Cours Carbon Empriente [PDF]

Zitiervorschau

Ecologie industrielle Utilisation des Energies fossiles Etudes de cas de transport et production d’électricité

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Utilisation des Energies fossiles Etudes de cas de transport et production d’électricité : problématiques environnementales

UV

Couche d’ozone

Climat

Qualité de l’air

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Energies fossiles et combustion : Problématiques Combustion Espèces soufrées CO2

COV HC suies

NOx

Pluies acides

Effet de serre additionnel

Modifications potentielles du climat

Pollution troposphérique et stratosphérique

Effets sur la santé Effets sur la couche d’ozone 3

Conversion de l’énergie Énergie primaire: Energie n’ayant subi aucune conversion entre la production et la consommation (pétrole, charbon, gaz naturel, électricité d’origine nucléaire, de l’hydraulique, du bois, de l’énergie solaire et de l’énergie éolienne) • Énergie finale: fournie aux consommateurs (besoins énergétiques et non énergétiques) • Pour comparer différentes sources d’énergies, il est d’usage de les rapporter à l’énergie fournie par le pétrole brut. • On utilise une unité, la tep (tonne équivalent pétrole) dont la valeur est fixée, par convention, à 1010calories = 42 GJ (11700kWh). • Pour comparer les énergies entre elles, les économistes de l'énergie utilisent la tonne équivalent pétrole (tep). C'est l'énergie produite par la combustion d'une tonne de pétrole, et ceci représente environ 11.600 kWh. 1 tep = 11.600 kWh On utilise souvent 1 Mtep = 1.000.000 tep Exemples • 1 tonne de pétrole 1 tep (par définition) • 1 tonne de charbon 0,619 tep • 1 tonne de charbon pauvre 0,405 tep • 1 tonne de bois 0,300 tep ( environ) •

Production d’électricité

La production d’électricité fait appel à un générateur d’électricité constitué par une turbine et un alternateur. Dans le cas des centrales thermiques, la turbine est entraînée par la vapeur produite dans les chaudières où l’on brûle les combustibles, alors que dans le cas des usines hydroélectriques, la turbine est animée par la force de l’eau. La turbine est couplée à un alternateur, un grand aimant cerclé d’une bobine, qui va produire un courant alternatif en tournant

Centrale thermique Une centrale thermique classique produit de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique de combustion de plusieurs milliers de tonnes par jour d'un fossile (charbon, pétrole, gaz), préalablement convertie en énergie mécanique par une turbine à vapeur

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•

Centrale nucléaire

Le mode de fonctionnement de centrale nucléaire est identique au précédent si ce n’est que la chaleur est produite par des réactions de fission au cœur du réacteur. En fait la différence est que cette source de chaleur nécessite impérativement un confinement (isolation totale du milieu extérieur) pour éviter un contact, entre le circuit primaire et le circuit secondaire, qui contaminerait toute la centrale en éléments radioactifs

Pouvoir calorifique • le Pouvoir Calorifique représente la quantité d’énergie (en joule) contenue dans une unité de masse de combustible (PCS) (qui inclut la chaleur latente de la vapeur produite lors de la combustion) • Le pouvoir calorifique Inférieur est la quantité d’énergie contenue dans un combustible libérable par combustion en présence d’un excès d’air dont la chaleur de condensation d’eau a été soustraite. Il ne tient pas compte de l’énergie contenue dans la vapeur d’eau présente dans les fumées (PCI) On ne récupère habituellement pas cette chaleur latente dans les usages courants, on parle plutôt de PCI et la tep est définie selon cette convention. 8

Calcul du pouvoir calorifique C'est l’énergie thermique libérée par la réaction de combustion d'un kilogramme de combustible. Le pouvoir calorifique s'exprime en kJ kg-1. Masse molaire du méthane CH4: M= 12+4*1 = 16 g/mol. Quantité de matière (mol) dans 1 kg = 1000 g de méthane : masse (g) / masse molaire ( g/mol ) = 1000/16 = 62,5 mol. chaleur de combustion du méthane : 880 kJ/mol énergie libérée par la combustion de 62,5 mol : 62,5*880 = 55 000 kJ kg-1 • Cas du butane C4H10 Masse molaire du butane C4H10: M= 4*12+10 = 58 g/mol. Quantité de matière (mol) dans 1 kg = 1000 g de butane : masse (g) / masse molaire ( g/mol ) = 1000/58 = 17,24 mol. chaleur de combustion du butane : 2800 KJ/mol énergie libérée par la combustion de 17,24 mol : 17,24*2800 = 48 300 kJ kg-1. PCI = Pouvoir calorifique inférieur se calcule en déduisant, par convention, du PCS la chaleur de condensation (2511 kJ/kg) de l'eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l'eau contenue dans le combustible 9

Concept d’enthalpie L’enthalpie est l’énergie maximum libérable au cours d’une réaction d’oxydation ∆H= ∆W à P et V constant ∆H peut uniquement être mesurée par réaction explosive dans un calorimètre sous forme de libération de chaleur

Efficacité énergétique dans l’entreprise • L’application de l’efficacité énergétique au sein de l’entreprise est basée sur un ensemble de prestations relatives à l’exploitation et à la maintenance des installations consommatrices d’énergie, ainsi que de travaux d’amélioration de ces installations, dans le but d’apporter une réduction des consommations d’énergie tout en garantissant les performances et les économies d’énergie • Dans l'industrie, l'efficacité énergétique est exprimée comme étant le rapport entre l'énergie minimale nécessaire pour assurer la production et l'énergie totale consommée par l'usine. En moyenne, l'efficacité énergétique d'une usine est de 41 % : sur 100 kWh achetés et consommés par l'usine, 41 kWh sont réellement utiles à ses processus de production. L'augmentation de l'efficacité énergétique est une piste d'économie financière très importante dans l'industrie • Le rendement énergétique est le rapport entre deux quantités, l’énergie «produite », c’est-à dire l’énergie utile pour réaliser un service, sur l’énergie «consommée », c'est-à-dire l’énergie absorbée pour réaliser ce service. • L’efficacité énergétique est la quantification de la « consommation » d’énergie pour assurer un service, avec l’idée de la minimiser grâce à des technologies plus efficientes.

