Construire un Emirat Vertueux
A titre d'exercice pour donner un ordre de grandeur de coût et de rentabilité on se propose de décrire un projet qui aurait pour but de retirer le gaz carbonique de l'atmosphère à une échelle significative, afin de démontrer la faisabilité d'un retour, pour celle-ci, au taux pré industriel de CO2.
Il s'agit donc d'un démonstrateur sur lequel on peut se fonder pour extrapoler un dispositif réel capable d'atteindre l'objectif précédent.
L'idée consiste à acheter une île pour y installer une usine dont le but est de retirer le gaz carbonique de l'atmosphère pour fabriquer du carburant de synthèse. La vente du carburant de synthèse devant rentabiliser le projet. Cette approche est une contribution positive pour résoudre le problème des rejets de gaz carbonique, au même titre que l'utilisation de la biomasse ou des biocarburants car il évite l'extraction correspondante de carbone fossile supplémentaire.
Le plan d'ensemble est le suivant :
· Achat d'une île
· Achat d'un réacteur nucléaire
· Construction d'une centrale électrique autours du réacteur
· Construction d'une installation pour retirer le gaz carbonique de l'air ambiant
· Construction d'une installation pour électrolyser l'eau de mer
· Construction d'une installation de production de carburant de synthèse à partir du gaz carbonique et de l'hydrogène
Achat d'une Ile
C'est relativement facile et pas très coûteux : Le lien suivant explique les ordres de grandeurs de coût
Achat d'un réacteur nucléaire
Comme on veut faire seulement un démonstrateur il faut choisir le plus petit réacteur du marché car ensuite tout sera dimensionné à l'échelle de ce réacteur. Je propose donc le réacteur d'Hyperion
C'est un réacteur de 75 MW thermique et 25 MW électrique vendu au prix de $ 50 millions. Il peut produire pendant 7 à 10 ans après quoi il faut le renvoyer en usine pour recharger le combustible fissile. Comme on compte l'utiliser de manière continue sans baisse de régime, on va supposer qu'on devra faire cette opération au bout de 7 ans et que le réacteur fonctionne 8000 heures par an. L'énergie électrique disponible sur ce laps de temps sera donc de 1 400 000 MW*heure soit 1400 GW *heure
Construction d'une centrale électrique autours du réacteur
Pour ce prix de 50 Millions de dollars il n'y a que le réacteur qui est compté et il faut construire une installation du genre de celle qui est représentée sur la figure, qui est extraite du site d'hyperion , pour pouvoir produire de l'électricité : Ce type de construction est classique et on peut compter 13 M$ pour cette installation.
Construction d'une installation pour retirer le CO2 de l'air ambiant
Là on propose une installation encore expérimentale et que l'on pourrait peut être améliorer.
La description du dispositif expérimental et la figure ci-dessous se trouvent dans le document référencé par le lien suivant :
On en retiendra une valeur typique de l'énergie qu'il faut dépenser pour retirer le gaz carbonique de l'air : de l'ordre de 100 kw*heure électrique par tonne de CO2. Il faut aussi mobiliser 1m2 de surface pour retirer 20 tonne de CO2 par an. Quant au coût 3 M$ semble largement suffisant car on travaille à basse température et basse pression.
Construction d'une installation pour électrolyser l'eau de mer
Notre réacteur pouvant fournir de la vapeur d'eau à 500° le mieux serait de faire l'électrolyse de l'eau à cette température et sous pression, en passant, avant de diriger la vapeur vers la machine thermique. Le circuit étant fermé l'électrolyte serait présent en permanence et réchauffé en même temps que l'eau par le réacteur. Il faudrait des apports d'eau pour compenser celle qui a été décomposée et un système qui régulerait le taux d'électrolyte.
