Capter et stocker le CO2

 

 

+ Un potentiel important
+ Des défis technologiques
+ Le captage du CO₂
+ Le transport du CO₂
+ Le stockage géologique du CO₂
+ Une forte mobilisation de la recherche
+ Un intérêt croissant des industriels
+ Des avancées politiques et réglementaires

 

 

 

 

Un potentiel important

- Le captage et le stockage pourraient permettre de neutraliser les émissions de CO₂ correspondant à des dizaines, voire à des centaines d’années de consommation d'énergies fossiles et donc de rejets de gaz à effet de serre (GES).

- La durée de stockage pourrait être longue, et parfois définitive, ce qui permet à cette solution de s’inscrire dans une logique de développement durable.
- Cette solution ne concerne pas les transports mais pourrait s'appliquer partout où les émissions sont concentrées (production d'électricité, sidérurgie, cimenteries…).

Selon les scénarios envisagés, les méthodes de stockage pourraient permettre d'éviter 3 à 7,6 milliards de tonnes (Gt) d'émissions de CO₂ à l'horizon 2030 et 5,5 à 19,2 Gt à l'horizon 2050.

Des défis technologiques

Pour que le captage et le stockage soient applicables à grande échelle, de nombreux défis technologiques doivent encore être relevés pour :

- réduire les coûts relativement élevés qui varient entre 40 et 70 dollars par tonne de CO₂.
- s'assurer de la capacité de stockage de quantités très importantes de CO₂ dans des zones géographiquement proches des zones d'émissions de CO₂.
- lever les incertitudes concernant le comportement du CO₂ sur de longues périodes (quelques milliers d'années) dans des structures géologiques de stockage.

Des avancées technologiques sont attendues à chacune des trois phases du processus : captage, transport et stockage géologique du CO₂. Les compétences acquises dans les technologies d’exploitation pétrolière et gazière placent naturellement l'IFP comme acteur majeur dans ces domaines. Un certain nombre de technologies de pointe utilisées dans le secteur pétrolier peuvent, en effet, être mises à profit, en particulier pour maîtriser l'injection du CO₂ dans les réservoirs souterrains et suivre l'évolution du stockage.

Le captage du CO₂

Cette étape représente 70 % du processus en terme de coût et constitue un enjeu technologique et économique majeur. Il existe trois façons de capturer le CO₂ :

- Le captage sur les fumées "post-combustion" consiste à récupérer le CO₂ en lavant par solvant les fumées émises par la combustion. Il existe des techniques de captage de CO₂ qui sont bien connues et employées dans le traitement du gaz naturel dont les concentrations en CO₂ sont réglementées. Dans le cas d'un lavage des fumées, les installations sont très coûteuses et consomment des quantités importantes d'énergie. Des options innovantes de captage de CO₂ dans les fumées sont à l’étude à l'IFP en vue de minimiser la consommation énergétique et de réduire la taille des installations et les investissements.

De la 1ere à la 3e génération des procédés de captage post-combustion : les travaux de l'IFP Sur la base des premiers résultats obtenus sur le pilote opéré dans le cadre du projet européen Castor, l'IFP a développé le procédé Hycapt+ de lavage des fumées par solvant chimique; celui-ci va être commercialisé par Prosernat et validé sur un pilote industriel à Brindisi (Italie) dans le cadre d'un partenariat avec l'électricien italien ENEL. L'IFP travaille sur une 2e génération de procédés, les solvants démixants, qui pourront être testés sur pilotes à partir de 2012. Enfin une 3e génération de procédés sont à l'étude : séparation par adsorption, hydrates.

 

	Télécharger l'animation CASTOR - Pilote de captage de CO2 ( format Flash.exe, 2 Mo )

 

- Le captage en "oxy-combustion" consiste à réaliser la combustion de l'énergie fossile en présence d'oxygène pur au lieu d'air, ce qui permet d’obtenir des fumées plus concentrées en CO₂ (de l'ordre de 90%). Celui-ci est alors plus facile à séparer de la vapeur d’eau avec laquelle il est mélangé. Le principal problème est le coût de production de l’oxygène pur, obtenu en général par distillation cryogénique. L'IFP étudie un autre moyen de production d’oxygène plus économique à partir de l’air. Il consiste à placer dans la zone de combustion un solide comportant un métal oxydé. En présence du combustible, on récupère l’oxygène en réalisant la combustion.
L'IFP envisage également le recours aux oxydes métalliques pour réaliser une combustion en l'absence d'air. L'oxyde métallique permet le transport de l'oxygène dans la zone de combustion sans l'associer à l'azote de l'air. Il s'agit du procédé de "Chemical Looping Combustion" qui devrait permettre de réduire fortement les coûts de captage si les verrous technologiques associés sont levés.