Efficacité énergétique En engineering l'efficacité énergétique est liée des lois de thermodynamique et l'énergie. Dans le cas d'un moteur, l'efficacité énergétique s’exprime par efficacité = W/energie où W est la quantité utile de travail produite par le système (en joules), et l'énergie est la quantité d'énergie (aussi en joules) utilisée pour faire fonctionner le système. Dans le cas d'un réfrigérateur ou d'une pompe à chaleur, efficacité = Chaleur/energie où Q est la chaleur utile échangée par le système (en joules), et l'énergie est la quantité d'énergie(aussi en joules) utilisée pour faire fonctionner le système. Dans le cas d'un réfrigérateur, la chaleur utile est celle qui sert à refroidir les aliments, dans le cas d'une pompe à chaleur c'est celle qui sert à chauffer l'intérieur de la maison. • L'augmentation de l’efficience énergétique permet de réduire les consommations d’énergie, à service rendu égal, et cela entraîne la diminution des coûts écologiques, économiques et sociaux liés à la production et à la maitrise de la consommation d’énergie. • En Ecologie industrielle l’application de l’éfficacité énergétique entraine un impact positif dans la lutte contre les changements climatiques engendrés émissions de gaz à effet de serre

Rendement La conversion d'énergie d'une forme à une autre n'est en général pas complète : une partie de l'énergie présente au départ est dégradée sous forme d'énergie cinétique désordonnée (on dit parfois qu'elle est transformée en chaleur). Le rendement est défini comme le quotient de l'énergie obtenue sous la forme désirée par celle fournie à l'entrée du convertisseur b) Exemple d’application : moteur électrique Wa

Wmu

Moteur électrique

ÉNERGIE ELECTRIQUE ABSORBEE Wj

Wfer

ENERGIE MECANIQUE UTILE Wf

ENERGIE MECANIQUE (frottements)

ENERGIE DUE AUX PERTES FER ENERGIE THERMIQUE (effet joule)

Wa = Wj +Wfer + Wf + Wum

Rendement  : c’est le rapport entre l’énergie utile en sortie du convertisseur et l’énergie reçue par celui-ci.

 = Wutile / Wabsorbée La définition physique du rendement est le rapport entre la puissance fournie (utile) et la puissance absorbée par celui-ci. On tient compte des pertes inhérentes au fonctionnement de l'appareil mais également aux transformations énergétiques. Ce rendement est également appelé rendement utile. Ainsi, une chaudière ayant un débit calorifique de 89 kW et une puissance utile de 75 kW aura un rendement utile de 89 % environ PCI. Ce générateur pourra donc alimenter un réseau de chauffage d'une puissance maximale de 75 kW. (permet de calculer la puissance utile des générateurs). 14

Quelques définitions techniques •

• • • • • • • • •

La puissance absorbée ou puissance calorifique est le produit du débit volumique du gaz par le PCI à pression constante du combustible exprimée en quantité de chaleur par unité de temps. La puissance absorbée Pabsorbée = débit volumique ou massique de combustible x PCI = Qv x PCI Avec Qv = débit volumique du gaz et PCI = pouvoir calorifique inférieur du gaz. Le débit calorifique nominal (débit de gaz) représente la puissance calorifique maximale du générateur. Dans le cas d’une installation dont le régime de travail est variable on utilise le facteur de chargement La puissance utile (Putile) = puissance disponible x facteur de chargement La puissance absorbée Pabsorbée = débit volumique ou massique de combustible x PC Le rendement La puissance affichée est appelée puissance nominale utile c'est-à-dire la puissance calorifique maximale fixée et garantie par le constructeur, pouvant être délivrée en marche continue tout en respectant les rendements utiles annoncés par le constructeur

Etude de cas

Une centrale thermoélectrique de 915MW (M (Méga) = 106 ) fonctionne avec un facteur de chargement de 72,5% et un rendement de 40% utilise du charbon comme combustible. Sa composition (%massique) et son pouvoir calorifique sont donnés dans le tableau ci-après Eau Cendres C H N S O Pouvoir calorifique 8% 7,7% 77% 3% 1,25% 1% 2,05% 29,7 MJ/Kg 1-Déterminer la quantité de charbon brûlée pendant une heure de fonctionnement 2-Estimer les quantités de poussières, de CO2 et SO2 générées par an On supposera que 80% de cendres sont émises sous forme de poussières. •Si le fuel est utilisé comme combustible pour une centrale présentant les mêmes caractéristiques (Puissance disponible de 915MW, facteur de chargement de 72,5%, rendement de 40%) 3-Déterminer la quantité de fuel brûlée pendant une heure 4-Donner un ordre de grandeur des quantités de poussières, de CO2 et SO2 émises pendant un an de fonctionnement (80% de cendres sont émises en poussières) La composition (%massique) et le pouvoir calorifique sont donnés dans le tableau ci-après Eau Cendres Carbone H S Azote+ Oxygène Pouvoir calorifique 0,3% 0,04% 85,2% 11,3% 2,8% 0,36% 40,5 MJ/Kg Si on considère que le gaz naturel comme combustible pour une centrale présentant les mêmes caractéristiques. 5-Déterminer la masse de gaz naturel brûlé pendant une heure 6-Donner un ordre de grandeur des quantités de vapeur d’eau H2O, de CO2, et de NO2 émises pendant un an de fonctionnement La composition (% massique) et le pouvoir calorifique sont donnés dans le tableau ci-après CO2 N2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 Pouvoir calorifique 0,1% 0,6% 98% 1% 0,2% 0,1% 40 MJ/Kg La puissance est la quantité d’énergie utilisée pendant un certain temps (exprimé en Watt) Le pouvoir calorifique PC = Energie d’un combustible libérable par combustion. Dans le cas d’une installation dont le régime de travail est variable on utilise le facteur de chargement La puissance utile (Putile) = puissance disponible x facteur de chargement Le rendement Putile/Pabsorbée La puissance absorbée Pabsorbée = débit volumique ou massique de combustible x PC

