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.  couramment utilisée dans les média, montre en effet les variations de la température en fonction du temps sur une échelle de 1000 ans. Sur une période plus récente, elle indique une forte croissance à partir du milieu du XXième siècle. 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.

Dans certains cas, l’oxy-combustion produit des fumées dans lesquelles la teneur des « impuretés » est supérieure à 5 %. La liquéfaction du CO2 est alors opérée en présence de composants restant à l’état de gaz. Il convient donc de retirer ces incondensables pour pouvoir utiliser une pompe conventionnelle.

Outre les étages de compression – détente décrits dans le schéma précédent, un flash cryogénique est inséré pour permettre de séparer le CO2 des autres composants. Le CO2, une fois purifié, est de nouveau comprimé, puis liquéfié avant de subir une nouvelle compression jusqu’à 110 bars. Ce procédé présente le double inconvénient d’être onéreux (investissement d’un poste de détente cryogénique, d’un échangeur et d’un étage de compression supplémentaire pour compenser les pertes de charge du poste cryogénique) et de ne pas traiter la totalité du CO2 capté. En effet, une fraction de ce gaz pourrait être prélevée en même temps que les impuretés.

Dans cette configuration innovante, l’ensemble des composants à l’état de gaz est comprimé au moyen d’une pompe polyphasique jusqu’à une pression de 110 bars pour atteindre l’état supercritique. Le CO2 est liquéfié au cours de la compression, les autres composants peuvent rester à l’état gazeux, du moins au début de la compression. Outre un gain substantiel sur l’investissement, le CO2 est traité dans sa totalité.

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.

Pour résumer, la compression du CO2 à l’aide d’une pompe polyphasique permet de simplifier le procédé de conditionnement du CO2 normalement préconisé pour le gaz issu de l’oxy-combustion pour lequel le taux d’impuretés est supérieur à 5 %. Outre l’avantage de fonctionner à des pressions, et éventuellement à des températures plus basses, la compression au moyen d’une pompe polyphasique permet de réduire l’énergie globale nécessaire de l’installation tant du point de vue de la compression que du point de vue thermique.

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 comme celle donnée figure 6 à titre d’exemple;
– 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 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.