- Le captage du CO₂, en amont, en "pré-combustion" : le combustible fossile est converti, préalablement, en entrée d'installation, en gaz de synthèse, mélange de CO (monoxyde de carbone) et d'hydrogène. Puis lors d’une étape de conversion, le CO réagit avec l’eau pour former du CO₂ et de l’hydrogène qui sont ensuite séparés. L'hydrogène peut être alors employé pour produire de l'électricité. Cette voie très prometteuse permet de faire d'"une pierre, deux coups" : produire de l'énergie tout en capturant efficacement le CO₂. Mais elle nécessite encore de nombreux progrès technologiques et fait l'objet de divers programmes de recherche.
Le programme européen HypoGen, lancé en 2004 (1,3 milliard d’euros sur 10 ans) et auquel l’IFP apporte sa contribution est consacré à l'étude des technologies de captage en pré-combustion.
L'IFP participe à d'autres projets européens dont le projet CACHET qui vise à développer des technologies de production d'hydrogène à partir de gaz naturel avec captage du CO_2.

Ces trois modes de captage sont intéressants et techniquement réalisables, mais seul le captage sur les fumées en post-combustion s’applique aux installations existantes. Les deux autres modes exigent des modifications de conception des installations qui représentent des investissements financiers importants.

Le transport du CO₂

Le CO₂ doit ensuite être acheminé, parfois sur plusieurs centaines de kilomètres, vers un lieu de stockage. Le transport du CO₂ ne pose pas de problème particulier et est déjà couramment pratiqué. Pour les besoins de l’industrie pétrolière, on le transporte dans des gazoducs à l’état supercritique (à plus de 31°C et sous une pression de 73 bars), ce qui nécessite des installations de compression et d’injection adaptées. Un réseau de 4 000 km de pipelines existe aux Etats-Unis. L’IFP développe une solution alternative où le CO₂ pourrait être transporté et injecté dans le sous-sol à l’état liquide, à une température qui reste proche de la température ambiante. Cela permettrait d’abaisser les coûts de transport, et en particulier, les étapes coûteuses de compression.

Le stockage géologique du CO₂

Une fois capté et acheminé, le CO₂ doit être injecté et stocké dans le sous-sol à une profondeur d’au moins 800 mètres et pour une longue période. Il s'agit de couvrir non seulement la durée pendant laquelle les combustibles fossiles resteront disponibles (1 à 2 siècles) mais aussi la durée du cycle océanique (environ un demi millénaire). En effet, il faut prendre en compte le cycle du carbone qui est régi par deux échanges : l'échange entre l'atmosphère et l'océan et celui entre la biosphère et l'atmosphère. Si les échanges avec la biosphère se font sur des échelles décennales, le cycle de l'océan s'étend sur plusieurs siècles. Une stabilisation des teneurs en CO₂ dans l'atmosphère impose donc de conserver le CO₂ dans le sous-sol sur des durées compatibles avec le cycle océanique. Par mesure de précaution, on envisage des solutions qui permettent d'effectuer le stockage sur des périodes pouvant atteindre des milliers d'années.

• Trois modes de stockage sont en général envisagés :

- Le stockage dans des gisements d’hydrocarbures (pétrole et gaz) épuisés, soit un potentiel de 920 Gt (milliards de tonnes). Cette option est intéressante puisque ces structures ont constitué des pièges à hydrocarbures étanches pendant des millions d'années et que ce milieu géologique est relativement bien connu. L'injection de CO₂ permet, dans le même temps, d'améliorer la récupération du pétrole en place dans les gisements. Néanmoins, leurs capacités sont limitées et souvent très éloignées des installations industrielles.
Des opérations de stockage dans des gisements de pétrole abandonnés sont déjà en cours dans le cadre d’expérimentations en grandeur réelle.

Collaboration Total-IFP pour le projet de stockage de CO2 de Lacq Le pilote Total à Lacq sera la première opération en France de démonstration de la chaîne complète, du processus de captage du CO2 par oxycombustion jusqu’au stockage souterrain dans l'ancien gisement de gaz de Rousse à une profondeur de 4500 mètres. A partir de début 2009, 150000 tonnes de CO2 seront ainsi injectées sur une période de 2 ans. Dans le cadre de la collaboration avec Total, démarrée début avril 2008, l'IFP va participer à la préparation et au suivi des opérations de stockage, ainsi qu'à la compréhension des différents processus physico-chimiques mis en jeu. Les points suivants seront notamment abordés au cours de cette étude : la mise en oeuvre d'outils de caractérisation de la formation rocheuse (propriétés pétrophysiques, réactivité de la roche en milieu acide...) ; la validation et l'amélioration des outils de modélisation (modélisation thermodynamique, modélisation géochimique, modélisation couplée chimie-transport) ; la participation à la surveillance du site de stockage, avec notamment la mise en oeuvre d'outils de monitoring géochimique.   En savoir plus : Dossier du pilote de Lacq (site web de Total)

- Le stockage dans les veines de charbon non exploitées, dont le potentiel est beaucoup plus réduit (5 à 150 Gt). La capacité du charbon à "adsorber", c'est à dire à retenir préférentiellement le CO₂ à la place du méthane naturellement présent dans le charbon, constitue un mécanisme de piégeage intéressant. Mais cette option est limitée par la porosité et la perméabilité qui restent faibles, d'où la nécessité d'un nombre important de puits d'injection et de production.