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Energies fossiles et combustion : problématiques environnementales La combustion est une réaction d’oxydation au cours de la quelle un carburant (liquide/gaz/solide) riche en liaison C-C et C-H, brûle en présence de l’oxygène provenant généralement de l’air. La rupture des liaisons entre les atomes de carburant conduit à la libération de l’énergie emmagasinée par ces molécules (explosion). Lors de la combustion complète se produisant en excès d’oxygène, les atomes de carbone et d’hydrogène se combinent avec l’oxygène pour former CO2 et H2O

y 4 Rapport air/carburant stœchiométrique

y 2

y 4

C x H y  ( x  )[O 2  3.78 N 2]  x CO 2  H 2O  3.78( x  ) N 2  Hc

donne accès à la masse d’air nécessaire pour brûler 1g de carburant CxHy (stoechiométrie) y (x )[323.7828] 4 s[ masseair ]steoch = massecarburant 12x y

Richesse d’un mélange air + carburant (Fuel air ratio) Calculé sur des bases massiques, la richesse est une grandeur technique qui sert à caractériser un mélange air+carburant dans les conditions réelles (massecombustible)réel massed'air la richesse  soit encore s[massecombustible]réel massed'air (massecombustibe)stoech massed'air

 = 1 mélange stœchiométrique  < 1 mélange avec excès d’air ou mélange pauvre en combustible  > 1 mélange avec excès de combustible ou mélange riche (combustion incomplète)

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Réaction de combustion Caractérisation des différents types de mélange air/carburant La combustion est une réaction chimique de type oxydation au cours de la quelle un carburant (liquide/gaz/solide) riche en liaison C-C et C-H, brûle en présence de l’oxygène provenant généralement de l’air. La rupture des liaisons entre les atomes de carburant conduit à la libération de l’énergie emmagasinée par ces molécules (explosion). Pour une combustion complète les atomes de carbone et hydrogène se combinent avec l’oxygène pour former CO2 et H2O

y y 4 2 Rapport air/carburant stœchiométrique

y 4

C x H y  ( x  )[O 2  3.78 N 2]  x CO 2  H 2O  3.78( x  ) N 2  Hc

donne accès à la masse d’air nécessaire pour brûler 1g de carburant CxHy (stoechiométrie) y (x )[323.7828] 4 s[ masseair ]steoch = 12x y massecarburant

Richesse d’un mélange air + carburant (Fuel air ratio)

Calculé sur des bases massiques, la richesse est une grandeur technique qui sert à caractériser un mélange air+carburant dans les conditions réelles (massecombustible )réel massed'air la richesse  soit encore s[massecombustible]réel mas sec ombustibe massed'air ( )stoech massed'air  = 1 mélange stœchiométrique  < 1 mélange avec excès d’air ou mélange pauvre en combustible  > 1 mélange avec excès de combustible ou mélange riche (combustion incomplète)

Coefficient d’excès d’air = massed'airréelle massed'airsteoch

 = 1/

Calcul de concentration de CO pour une combustion incomplète Exercice d’application En cas de mauvais réglage d’un mélange (air/carburant) non homogène, conduit à une Insuffisance locale de O2 dans le cylindre, la réaction de combustion conduira à la formation du CO parmi les gaz d’échappement. 1 - Écrivez la réaction de combustion pour un carburant CxHy en prenant z le nombre de moles de O2 manquant à la stœchiométrie et comme effluents CO2,H2O, N2 et CO 2- Exprimez la concentration molaire de CO en fonction de x, y et z Pour un carburant de formulation majoritaire C8H18 et pour un nombre de moles de O2 correspondant à 90% de stœchiométrie 3- Donnez la concentration molaire en CO 4- Calculer le rapport air carburant, la richesse  et la coefficient 

Fonctionnement d’un moteur diesel En 1896 Rudolph Diesel (1858 - 1913) inventa le premier moteur à 4 temps avec compression préalable où la combustion du carburant se fait par auto_inflammation 1 er temps: admission d’air seul 2 eme temps: compression 3 eme temps: injection du combustible Combustion (détente jusqu’à ouverture de la soupape d’échappement 4 ème temps: échappement

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NB 1

4

3

La compression ne présente pas de risque d’inflammation Possibilité d’utiliser des taux de compression élevés Donc meilleur rendement que le moteur à explosion

Fonctionnement d’un moteur diesel Introduction carburant

P P

B B1

Quatre transformations thermodynamiques: AB Compression adiabatique de l’air seul admis en A. BC Échauffement isobare (combustion du carburant injecté à l’état liquide dans l’air en B) CD Détente adiabatique DA Refroidissement isochore.

