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Les systèmes de capture post-combustion du CO2 (Carbon Capture and Storage - CCS ou Carbon Capture Utilisation and Storage - CCUS) en sortie de cheminée reposent pour l’essentiel sur l’utilisation de solvants chargés en amines. Au cours du process de capture, le système n’est pas totalement clos, et des émissions d’amines et d’ammoniac (du fait des cycles répétés d'absorption et de régénération à haute température qui dégradent les amines par rupture de leurs liaisons chimiques) sont possibles dans les rejets à l’atmosphère des fumées traitées.
Figure 1 - Schéma de principe du procédé de captage du CO2 par absorption (source : IFPEN)
La spécificité des amines est qu’elles subissent des dégradations chimiques dans l’atmosphère via différentes voies (oxydation par OH, photolyse...) et que ces dégradations sont rapides (de moins d’une heure à quelques heures). Les nitrosamines et les nitramines, issues de la transformation atmosphérique des amines, sont bien plus toxiques que les amines elles-mêmes. Certaines sont fortement cancérogènes, même à des concentrations très faibles. En outre, les transformations favorisent la formation d’aérosols secondaires.
Dans tout projet de capture du CO2 sur des sites existants ou nouveau, l’évaluation de l’impact atmosphérique des rejets d’amines et de leurs effets sur la santé devient une priorité.
La modélisation de la dispersion atmosphérique des amines
Compte tenu de la forte réactivité chimique des amines dans l’atmosphère, l’approche conservatrice de les considérer comme un traceur passif, tel que cela est fait dans la majorité des modélisations pour les COV, le SO2, etc., serait trop majorante pour les concentrations en amines, et ne permet pas de déterminer les concentrations des composés secondaires. Il est impératif de pouvoir tenir compte de la spécificité de ces composés, et des transformations chimiques qui surviennent.
Plusieurs approches, plus ou moins simplifiées, sont envisageables : utilisation de facteurs de conversion issus de la littérature, hypothèses majorantes permettant d’encadrer les rendements de formation des composés secondaires, ou modélisation des réactions chimiques en jeu.
Certains modèles gaussiens ou lagrangiens, peuvent intégrer des modules chimiques complémentaires, souvent simplifiés, spécifiques aux problématiques des amines.
Les modèles eulériens, notamment de chimie-transport, sont outillés pour résoudre des systèmes chimiques complexes. Les spécificités des amines sont parfois intégrées. Ces modèles sont toutefois lourds à mettre en œuvre et ne sont pas adaptés à l’étude de toutes les échelles.
Parmi les outils de dispersion atmosphériques les plus utilisés sur le marché, le modèle ADMS intègre depuis quelques années un modèle spécifique de chimie des amines.
Le module Amines d’ADMS
Le développement du module Amines d'ADMS s'inscrit directement dans le cadre du projet SCOPE (Sustainable OPEration of post-combustion Capture plants, https://www.scope-act.org), financé par le programme international ACT (Accelerating CCS Technologies), consacré à la recherche sur le captage, le stockage et l'utilisation du CO2 (CCUS). Ce projet, qui réunit industriels, régulateurs et chercheurs, vise à approfondir la compréhension des procédés de captage du CO2 par solvants aminés, en développant des outils de modélisation, des données expérimentales et des méthodes d'évaluation environnementale adaptées. C'est donc à l'initiative du projet SCOPE que CERC a développé un module dédié aux amines au sein d'ADMS, permettant de modéliser leur dispersion atmosphérique ainsi que la formation de nitrosamines et de nitramines dans le cadre d’installations de captage du CO2.
Ce module est disponible en option complémentaire d’ADMS et fait l’objet d’un coût supplémentaire.
Schématiquement la dégradation d’une amine dans ADMS est modélisée via un schéma réactionnel générique qui est présenté sur la figure suivante.
Figure 2 - Schéma générique de dégradation des amines (source : CERC)
Pour chaque amine émise il est donc nécessaire de configurer les différentes constantes et paramètres de réaction : constante de réaction Amine/OH, constante de vitesse de la réaction radical amino/O2, constante de vitesse pour la formation de nitrosamine, constante de vitesse pour la formation de nitramine, constante de vitesse de réaction radical amino/NO2, rapport de ramification pour la réaction amine/OH, rapport de la Jnitrosamine/JNO2, constante pour les calculs de concentration de OH.
Pour les calculs de concentration du radical OH, un outil complémentaire fourni avec la licence Amines d’ADMS s’appuie sur les données météorologiques et concentrations de fond (ozone, NOX…), afin de fournir cette information lors du calcul ADMS.
En outre, il est possible de définir les constantes de Henry pour l’absorption des composés aminés dans l’eau des particules ou gouttelettes.
L’accompagnement de NUMTECH
Dans les procédés d’absorption chimique, les amines primaires et secondaires sont généralement privilégiées en raison de leur forte réactivité avec le CO2, avec des vitesses d’absorption élevées. À l’inverse, les amines tertiaires ont des cinétiques d’absorption plus lentes mais plus efficaces.
Parmi les solvants les plus utilisés, la Monoethanolamine (MEA) constitue la référence industrielle dans les procédés de captage post-combustion. Toutefois, la stabilité des carbamates formés implique une énergie de régénération élevée pour libérer le CO2 lors de l’étape de désorption, ce qui représente l’un des principaux coûts énergétiques du procédé. Par ailleurs, les solutions d’amines, en particulier ceux incluant la MEA, sont sensibles aux phénomènes de dégradation thermique et oxydative, pouvant entraîner la formation de sous-produits, des problèmes de corrosion et des pertes de solvant par volatilisation. Ces limitations augmentent les coûts d’exploitation et les contraintes environnementales.
Ainsi, les stratégies combinant amines primaires et tertiaires ou secondaires et tertiaires sont aujourd’hui développées afin d’optimiser le compromis entre vitesse d’absorption, capacité de captage et consommation énergétique. La difficulté est que l’ensemble des données physicochimiques sur ces différents composés évoluent rapidement et pour certaines sont encore expérimentales.
En dehors des composés standards pour lesquels des paramétrages sont proposés pour le module Amines d’ADMS, une expertise est nécessaire pour savoir configurer ADMS pour ces nouveaux composés.
C’est à ce titre que NUMTECH propose une expertise pour modéliser les amines ou réaliser pour vous l’étude de dispersion de votre projet de CCS.
