Jeudi 2 novembre 2006, 15:25

Les enjeux de la capture et la séquestration du CO2

[ in Chercheur ]

© BRGM
Catherine Ponsot-Jacquin, géologue, expert scientifique qui a collaboré à la rédaction du rapport Académies-CES, revient sur la question de la capture et séquestration du CO2, qui est une des solutions pour réduire les émissions de CO2 industriel. Le principe consiste à capter le CO2 à son point d’émission (raffineries, usines, etc.), de le concentrer et le transporter vers un site géologique adéquat pour son stockage. Revue des principes et des enjeux.

Définition : Le dioxyde de carbone est un composé chimique composé d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène et dont la formule brute est CO2. Dans les conditions normales de température et de pression, le dioxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et à la saveur piquante communément appelée gaz carbonique. (Source Wikipédia)

Introduction

Le taux de CO2 dans l’atmosphère est aujourd’hui au moins 30 % supérieur au taux d’avant la révolution industrielle (début XIXe) :
La teneur en CO2 dans l’atmosphère était de 280 ppm début XIXéme et est de 370 ppm aujourd’hui avec une augmentation de 60 ppm ces 50 dernières années. L’atmosphère contient aujourd’hui environ 700 Gt de CO2
Le CO2 réside dans l’atmosphère sur une grande période de temps : il y a donc accumulation, somme de toutes les émissions passées. De plus, comme le CO2 combiné à l’eau forme un acide, l’augmentation du taux de CO2 atmosphérique augmente l’acidité à la surface de l’océan.

La production de CO2 serait due pour :
- 2 % à la production de ciment,
- 25 % à la déforestation,
- 73 % aux fuels fossiles.

La combustion des fuels fossiles génère de l’ordre de 23 Gt de CO2 par an (ou 6Gt de C) dont :
− 18 % proviennent du gaz,
− 40 % du charbon,
− 42 % du pétrole.
Les énergies fossiles représentent environ entre 80 et 85 % (suivant les auteurs) de l’énergie mondiale fournie.

Émission de CO2 par type de source d’énergie fossile (en 1995 et en moyenne):
− charbon : 25 kg / GJ
− pétrole : 20 kg / GJ
− gaz naturel : 14 kg / GJ

Rappel :
- le protocole de Kyoto impose aux pays industrialisés une réduction de 5,2 % des émissions de CO2 par rapport au niveau de 1990 entre 2008 et 2012. Pour l’Europe, la réduction est de 8% et pour la France 0%.

- les 2 autres principaux gaz à effets de serre sont CH4 dont le taux dans l’atmosphère a au moins triplé depuis le début du XIXe et N2O qui a lui augmenté de près de 20%. Ils sont cependant en concentration plus faible que le CO2 dans l’air.

Les émetteurs de CO2 (et CH4)

Nature des émetteurs :

Les émetteurs sont de cinq sortes : naturels, industriels, liés à l’agriculture, au transport et résidentiels - et de 2 types : fixes (ou localisés) ou mobiles.

• Naturels et localisés : incendie, volcanisme…
• Industriels et fixes : zones de forage, raffineries, centrales électriques, usines, …
• Liés à l’agriculture et localisés : élevage, rizières … (principalement émetteurs de CH4)
• Liés au transport et mobiles : tous types de véhicules
• Résidentiels /tertiaire et fixes : bâtiments, immeubles et maisons individuelles

Production des différents émetteurs :

Nota : il existe des gisements de gaz naturel contenant du CO2
(1) La production électrique en France provient à 85 % du nucléaire et à 15 % de l’hydraulique.

Pour en savoir plus sur la Capture - Séparation

Méthodes de capture :

• Capture du CO2 par la biomasse (naturelle ou pour produire des biofuels)
• Capture du CO2 à la centrale avant combustion (décarbonation) ou après (dans les fumées industrielles)
• Capture du CO2 au niveau des véhicules ?…

Si la récupération du CO2 aux niveaux des centrales et des usines peut être envisagée à des coûts acceptables à moyen terme, il sera très difficile de récupérer (à la source) le CO2 émit par le secteur résidentiel et les véhicules sans des changements drastiques de technologies, ces émetteurs globalisant près de 50 % de la production du CO2 aujourd’hui.

Moyens de séparation connus :

• Membranes (pour séparations pré et post combustion) organiques, minérales et liquides
• Procédés d’absorption physio-chimiques (principalement en utilisant des amines)
• Procédés d’adsorption (méthodes PSA et TSA par exemple – pressure swing adsorption et température swing adsorption)
• Distillation basse température pour liquéfaction et purification du CO2 (par cryogénie)
• Minéralisation et bio minéralisation

Des méthodes existent donc aujourd’hui pour capturer le CO2 au niveau d’une centrale, mais elles ne sont pour ainsi dire pas utilisées en raison de leurs coûts. De plus, elles ont souvent liées à des technologies nouvelles de production d’énergie qui ne sont que peu en place actuellement.