C

B0 D  A Introduction air V

 La compression adiabatique de l’air permet d’utiliser des taux de compression plus élevés (=16-24). Ceci favorise le rendement.  La température atteinte en B et le choix du carburant permet une combustion sans étincelle (indice de cétane).  Le carburant est injecté à l’état liquide. Il est vaporisé dans le cylindre (énergie à fournir + temps de vaporisation)  Il n' y a pas homogénéisation du mélange carburant/ air (impact sur la combustion et les polluants)  Les températures atteintes sont plus faibles que sur le cycle d’OTTO

Pour une meilleure représentation du fonctionnement des moteurs, l’étape BC est remplacée par deux étapes d’échauffement: isochore B0B1 puis isobare B1 C (Cycle Diesel à double combustion)

Exercice d'application Pour une voiture à moteur diesel fonctionnant avec un taux de compression x=21 et un taux de détente y=7 roulant à 147 km/h (N =4500 tours/min) pour une consommation de 8litres de gasoil pour 100 km (=0.8kg/l et un pouvoir calorifique de q = 46.8Kj/g) Calculer le rendement du moteur (=Cp/Cv =1.4) La masse de carburant injectée à chaque cycle à la vitesse de 147km/h La puissance du moteur à cette vitesse (1w= 1j/s et 1 ch= 753 w)

Estimation des émissions des gaz d’echappement en g/Km • Soit un véhicule roulant à 130km/h. Dans ces conditions un moteur atmosphérique ordinaire (cette dénomination signifie que la pression à l’aspiration est voisine de la pression atmosphérique), d’une cylindrée de 2 litres tourne à 3200 tr/min (vitesse de rotation en tours mécaniques. La concentration de CO dans les gaz d’échappement est 3500ppmV. • 1- Au niveau international les constructeurs automobile utilisent une norme exprimant les rejets de polluants en gramme/km. Donner pour ce moteur un ordre de grandeur du rejet en CO en supposant que les gaz sont émis à 70°C et 1 am. • 2- La limite du rejet étant fixée à 1g/km pour le CO contenus dans les gaz d’échappement, en cas où l’emploi d’un catalyseur est nécessaire, évaluer le taux de conversion (X% de la masse de CO oxydée en CO2) que doit assurer le catalyseur inséré dans la ligne d’échappement.

Estimation de CO2 contenu dans les émissions des gaz d’echappement 1- Soit la réaction de combustion complète d’un carburant CxHy dans les conditions stœchiométriques et utilisant l’oxygène de l’air

y y y  ( x  )[  3 . 78 ]  x  H 2 O  3 . 78 ( x  ) N 2  Hc Cx H y O2 N2 CO 2 4 2 4

Si on considère que la réaction de combustion se produit avec un excès d’oxygène (E) avec une humidité d’air (X), nO2 nombre de mole d’oxygène dans les conditions réelles et nO2st, nombre de mole d’oxygène dans les conditions stœchiométriques. n  nO 2 st E  O2 nO 2 st

nH 2 O nair sec Exprimer la fraction molaire de CO2 produit On suppose que O2 occupe 21% environ de la composition de l’air sec et

X

En utilisant Excel et en expliquant votre démarche dans le cas de combustion d’une mole de CH4 en présence de 20% d’excès d’oxygène et d’une humidité de 0.0116 mole de H2O/mole d’air sec, calculer le débit molaire total de produits de combustion ainsi que les fractions molaires de CO2, H2O et N2 contenues dans les émissions gazeuse

Calcul des émissions de CO2 en fonction de quantité de carburant consommé

Calcul des émissions de dioxyde de carbone les émissions de dioxyde de carbone issues de combustion peuvent être calculées à partir du bilan du carbone contenu dans le combustible. Le pouvoir calorifique inférieur et la teneur en carbone du combustible, nécessaires à ce calcul, peuvent être mesurés a par l’exploitant ou obtenus auprès de son fournisseur. Le calcul des émissions de dioxyde de carbone liées à l’utilisation énergétique des combustibles comporte 5 étapes qui peuvent faire l’objet des contrôles des installations classées : - détermination de la quantité de combustible consommée par an - calcul de la consommation énergétique à partir de la quantité de combustible consommée et du PCI du combustible - calcul des émissions potentielles de carbone à partir de la consommation énergétique et des facteurs d’émissions de carbone - calcul du carbone réellement oxydé à partir des facteurs d’oxydation 25 - conversion du carbone oxydé en émissions de CO2.

Méthode de Calcul Émissions = Σ(Facteur d’émissionabc • Consommation du combustibleabc) où a = type de combustible b = secteur d’activité c = type de technologie y compris les dispositifs antipollution

Equation générale

Consommation de combustible exprimée en unités d’énergie (TJ) par secteur

Méthode de calcul 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Collecte des données sur la consommation du combustible Conversion des données sur le combustible en une unité d’énergie commune Choix des coefficients de la teneur en carbone pour chaque type de produit ou de combustible fossile et estimation de la teneur totale en carbone des combustibles brûlés Soustraction de la quantité de carbone emmagasiné dans les produits depuis longtemps Multiplication par un facteur d’oxydation Conversion du carbone en poids moléculaire de CO2 et somme pour tous les combustibles Conversion des données sur le combustible en une unité d’énergie 1. Consommation de combustibles solides et liquides en tonnes 2. Combustibles gazeux en mètres cubes 3. Conversion des unités originales en unités d’énergie au moyen du pouvoir calorifique

