Transformation des centrales au charbon : avantages et défis
Il y a actuellement plus de 8 500 centrales au charbon dans le monde avec une capacité de production d’environ 2 000 GW d’électricité [1]. En Amérique du Nord, on compte plus de 220 centrales au charbon pouvant produire environ 220 GW d’électricité [2,3]. Cela représentait environ 23 % de la capacité totale de production d’électricité dans la région en 2021.
Malheureusement, les centrales au charbon émettent des quantités importantes de matières particulaires et de gaz à effet de serre (GES), y compris le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et d’autres contaminants, qui nuisent à notre santé et à notre environnement. Malgré cela, 1 400 GW de capacité de production d’énergie à partir du charbon ont été ajoutés à la production d’énergie mondiale depuis l’an 2000. Il s’agit d’installations relativement nouvelles et leur durée de vie restante est importante. [4]. De plus, il s’agit de centrales de base, un avantage-clé pour répondre à la demande en électricité, alors que la plupart des solutions écologiques disponibles sur le marché, comme l’énergie solaire ou éolienne, sont intermittentes et ne peuvent pas répondre à la demande de base. Il est considéré comme peu pratique de mettre hors service des installations relativement nouvelles qui produisent un tiers de l’électricité à l’échelle mondiale ou de les remplacer par des groupes turbine-alternateur.
Une meilleure solution consiste à transformer ces centrales dans la mesure du possible – une approche qui assurera la satisfaction continue de nos besoins énergétiques en réduisant nos investissements en capital tout en réduisant considérablement les émissions de CO2 et d’autres éléments constitutifs nocifs.
Conversion de centrales au charbon en centrale à biocombustible
Le biocombustible est considéré comme carboneutre et constitue une solution de rechange à la combustion du charbon. Le passage du charbon à la biomasse permettra aux centrales au charbon de poursuivre leurs activités. Il s’agit de la solution impliquant le moins de modifications. L’ensemble du système de stockage, de récupération et de transport des combustibles, ainsi que les soutes à charbon, les pulvérisateurs et les brûleurs peuvent être réutilisés pour accueillir la biomasse avec des modifications mineures. Ce type de conversion a été mis en œuvre avec succès dans des centrales à l’échelle des services publics.
Les défis liés à la transformation comprennent la forte volatilité des biocombustibles (presque le double de celle du charbon), la disponibilité de biocombustibles adéquats et le transport de la biomasse. Ces défis peuvent être atténués en mettant à jour le système de stockage des combustibles et de protection contre les incendies, en effectuant une étude sur la disponibilité de la biomasse à l’aide de technologies modernes d’arpentage et en utilisant des options de transport à faible coût comme les chemins de fer, le cas échéant.
Sur le plan fonctionnel, la transformation de centrales au charbon relativement nouvelles en centrales à la biomasse est une solution prometteuse qui peut contribuer à réduire les émissions de GES des centrales de base.
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Transition vers les énergies renouvelables
Cette option convient le mieux aux anciennes centrales au charbon où la plupart des équipements de l’îlot de puissance ont atteint la fin de leur utilité économique et doivent être mis hors service.
L’espace nécessaire à la production d’une capacité équivalente (en GW) à partir de centrales à énergie renouvelable, comme l’énergie solaire ou éolienne, sera beaucoup plus grand que celui des centrales au charbon. Sans espace supplémentaire, la capacité de production d’électricité de l’installation suivant la transformation sera considérablement réduite. La démolition de l’équipement de l’îlot de puissance est également un processus complexe et coûteux. Ces défis ne sont pas purement techniques; les contraintes commerciales liées à la transformation des anciennes centrales au charbon en centrales à énergie renouvelable comprennent le capital requis pour la démolition et l’augmentation du coût unitaire de l’électricité.
L’utilisation des terrains disponibles à la centrale, ainsi que des infrastructures civiles et du réseau de transport d’électricité, est l’avantage réel de la transformation de ces installations.
Ajout de petits réacteurs modulaires
Les nouvelles centrales au charbon sont les candidats les plus appropriés pour une telle conversion. Les petits réacteurs modulaires (PRM) sont considérés comme une solution de rechange propre et viable des combustibles fossiles. Le cycle de vapeur des centrales au charbon et des centrales nucléaires à haute température est similaire. La turbine des centrales au charbon peut donc être réutilisée et alimentée grâce à la vapeur produite par les PRM.