- Le stockage dans les aquifères salins profonds. Ce sont des réservoirs d’eau salée non potable, situés à de grandes profondeurs, qui représentent le plus gros potentiel en matière de capacité de stockage (400 à 10 000 Gt). Bien qu'étant mieux réparties à la surface du globe que les gisements d'hydrocarbures, leur structure et leur capacité à piéger durablement le CO₂ sont plus mal connues. Un effort important de recherche doit donc être engagé pour apprécier leur potentiel en terme de stockage géologique et leur capacité à confiner le CO₂ sur le long terme.

• Le potentiel de stockage

Globalement, le potentiel mondial de stockage de CO₂ semble être à la hauteur des quantités émises. Il dépend, cependant, de l'option de stockage qui est choisie. Pour les gisements d'hydrocarbures et les veines de charbon, les régions du monde aux plus fortes émissions ne sont pas forcément celles où le potentiel de stockage est le plus important. Le CO₂ devra être alors acheminé sur de longues distances. S'agissant des aquifères salins, leur potentiel est beaucoup plus important et ils sont présents à peu près partout dans le monde. Mais c'est là aussi que résident les plus grandes incertitudes, notamment sur l'étanchéité, et, par conséquent, les défis technologiques les plus importants.

• La fiabilité du stockage

La fiabilité du stockage sur une longue durée constitue un enjeu primordial. Cette solution doit démontrer qu'elle est un moyen efficace de lutte contre le changement climatique (temps de rétention du CO₂ suffisant) et qu'elle ne cause aucun dommage à l'environnement local. Pour ce faire, il faut disposer d'outils fiables de modélisation du devenir du CO₂ stocké, et de techniques de gestion et de surveillance suffisamment sensibles. L'IFP a lancé des programmes de recherche ambitieux sur ces thèmes.
 

- Les différentes options pour stocker le CO₂

 

L'IFP étudie la fiabilité du stockage dans les gisements de pétrole Démontrer que le CO2 peut être stocké de manière durable et sûre est un point fondamental. Pour analyser et évaluer les risques de fuite, l'IFP modélise le comportement du stockage dans le temps et dans le cadre de scénarii provoquant une rupture d’étanchéité (endommagement de l'intégrité des puits ou des réservoirs, réactivation de failles, etc.). Ces modèles prennent notamment en compte les interactions géochimiques entre le CO2 et la roche réservoir. Des méthodes de surveillance sismique sont également à l'étude dans le but de pouvoir contrôler l’extension de la bulle de gaz stocké ainsi que l’intégrité de la couverture.

 

Logiciel Coores™ L’IFP a développé le logiciel Coores™ qui modélise les voies possibles de migration du CO2 dans le sous-sol, en prenant en compte la structure géologique du stockage et les interactions géochimiques entre le CO2 et les structures minérales rencontrées. Le modèle du sous-sol ainsi construit permet d'estimer l'injectivité, la propagation du CO2 dans le sous-sol, l'impact des transformations géochimiques et géomécaniques sur l'étanchéité des couvertures et des puits. Ces informations sont cruciales pour juger de la sécurité du stockage à moyen et long terme. Modélisation de la migration du CO2 dans une structure géologique, à l'aide du logiciel COORES™ , développé par l'IFP.

 

Une forte mobilisation de la recherche

Il y a actuellement un foisonnement de projets de recherche internationaux, certains donnant lieu à la mise en oeuvre de pilotes.

- A Weyburn, au Canada, l'injection de CO₂ est pratiquée à grande échelle, par la compagnie Encana, dans des gisements de pétrole dans le cadre d'un programme soutenu par l'Agence Internationale de l'Energie.
- La première expérience à grande échelle de stockage dans un aquifère salin a été engagée en Mer du Nord où, depuis 1996, le pétrolier norvégien Statoil injecte environ 1 million de tonnes de CO₂ par an.
- Au Brésil, depuis 1991 la compagnie pétrolière Petrobras injecte du CO₂ dans un réservoir d'huile pour en améliorer la récupération et pour le stocker.
L'IFP participe à ces 3 projets.
- Gaz de France réalise également une expérience en Mer du Nord au large des côtes néerlandaises, dans un gisement de gaz épuisé.
- L'Union européenne finance de nombreux programmes de recherche sur ce sujet: à titre d'exemple on peut citer le projet pilote d'injection de CO₂ opéré par BP dans le nord de l'Algérie
- La France est fortement engagée tant au niveau national qu'international et soutient de nombreuses initiatives dans ce domaine, notamment via le Club CO₂ qui regroupe, sous la présidence de l'Ademe, les acteurs majeurs du domaine (IFP, BRGM, industriels) ou via l"ANR (Agence Nationale de la Recherche) qui finance des projets dans ce domaine.