Méthode de Calcul Estimation de la teneur totale en carbone des combustibles utilisés Gaz naturel – – –

Pétrole – – –

Charbon – –

Dépend de la composition (méthane, éthane, propane, butane et hydrocarbures lourds). Le gaz naturel brûlé à la torche au site de production est généralement « humide » (le coefficient de la teneur en carbone sera différent). Typique : 15 à 17 tonnes C/TJ Une teneur faible en carbone pour les produits pétroliers légèrement raffinés comme l’essence. Plus élevée dans le cas des produits lourds comme le fioul résiduel. Typique pour le pétrole brut : 20 tonnes C/TJ Dépend de la classe de charbon et de la composition en hydrogène, soufre, cendre, oxygène et azote. Typique : 25 à 28 tonnes C/TJ

Méthode de Calcul Soustraction des usages non énergétiques Raffineries de pétrole : asphalte et bitume pour la construction des voies de circulation, naphta, lubrifiants et plastiques • Gaz naturel : pour la production d’ammoniac • Gaz de pétrole liquéfié (GPL) : solvants et caoutchouc synthétique • Cokéfaction : industrie des métaux Tentative d’utiliser les données propres à chaque pays au lieu des coefficients (facteurs) du carbone emmagasiné par défaut du GIEC •

1A.29

Méthode de Calcul Détermination de facteur d’oxydation • •

•

Multiplier par un facteur d’oxydation pour tenir compte de la petite quantité de carbone non oxydé laissée dans les cendres ou la suie. La quantité de carbone qui reste non oxydé devrait être faible dans le cas de la combustion du pétrole et du gaz naturel …mais peut être plus grande et plus variable dans le cas de la combustion du charbon. Lorsqu’on ne dispose pas de facteurs d’oxydation nationaux, utiliser les facteurs par défaut du GIEC.

Exemple de valeur de facteur d’oxydation Gaz naturel - Reste moins de 1 % non brûlé • Reste sous forme de suie dans le brûleur, la cheminée ou l’environnement • Facteur d’oxydation par défaut du GIEC = 99,5 % • Plus élevé pour les torchères de l’industrie pétrolière et gazière • Plus près de 100 % pour les turbines efficaces Pétrole -Reste 1,5 ± 1 pour cent non brûlé • Facteur d’oxydation par défaut du GIEC = 99 % • Selon des recherches récentes, le facteur est de 100 % dans les automobiles. Charbon Reste de 0,6 % à 6,6 % non brûlé • Surtout sous la forme de cendres et de poussières • Facteur d’oxydation par défaut du GIEC = 98 % Biomasse Peut varier beaucoup, surtout dans le cas de la combustion en plein air • Pour la combustion en milieu fermé (p. ex. chaudière), de 1 à 10 % • Aucun facteur d’oxydation par défaut du GIEC

Exemple de calcul • Soit une installation de combustion qui brûle 5 000 tonnes de fioul lourd par an, avec un PCI de 40 Gj/t, le calcul de ses émissions de CO2 est le suivant : Consommation énergétique = consommation de fioul lourd en tonnes x PCI du fioul lourd = 5 000 x 40 = 200 000 GJ. • Calcul des émissions potentielles de carbone = consommation énergétique x facteur d’émission de carbone = 200 000 x 21= 4 200 tonnes de carbone. • Correction pour combustion incomplète (C non oxydé) = teneur en carbone x facteur d’oxydation pour le combustible = 4 200 x 0,99 = 4 158 tonnes de carbone oxydé émis. • Calcul des émissions de dioxyde de carbone = tonnage de carbone émis x masse molaire du dioxyde de carbone / masse molaire du carbone = 4 158 x 44 / 12 = 15 246 tonnes de dioxyde de carbone émis. • En l’absence de facteurs d’émissions de carbone, il pourra être demandé de fournir une analyse de PCI et de contenu en carbone du combustible soit obtenue auprès du fournisseur soit réalisée par l’exploitant. 31

Exemple de calcul des émissions de protoxyde d’azote et de méthane Exemple Reprenons l’installation de combustion qui brûle 5 000 tonnes de fioul lourd par an, le calcul de ses émissions de méthane et de protoxyde d’azote est le suivant : Consommation énergétique = consommation de fioul lourd en tonnes × PCI du fioul lourd = 5 000 × 40 = 200 000 GJ Dans l’industrie, pour ce combustible, le tableau A3 donne des facteurs d’émissions de 3,0 g de CH4/GJ et de 1,75 g de N2O/GJ. Calcul des émissions de méthane = consommation énergétique × facteur d’émission de méthane = 3,0 × 200 000 = 600 kg de méthane Calcul des émissions de protoxyde d’azote = consommation énergétique × facteur d’émission de protoxyde d’azote = 1,75 × 200 000 = 350 kg de protoxyde d’azote. En l’absence de facteurs d’émissions pour un procédé donné dans le tableau A3, il pourra être fait usage d’un facteur d’émission de 2,5 g/GJ pour le protoxyde d’azote.