Le type de système envisagé est décrit dans le lien suivant :
On en a extrait la figure suivante :
L'énergie nécessaire est de l'ordre de 4.4 kWh/M3 H2 (soit 90grammes environ) avec une installation classique et on peut penser la diminuer de moitié avec le procédé performant que l'on présente ici où on a substitué de l'énergie thermique à l'électricité du fait de la température et de la pression que l'on utilise dans ce procédé. On peut allouer la même somme pour cette production que pour produire le CO2 soit 3M$ avec le procédé classique et 6 M$ pour le procédé performant.
Construction d'une installation de production de carburant de synthèse
L'installation est du genre Fischer-Tropsch mais au lieu de commencer la réaction par l'équation classique :
(2n+1)H2 + nCO----> CnH2n+2 +nH2O (équation 1)
On a plutôt :
(3n+1)H2 + nCO2 ----> CnH2n+2 +2nH2O (équation 2)
Il est bien évident que pour que la réaction ait lieu il faut rajouter de l'énergie, mais c'est le but de l'exercice d'arriver à stocker de l'énergie nucléaire sous forme de carburant tout en retirant du gaz carbonique de l'atmosphère.
Normalement une installation de type Fischer-Tropsch qui traite naturellement l'équation 1 devrait pouvoir traiter l'équation 2 moyennant quelques réglages, ce fait semble démontré par une expérience pilote rapporté dans le document Panorama des voies de valorisation du CO2 de l'ADME § 2.1.4 de sa partie hydrogénation du CO2.
On pourrait aussi se ramener à l'équation 1 par les étapes suivantes:
Avec un catalyseur à l'oxyde de nickel on fait la Méthanisation classique :
CO2 + 4H2----> CH4 +2H2O (équation 3) (Procédé Sabatier)
Avec des catalyseurs courant comme le fer et le cobalt :
CH4 + 1/2O2 ----> 2H2+CO (équation 4)
Réaction facile à mettre en œuvre car l'électrolyse de l'eau nous permet de disposer d'oxygène pur.
On peut ensuite mettre en œuvre l'équation 1 du procédé Fischer-Tropsch classique. Intégration des constituants
Il faut d'abord calculer la répartition de l'énergie disponible pour produire de l'hydrogène et du carbone. On voit que pour démarrer la production du carburant de synthèse il nous faut deux fois plus d'atome d'hydrogène que de carbone.
Or il faut 100 kWh électrique par tonne de CO2 c'est-à-dire pour 273 kg de carbone. Il faudra les combiner avec 45,5 kg d'hydrogène et en produire en plus 91 kg pour éliminer l'oxygène du CO2 le tout consommera 6675 kWh avec un procédé classique d'électrolyse et 3388 kWh avec le procédé que l'on préconise.
On a donc 318,5 kg de combustible (soit 2 barils) pour 6775 ou 3488 kWh.
Comme le réacteur peut produire 1400 GWh sur 7 ans, on peut compter sur 413 284 ou 826 568 Barils de combustibles en fonction du procédé d'électrolyse, à condition que la chaleur résiduelle utilisée en cogénération (c'est-à-dire la différence entre les 75 MW thermiques que produit le réacteur et les 25MW électrique à la sortie de la machine thermique) soit suffisante pour permettre les autres réactions (ce qui me semble être le cas).
A 80$ le baril le revenu est soit de 33 062 730 $ soit de 66 125 461 $. Il est donc clair qu'on n'arrivera pas à rentabiliser le projet sans un procédé performant d'électrolyse.
Compte tenu des ordres de grandeur on cherche à rentabiliser le projet sur 14 ans, c'est à dire qu'on fait l'hypothèse que l'on recharge la centrale nucléaire avec du combustible fissile au bout de 7 ans pour un coût de 10 M$. Le revenu disponible est doublé et on se limite au cas où on utilise un procédé performant d'électrolyse.
Le revenu disponible est donc 132 250 922 $
Pour l'instant les investissements sont :
- Ile 650 000 $
- Réacteur 50 000 000 $
- Centrale électrique 13 000 000 $
- Extraction CO2 3 000 000 $
- Production H2 6 000 000 $
- Production carburant 50 000 000 $ ( sur la base de l'estimation du document Panorama des voies de valorisation du CO2 et en particulier du §3.1 de sa partie hydrogénation du CO2, on pourrait descendre à 37 500 000 $ y compris la partie électrolyse soit une économie de 18 500 000 $).