La maturité des PRM est actuellement le principal obstacle au déploiement de telles centrales. À l’heure actuelle, de nombreux créateurs de technologies bien appuyés financièrement, de même que quelques sociétés industrielles et de services publics soutiennent ces efforts. La disponibilité du combustible nucléaire, la recherche d’une main-d’œuvre expérimentée et la gestion des déchets nucléaires sont des champs que les exploitants de centrales à combustibles fossiles trouveront difficiles. Ces défis peuvent toutefois être atténués à l’aide de partenariats, de formation et de coopération avec des organisations expérimentées qui exploitent des installations nucléaires depuis des décennies.
Les principaux avantages de cette conversion sont la réduction des coûts d’infrastructure du réseau, des coûts en capital et le peu de travail nécessaire pour l’élaboration et la mise à jour des études d’impacts environnementaux.
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Combustion au gaz naturel
Les centrales au gaz naturel génèrent jusqu’à 50 % moins d’émissions de GES que les centrales au charbon. Plusieurs services publics ont converti leurs centrales au charbon en centrale au gaz naturel et plusieurs autres envisagent également cette solution. La conversion au gaz naturel permet également d’améliorer le taux thermique net de l’usine, car elle réduit la consommation d’énergie auxiliaire de la centrale en éliminant tout l’équipement de manutention du charbon et de traitement des gaz de combustion.
Cette conversion est toutefois coûteuse et dépend de la disponibilité et de l’approvisionnement en gaz naturel. Les principales modifications comprennent le remplacement des brûleurs au charbon par des brûleurs au gaz naturel, l’ajout ou l’agrandissement de gazoducs et de trains à gaz combustibles existants, la modification du système d’air de combustion et l’ajout d’un système de recirculation des gaz de combustion. Ces facteurs rendent cette solution moins attrayante.
Étant donné la capacité de produire jusqu’à 50 % moins de GES, la conversion du charbon au gaz naturel a été mise en œuvre par des exploitants qui se sont engagés à assurer un avenir à faible empreinte carbone en matière de production d’électricité. Les exploitants de centrales envisagent cette conversion pour que leurs usines soient alimentées au gaz naturel et pour réduire considérablement leurs émissions de GES en vue d’atteindre leurs objectifs de décarbonisation. Ils envisagent cette conversion comme solution provisoire, tandis que les technologies renouvelables, le stockage de batteries et de PRM deviennent suffisamment fiables pour fournir une alimentation de base.
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Prochaine étape
L’utilisation du charbon pour la production d’électricité pourrait bientôt être chose du passé. Toutefois, il est fort probable que ces centrales poursuivront leurs activités jusqu’à ce que l’énergie sans émissions de GES puisse fournir une alimentation de base fiable. Entre-temps, la réaffectation de ces centrales pour utiliser des combustibles de remplacement ou leur réalimentation avec des sources d’énergie neutres en carbone ou exemptes d’émissions contribuera à réduire les émissions de GES tout en assurant l’alimentation de base.
Hatch possède l’expérience et l’expertise nécessaires pour gérer une telle transformation des centrales au charbon vers les technologies susmentionnées. Nous collaborons au sein de nombreux secteurs et services multisectoriels, y compris l’énergie, le nucléaire, les infrastructures, les changements climatiques, l’énergie renouvelable, la gestion des risques, le numérique et les services consultatifs, afin d’obtenir des résultats sans précédent qui sont rentables, sécuritaires et durables.
Nous réagissons à cette transition énergétique en offrant à nos clients des solutions de production d’énergie responsables qui nous permettront de réaliser notre avenir à faible émission de carbone et de façonner un nouveau paysage énergétique.
Références :
Kamran Akhtar, ing.
Ingénieur senior, Énergie thermique
Kamran est ingénieur thermique senior chez Hatch et possède plus de quinze ans d’expérience dans le domaine de l’électricité. Il est ingénieur en conception de systèmes et gestionnaire de projet, il possède de l’expérience à titre d’expert technique pour des fabricants d’équipement de centrales électriques d’envergure. Kamran a travaillé sur plusieurs projets d’énergie thermique et renouvelable aux quatre coins du monde. En tant que professionnel de l’énergie thermique, Kamran est toujours prêt à aider à répondre aux besoins énergétiques partout dans le monde en assurant un impact minimal sur la société et l’environnement.
Todd Thomas, P. E.
Directeur régional, États-Unis, Énergie thermique