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Exemple de calcul des émissions de méthane et de protoxyde d’azote Les émissions de protoxyde d’azote (N2O) et de méthane (CH4) liées à la combustion seront calculées à partir de la consommation d’énergie telle que calculée ci-dessus et des facteurs d’émissions spécifiques aux technologies utilisées. L’estimation des émissions provenant de sources fixes peut être décrite en utilisant la formule suivante : Emissions = Consommation (FEAC × Activité AC) Où FE : Facteur d’émission (kg/TJ) Activité : Energie entrante (TJ) A : Type de combustible C : Type de technologie En utilisant les facteurs d’émissions en fonction du combustible utilisé, du secteur d’activité et de la technologie utilisée. Le calcul des émissions de méthane et de protoxyde d’azote comporte ainsi plusieurs étapes : - calcul de la consommation énergétique ; - sélection d’un facteur d’émission en fonction du combustible utilisé, du secteur d’activité et de la technologie utilisée

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Emission Rate • Emission rate is the weight of a pollutant emitted per unit time. • Emission factor is an estimate of the rate at which a pollutant is released into the atmosphere per unit level of activity • To calculate emission rate: EMISSION RATE = [INPUT] x [EMISSION FACTOR] x [APPLICABLE CORRECTION FACTORS] x [HOURS OF OPERATION] x [SEASONAL VARIATION] • Data analysis – Check accuracy – Calculation of emission rate is done using: • • • •

Monitoring data (most accurate & most expensive) Emission factors from AP-42 , Mass balance, and Engineering calculation

Crédits carbone: le protocole de Kyoto Le système européen d’échange de quotas de CO2 contingente en Europe les émissions de CO2 des grosses installations fortement émettrices1, et autorise les exploitants soumis à quotas de CO2 à échanger ces quotas. Ce faisant, il donne un prix à la tonne de CO2, et permet donc d’inciter financièrement les exploitants à réduire leurs émissions. Par exemple en France, le système des quotas de CO2 ne couvre que 25 % des émissions nationales de gaz à effet de serre (GES). La Caisse des Dépôts a donc imaginé, à la demande des pouvoirs publics, un dispositif s’appuyant sur le protocole de Kyoto, qui permet de valoriser des réductions d'émissions de gaz à effet de serre en dehors du système européen d’échange de quotas de CO2 : les projets domestiques. Technologies de captage de CO2 • Production de chaleur renouvelable ; • Changement de carburant sur des flottes de bus ; • Réduction de la consommation énergétique dans le secteur de la pêche maritime ; • Méthanisation des effluents d’élevage ; • Réduction de fuites de HFC dans la production de froid ; • Réduction d’émissions de gaz industriels… 35

Marché Carbone Protocole du Kyoto

• Cette Convention divise les pays en deux groupes : – les Parties de l’Annexe 1: les pays industrialisés qui ont historiquement contribué à l’essentiel du changement climatique, – Les Parties non-Annexe 1, qui sont avant tout les pays en développement, • En vertu des principes d’équité et de « responsabilités communes mais différenciées » inscrits dans la Convention, les Parties de l’Annexe 1 doivent être à l’avant-garde en matière de lutte contre les changements climatiques et leurs effets néfastes. • « Mécanismes de flexibilité (MOC) » issus du protocole de Kyoto: La mise en œuvre conjointe MOC (Joint Implementation) est un programme du Protocole de Kyoto qui permet aux pays développés d’atteindre une partie des réductions de gaz à effet de serre qui leur sont demandées en finançant des projets qui réduisent les émissions dans d’autres pays industrialisés • – Le mécanisme de développement propre MDP Le mécanisme de développement propre (MDP) permet à des entreprises issues de pays ayant souscrit à des engagements chiffrés de réduction des émissions de gaz à effet de serre au titre du Protocole de Kyoto de réaliser et/ou de co-financer des projets de réduction des émissions dans des pays sans engagement chiffré (pays en développement, économies émergentes) et de se voir délivrer en contrepartie des crédits carbone, appelés unités de réduction certifiée des émissions garantis par l'ONU. • – Le système international d’échanges de droits d’émissions, • Le Maroc est un pays non- Annexe I selon le Protocole du Kyoto et peut se profiter du projets MDP.

La MOC et le MDP La MOC et le MDP sont tous deux des mécanismes fondés sur des projets ; ces mécanismes impliquent le développement et la mise en oeuvre de projets réduisant les émissions de GES, générant ainsi des crédits carbone qui peuvent être vendus sur le marché carbone: – La MOC est un mécanisme qui permet l’obtention de crédits (appelés Unités de réduction des émissions, URE) grâce à des projets dans des pays émergents de l’Annexe I; – le MDP permet d’obtenir des crédits appelés Unités de réduction certifiées des émissions (URCE), grâce à des projets dans des pays non-Annexe I ; Le Système international d’échanges de droits d’émissions; Le montant des URCE accordées à l’investisseur correspond aux émissions évitées grâce à la mise en œuvre du projet par rapport à un scénario de référence sans projet • Le système international d’échange de droits d’émission permet d’échanger directement des Unités de quantité attribuée (UQA) entre les Parties de l’Annexe I. • Marché volontaire (VERs) • Toutes ces unités différentes (URE, URCE, VER et UQA) sont, de fait, des permis permettant à une Partie de l’Annexe I d’émettre une tonne d’équivalent CO2 (1 teqCO2). • Il y a des pays avec la possibilités de générer et vendre des droits des émissions. Il y a des pays avec l’obligations de acheter des droits des émissions. Il existe un marché. Le marché du carbone •