L'IFP leader du projet européen Coach L'objectif de Coach, qui rassemble 20 partenaires dont 8 chinois, est de préparer techniquement l'implantation d'un module de captage de CO2 sur une centrale électrique chinoise fonctionnant au charbon. Le projet vise également à identifier des sites potentiels de stockage géologique du CO2 L'implantation du module de captage devrait débuter en 2011 et la chaine devrait être opérationnelle d'ici 2015.

 

Un intérêt croissant des industriels

Les programmes de R&D sortent des laboratoires pour entrer dans une phase où les stratégies industrielles se mettent en place. Les projets d'installations pilotes ou de démonstration se multiplient, en Europe notamment, témoignant de la confiance des industriels dans cette technologie. Ils ont d'abord été initiés par les compagnies pétrolières et gazières qui se sont appuyées sur leur savoir-faire en matière de gestion et d'exploitation du sous-sol. Depuis quelques années, les industries émettrices de CO₂ et en particulier les électriciens, les rejoignent. En Allemagne Vattenfall, EON et RWE ont des projets pilotes de centrales sans émissions de CO₂. Total en France met en oeuvre un projet pilote à Lacq Au Royaume Uni, BP lance aussi une première réalisation industrielle dans ce domaine.

Aux Etats-Unis également, un coup d'accélérateur a été donné aux recherches. Outre la production d'énergie, la filière intéresse aussi d'autres industriels dans la sidérurgie, la production de ciments ou le traitement des déchets.
L'IFP a créé avec Géostock et le BRGM la société Geogreen qui propose aux industriels des services dans le domaine du transport et du stockage géologique du CO₂.
Parallèlement à cela, les actions pour constituer un cadre juridique et informer l'opinion publique sont en marche. Dans ce contexte, le captage et le stockage du CO₂ pourraient se développer, à une échelle industrielle, d’ici 10 à 15 ans.

 

Des avancées politiques et réglementaires

Deux directives européennes ont été adoptées en avril 2009 :

- l'une définit les responsabilités de chaque acteur aux différentes étapes d'un stockage (modalités de prises de permis, fréquences des audits, etc.)
- l'autre met à jour le marché des quotas CO2 européen en y intégrant le captage et le stockage.

Par ailleurs, des financements pour les démonstrateurs européens ont été décidés (Fond de Relance Européen de 1,05 G€ pour le CSC, attribution de 300 millions de tonnes de quotas pour la phase 3 du marché EU-ETS/European Emissions Trading Scheme).
La mise en place d'une réglementation dédiée au CSC se précise aussi aux États-Unis où la prochaine loi sur l'énergie devrait imposer des quotas et créer un marché global du carbone. En Australie, un processus d'attribution de permis de stockage est en cours de d'élaboration. Des aides nationales se mettent également en place, en France et aux Royaume-Uni notamment.

 

 

+ Les clés pour comprendre > Hydrocarbures, CO₂ et effet de serre

 

+ Zoom : Le démarrage du premier pilote de captage du CO₂ sur les fumées d'une centrale thermique au charbon au Danemark - Projet européen Castor

Pierre Le Thiez, Coordinateur du projet Castor, répond à nos questions. [Avril 2006]
 

+ Zoom : Les technologies de captage et stockage géologique du CO₂

Claude Mabile, Directeur adjoint du Centre de Résultats Exploration-Production à l'IFP fait le point sur ces technologies. ( >> Télécharger les fiches sur le stockage du CO₂) [Avril 2008]
 

+ Axes de recherche > CO₂ maîtrisé

 

+ Dossier de presse du 28 octobre 2008 : Les technologies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre - L'action de l'IFP

 

+ Actualités > Dossier : Captage et stockage géologique du CO₂ - Accélérer le déploiement [Novembre 2009]

 

+ Lettre IFP "Les rendez-vous de l'innovation" : Numéro spécial : "L'IFP et le Captage/Stockage du CO₂ (CSC)"

N°10 - Novembre 2009
 

+ Zoom : Changement climatique - Les technologies de captage du CO₂

François Kalaydjian, directeur des technologies durables à l'IFP, explique en quoi consiste le captage du CO₂ et quels sont les développements technologiques en cours pour en diminuer les coûts. [Janvier 2010]