- Recharge réacteur 10 000 000 $
Pour un total de 132 650 000 $. Comme on a pas compté les installations portuaires et le stockage du carburant c'est un projet qui peut s'amortir sur 20 ans environ si on ne prend en considération que le coût de l'investissement initial : pour une prise en compte plus complète des coûts c'est ici.
On peut penser que sur cette durée le prix du pétrole augmentera encore et qu'on finira par mettre une taxe sur le carbone fossile et donc que la rentabilité du projet s'en trouvera améliorée. Il y a également une grande sensibilité du résultat par rapport à la performance de l'électrolyse et c'est donc un point qu'il faut sécuriser avant de se lancer dans des investissements importants. Conclusion
la réalisation de ce démonstrateur permettrait ensuite de passer à la réalisation d'un système opérationnel. Il serait réalisé sur la base d'un EPR ce qui multiplierait par 64 la taille de toutes les installations. On pourrait donc espérer des économies d'échelle. Les facteurs qui expliquent que l'on arrive aussi facilement à une certaine rentabilité sont les suivants:
- Le prix du Pétrole a augmenté (80 $ en Octobre 2010)(118 $ en Décembre 2011)
- Le réacteur est utilisé à plein régime en permanence
- Il n'y a pas besoin de coupler le réacteur à un réseau électrique
- Les matières première sont gratuites et abondantes (Air, Eau)
- Les risques sont minimisés par l'isolement sur une Ile
Avec des EPR il faudrait 70 Iles ayant chacune son EPR pour produire l'équivalent de la consommation Française de combustibles liquides. Cela y compris l'utilisation de ces combustibles dans les installations fixes où on pourrait les remplacer avantageusement plutôt que de produire des carburants synthétiques pour cet usage. L'ordre de grandeur de l'effort envisagé conduit donc à un doublement du parc de 54 tranches que l'on a construit à partir des années 75.
D'ailleurs l'idée commence à faire son chemin et un compte rendu de l'Office Parlementaire D'évaluation des Choix Scientifiques et Technologiques écrit que recycler le CO2 fait partie de la palette des solutions.
"tant que l'électricité produite ne dégage pas moins de 200 grammes de gaz carbonique par kWh, tant que les voitures ne produisent pas moins de 80 grammes de CO2 par kilomètre et tant que l'on ne développe pas la captation du carbone, le développement des énergies intermittentes s'accompagnera d'un « boom for gas » ! L'Agence internationale de l'énergie vient de concéder qu'il serait impossible d'éviter un réchauffement d'au moins 3° à 5° si l'on veut que la croissance continue. L'Allemagne ne peut pas éviter de recycler le CO2 pour obtenir de l'hydrogène ou du méthane. En France, les difficultés tiennent à la distribution des rôles entre électriciens et gaziers plus qu'à des obstacles techniques. Nous ne mettons pas toute l'information sur la table pour ne pas laisser les dirigeants chinois croire qu'en s'équipant de générateurs nucléaires moins sûrs que ceux de génération 3, ils se délivreront de la contrainte énergétique. On manie quand même beaucoup de légèreté dans les discussions sur la sûreté nucléaire en Chine. Avec un baril à 110 dollars et des taux d'intérêt à 4 %, des réacteurs moins sûrs fournissent une électricité 15 % moins chère qu'un EPR. Dans ces conditions, la réflexion du Premier Secrétaire du parti communiste chinois risque de ne pas durer longtemps. C'est une question sérieuse !
Il faudrait dépenser 200 millions d'euros en recherche et développement pour identifier les meilleurs produits énergétiques entre le diméthylether, le méthanol, le méthane et l'essence. Mais on peut aussi mettre le climat au premier plan et se demander comment la France peut faire passer l'énergie non productrice de CO2 de 50 % à 60 % du total. Recycler le CO2 fait partie de la palette des solutions."
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