Exemples de projets MDP

Etude de cas

Une centrale thermoélectrique de 915MW (M (Méga) = 106 ) fonctionne avec un facteur de chargement de 72,5% et un rendement de 40% utilise du charbon comme combustible. Sa composition (%massique) et son pouvoir calorifique sont donnés dans le tableau ci-après Eau Cendres C H N S O Pouvoir calorifique 8% 7,7% 77% 3% 1,25% 1% 2,05% 29,7 MJ/Kg 1-Déterminer la quantité de charbon brûlée pendant une heure de fonctionnement 2-Estimer les quantités de poussières, de CO2 et SO2 générées par an On supposera que 80% de cendres sont émises sous forme de poussières. •Si le fuel est utilisé comme combustible pour une centrale présentant les mêmes caractéristiques (Puissance disponible de 915MW, facteur de chargement de 72,5%, rendement de 40%) 3-Déterminer la quantité de fuel brûlée pendant une heure 4-Donner un ordre de grandeur des quantités de poussières, de CO2 et SO2 émises pendant un an de fonctionnement (80% de cendres sont émises en poussières) La composition (%massique) et le pouvoir calorifique sont donnés dans le tableau ci-après Eau Cendres Carbone H S Azote+ Oxygène Pouvoir calorifique 0,3% 0,04% 85,2% 11,3% 2,8% 0,36% 40,5 MJ/Kg Si on considère que le gaz naturel comme combustible pour une centrale présentant les mêmes caractéristiques. 5-Déterminer la masse de gaz naturel brûlé pendant une heure 6-Donner un ordre de grandeur des quantités de vapeur d’eau H2O, de CO2, et de NO2 émises pendant un an de fonctionnement La composition (% massique) et le pouvoir calorifique sont donnés dans le tableau ci-après CO2 N2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 Pouvoir calorifique 0,1% 0,6% 98% 1% 0,2% 0,1% 40 MJ/Kg La puissance est la quantité d’énergie utilisée pendant un certain temps (exprimé en Watt) Le pouvoir calorifique PC = Energie d’un combustible libérable par combustion. Dans le cas d’une installation dont le régime de travail est variable on utilise le facteur de chargement La puissance utile (Putile) = puissance disponible x facteur de chargement Le rendement Putile/Pabsorbée La puissance absorbée Pabsorbée = débit volumique ou massique de combustible x PC

39

2

calcul de la consommation énergétique à partir de la quantité de combustible consommée et du PCI du combustible Consommation énergétique = consommation de charbon en tonnes x PCI Consommation énergétique

3

=

1760760*32,5 =

avec PCI=32,5 Gj/t

57224700 Gj

calcul des émissions potentielles de carbone à partir de la consommation énergétique et des facteurs d’émissions de carbone Calcul des émissions potentielles de carbone = consommation énergétique x facteur d’émission de carbone Calcul des émissions potentielles de carbone = 57224700*27,3*10^-3 = 1562234,31 tonnes de carbone

4

Avec facteur d’émission de carbone = 27,3

calcul du carbone réellement oxydé à partir des facteurs d’oxydation Correction pour combustion incomplète (C non oxydé) = teneur en carbone x facteur d’oxydation pour le combustible Correction pour combustion incomplète (C non oxydé)= 1562234,31*0,98 =

5

1530989,62 tonnes de carbone oxydé émis.

conversion du carbone oxydé en émissions de CO2 émissions de dioxyde de carbone = tonnage de carbone émis x masse molaire du dioxyde de carbone / masse molaire du carbone émissions de dioxyde de carbone =1530989,624*44/12

= 5613628,62 tonnes de dioxyde de carbone émis

kg c/Gj

Exemple: la pollution automobile Polluants émis à l’échappement Monoxyde de carbone (CO)

combustion globalement ou localement en mélange riche 1,6 % à 3,7 % dans les gaz d’échappement pour des richesses de 1,05 à 1,15

Hydrocarbures (HC) issus du carburant ou de réactions de combustion incomplète coincement de la flamme piégeage par dépôt absorption / désorption dans le film d ’huile volumes morts combustion incomplète - transformation chimique

Oxydes d’azote NOx NO2 / NO  0,15

réaction entre N2 et O2 suivie d’oxydation du NO formation favorisée par les hautes températures

Particules 0,1 à 0,3 µm

suies par pyrolyse acide sulfurique hydrocarbures / carburant lubrifiant

Exemple: la pollution automobile Polluants spécifiques aldéhydes 1% des HC C1, C2, C3= , C4 hydrocarbures aromatiques polynucléaires HAP Produits toxiques regroupés (Toxic Air Pollutants TAP) benzène (77 %) butadiène 1,3 (8 %) formaldéhyde (11 %) acétaldéhyde (8 %) HAP (voir plus loin)

Polluants liés aux impuretés ou additifs des carburants Anhydride sulfureux ou sulfurique (augmente en fonction de la composition du soufre dans le carburant selon la qualité gasoil) Polluants secondaires ozone troposphérique; photochimie…

Exemple: la pollution automobile Formation de la suie et de HAP (Hydrocarbures Poly Aromatiques) Les mécanismes précis sont encore mal connus.  La formation de la suie provient de la voie de déhydrogénation qui aboutit à la formation de HC  CH, et de radicaux mono acétyléniques °C  CH.  Ce sont les éléments de la synthèse de molécules Poly-acétylènes (PA) C4H2, C6H2 C8H2 et de leurs radicaux (RPA). °C  CH+ HC  CH HCC-HC=C°H  HCC-CHC + H + H° HCC-HC = CH2

C4H4

+ HC  CH HCC-C  C-CH=C°H + H2 + H° puis C8H4 CH 6

4

Exemple: la pollution automobile Formation de la suie (suite1)  Les cyclisations peuvent se faire lorsque le nombre de C dans les PA et RPA devient > 4. On obtient les hydrocarbures Poly Aromatiques HAP et leur radicaux RHAP: Ex: Naphtalène: C10H8, Anthracène: C14H10, Pyrène: C16H10 …. Coronène: C24H12..  Ces HAP réagissent avec les PA et RPA suivant un processus appelé nucléation.  La nucléation donne des espèces à structures chimiques complexes (nucléi) avec: une masse molaire et un rapport C/H très élevés.  A une masse molaire critique les nuclei se condensent en particules solides dites suies.  Ces particules continuent de croître par addition de: PA, RPA, PAH, RPAH et d’autres particules de suies.  Dans et en sortie du cylindre, les nucléi et particules de suies sont oxydés par les radicaux °OH: ceci crée des groupes oxygénés à la surface des suies (Complexe oxygénés de surface).

