansion, est partagé de manière assez équilibrée en terme de puissance, entre deux technologies concurrentes :
– les pompes volumétriques de type double vis .
– les pompes rotodynamiques .

➤ Les pompes volumétriques sont constituées de deux vis sans fin montées parallèlement. Leur domaine de fonctionnement correspond généralement à des gains de pression élevés et des débits relativement faibles. Elles correspondent à des machines de puissances plutôt inférieures à 1,5 MW quoi que des pompes beaucoup plus puissantes, de l’ordre de 5 MW, commencent à être commercialisées.

➤ Les pompes rotodynamiques, brevetées par IFPEN et commercialisées sous la licence appelée POSEIDON, sont des pompes hélico axiales multi-étagées . Chaque cellule de compression, ou étage de compression, est constituée d’un rotor (ou impulseur), et d’un stator (ou diffuseur) comme la plupart des pompes ou compresseurs rotodynamiques. Les pompes Poséidon possèdent en général entre 5 et 15 étages.

Comme toutes les pompes rotodynamiques, les pompes polyphasiques sont caractérisées classiquement par des réseaux de courbes représentant le gain de pression, la puissance et le rendement en fonction du débit volume (ou masse pour le cas des compresseurs).

D’un point de vue physique, l’efficacité diphasique traduit la dégradation de performances de la pompe, liée entre autres à une mauvaise qualité du mélange dans les cellules de compression. Des travaux expérimentaux menés dans les années 90 ont permis à IFPEN de corréler l’évolution de ce paramètre fondamental en fonction des conditions opératoires mesurées à l’entrée de la pompe :

– Pression du mélange ;
– GLR (rapport volumique du débit de gaz et du débit de liquide) ;
– Débit total ;
– Vitesse de rotation.

L’impact de ces deux derniers paramètres sur l’efficacité diphasique est considéré, pour l’instant, comme étant du second ordre. Dans ces conditions, l’efficacité diphasique fait appel aux aspects thermodynamiques du mélange gaz- liquide considéré. Prise comme telle, elle est incapable de restituer ou d’expliquer la modification des courbes.