Exemple: la pollution automobile Pot catalytique céramique « nid d’abeilles » 2 CO + O2 2 CO2 oxydation si HC = C2H6 C2H6 +7/2 O2 2 CO2+ 3 H2O oxydation

Cordierite 2MgO,2Al2O3,5 SiO2

Particules de Pt  2-7 nm

62 canaux/cm2, Surface 5 m2/g

Automotive three-way catalysis NOx/CO/HC → H2O/CO2/H2O Pt/Rh/Pd supported on ceria/alumina Makes exhaust 99% cleaner

jusqu’à 186 canaux/cm2

0.305 mm (0.05 mm)

04/11/2020

Wash-coat Al2O3 (100 m2/g) + Additifs stabilisants Ba, La,… Imprégné de Pt, Pd, Rh

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Le filtre à particule

Caractéristiques du filtre Le matériau utilisé pour le filtre doit avoir des propriétés spécifiques  Bonne résistance mécanique (montage)  Mauvais conducteur de chaleur et faible chaleur spécifique pour atteindre rapidement la température de régénération.  Très résistant: aux hautes températures et aux chocs thermiques Le système de traitement doit être capable de fonctionner entre 100 000 à 500 000 km suivant le type de véhicule. Par exemple la régénération peut faire fondre une partie du filtre en cordiérite (centre) et le choc thermique peut fracturer les filtres en SiC (Accumulation particulière de la suie)  les limites pour la cordiérite: Fracture à 1275 K, Fusion à 1475-1700 K. Pour éviter ces situations on a recherché à augmenter la vitesse d’oxydation en utilisant un catalyseur pour oxyder les suies à plus basses températures.

Exemple d’innovation sur la base de travaux de recherches Filtre pour dépollution atmosphérique à base d’argile local Extrusion baseé sur la méthode Casagrande E. Gippini, Pastas Cerámicas, Sociedad Espanola de Cerámica Thèse de Doctorat Sanae Harti FST de Tanger, 2010 Extrusion de monolithe en forme de nid d'abeille à partir de minerais carboné et d'argiles locales : application à la dépollution des effluents gazeux contaminés par les COVs

Mechanical propreties (MPa)

Bento

UT

FARD I

TEFA

FERA

Cordierite

7.64

2.58

7.03

1.62

2.53

>15

Innovation L’extrusion de la pate (mélange argile + eau) se fait avec succès selon les exigence de la technique Casagrande’, en ajoutant une quantité appropriée d’eau. La mesure des valeurs de paramètres de plasticité caractérisé par les indices liquid limit et plasticity index, et se situent dans l’intervalle approprié 40% < LL < 60% and 10% < PI < 30%.

Clay monoliths for the treatment of contaminant gaseous effluents, by Tarik Chafik et al., Brevet international WO2007/135212 A1 http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?wo=2007135212 04/11/2020

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Exercise Problem : • A power plant proposes to burn coal with a sulfur content of 1.8% by weight. The heating value of fuel is 10750 BTU/lb. What percent SO2 removal is required to meet the performance standard of 1.2 lb of SO2/106 BTU. British Thermal Unit (abrégé en Btu ou BTU) est une unité anglo-saxonne d'énergie définie par la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une livre anglaise d'eau d'un degré °F à la pression constante d'une atmosphère

Solution Step 1 : Performance standard 1.2 lb/106 BTU Fuel heating value 10750 BTU/lb 1.8% S content by weight Step 2 : lb of coal for 106 BTU= ? 1 lb = 10750 BTU (106 / 10750)lb = 93.02 lb Step 3: S + O2 = SO2 32+32 = 64 1 lb yields 2lb of SO2 93.02 lb of coal contains 93.02*0.018 of S = 1.67 lb of S Step 4 : Rate of SO2 generated = 93.02*0.018*2 = 3.35 lb SO2 /106 BTU % to be removed = (3.35-1.20/3.35)*100 = 64%

Exercise Problem : For an SO2 emission of 22000 kg/day and an exhaust gas flow rate of 5.0 million m3/hr (after the scrubber) measured at 150°C and 1 atm of pressure, calculate the concentration (ppm) of SO2 in the exhaust gases.

Solution Step 1 : n = {33000 kg/day x 1000 g /kg x g-mol /64 g } = 515625 g-mol/day Step 2: VSO2 = (nRT)/P = {515625 (g*mol/day) x 0.08206 (L*atm/gmol*°K) x (200+273)°K } = 20013664.7 L/day

1 atm

Step 3: Vexhaust gases = (5.0 x 106 m3/hour x 1000 L/m3 x 24 hours/1 day) = 1.2 x 1011 L/day Step 4: For 1 day, Total volume = 1.2 x 1011 L Volume of SO2 = 2.0 x 107 L Concentration SO2 = (VSO2 ) / (Vexhaust gases ) = {(2.0 x 107 L) / (1.2 x 1011 L)} * 106 ppm = 166.6 ppm