Séquestration du CO2

De 2 types : pérenne et temporaire.
Et sous les 3 états : gaz, liquide, solide

Diverses façons théoriques de faire :

• Injection dans les océans et largage dans les fonds océaniques
• Injection dans les formations géologiques
• Séquestration biochimique par les écosystèmes terrestres
• Autres concepts (chimiques, biologiques…)

1. Injection dans les océans :

La dissolution du CO2 dans les eaux océaniques est très lente (plusieurs centaines d’années). A une profondeur inférieure à 1000 m d’eau (valeur la plus souvent citée), les risques d’acidification des eaux marines et de perturbations des écosystèmes sous marins sont forts. Il faut également bien connaître et comprendre les courants et circulations des eaux sous-marines.
Suivant des valeurs de T° et de P moyenne des océans, le CO2 reste gaz jusqu’à environ 500 m de profondeur d’eau et devient liquide en dessous. Mais ce n’est pas parce qu’il est sous forme liquide qu’il coule vers les fonds sous-marins pour autant.
Des projets de recherche sont en cours (US, Japon…)

Les rejets industriels dans les mers et océans sont interdits depuis la convention de Londres : le CO2 est-il assimilé a ces rejets ?

Méthodes citées dans la littérature :

- injection sous forme gazeuse à faibles profondeurs : gros risque de remontée et de diffusion avec l’atmosphère
- largage de neige carbonique depuis un bateau : Dry Ice
- injection combinée eau de mer- CO2 comprimé (30 bars) à des profondeurs moyennes (500m) formant un courant de gravité descendant : Dense Plume
- injection de CO2 liquide à partir d’un tube collecteur partant de la surface et suivant le plateau continental à environ 1000 m de profondeur formant un panache de gouttelettes : Droplet Plume
- injection de CO2 liquide à partir d’un long tube remorqué par un bateau à environ 1000 m de profondeur formant un panache de gouttelettes : towed Pipe
- injection de CO2 liquide à très grandes profondeurs (> 3000 m) dans des dépressions du sol sous marin pour former des “lacs” (le CO2 se transformant en hydrates)
- injection sous forme d’hydrates de gaz directement formés en surface à des grandes profondeurs (> 2000 m) : nécessite de l’énergie pour former les hydrates.

- Il y a également la consommation du CO2 par la biomasse marine : Pour stimuler la production de phytoplancton qui consommerait le CO2 injecté, il faut « fertiliser » l’océan avec du fer et de l’azote. Cette technique est la seule à avoir fait l’objet d’une expérience (au large d’Hawaï) ; néanmoins, elle présente de gros risques au niveau des écosystèmes.

2. Injection dans les formations géologiques

3 étapes :

• Piégeage hydrodynamique et structural : le CO2 circule avec la saumure
• Piégeage par dissolution : le CO2 se solubilise dans la saumure en place
• Piégeage minéral : le CO2 réagit avec les sels et minéraux de la saumure et de la roche-réservoir et précipite sous forme de carbonate.

Aujourd’hui, le CO2 peut être injecté sous forme gaz comprimé ou liquide.

Différents types de zones de « stockage » (structure à forte porosité et perméabilité, avec couche étanche au toit):

- Aquifères (confinés ou infinis) : Cas actuel de réinjection par Statoil sur le champ de Sleipner (Norvège). Risques d’instabilité hydrodynamique, d’augmentation de pression, de fuite.

- Réservoirs d’HC (déplétés ou actifs) : risque de modification des propriétés mécaniques avec fracturation induite et d’augmentation de pression - mais augmentation du taux de récupération des champs en production (EOR) ; 32 Mt/CO2 auraient déjà été réinjectées au US pour EOR.

- Veines de charbon : procédé ECBM (enhanced coal bed methane) pour injecter le CO2 dans les veines de charbon ; déjà 57 millions de tonnes de CO2 ont été réinjectées de cette façon depuis 1996 (bassin de San Juan – US). Une molécule de méthane serait remplacée par deux molécules de CO2.

Les émissions de C02 prévues vers le milieu du XXIe siècle sont de l’ordre de 50 milliards de tonnes/an. Les expériences réalisées à ce jour portent sur des quantités de 4 ordres de grandeur inférieurs.

La séquestration peut être « active ou passive » c’est a dire que l’injection du CO2 peut avoir une utilité ou être à seul but de stockage ; dans ce sens, elle a bien sûr un impact économique différent.
Exemples de séquestrations « actives » :

- Ré- injection dans réservoirs pour augmenter la productivité (EOR) : récupération assistée, la plus classique étant l’injection de gaz vapeur pour « pousser » l’huile, l’injection d’un mélange sable-CO2 liquide pour fracturer le réservoir en est une autre. Dans le cas de l’EOR, le CO2 n’est pas entièrement stocké, car une partie va ressortir avec l’huile produite.
- Injection dans les veines de charbon pour récupérer le méthane.

3. Séquestration par les écosystèmes terrestres (pour mémoire, sans détail)

• Par les sols
• Par la végétation

Implique des actions sur les forêts et les procédés culturaux (fermes) et aussi des manipulations génétiques sur les végétaux (actions en cours au USA !)

4. Séquestration chimique ou biologique

Il s’agit de la conversion du CO2 en produits commerciaux ou en produits solides inertes et stables pouvant être stockés et pas forcement injectés. Si les idées existent, aucun procédé ou expérience tangible n’ont été développés ou réalisés à ce jour.

• Stockage dans un entrepôt ou bunker spécialisé du CO2 sous forme solide : coût prohibitif
• Chimique : ex : carbonates de métaux comme Mg ou Al, clathrate de CO2 (”molécules emprisonnées”) ou encore plastiques, méthanol de synthèse…
• Biologique : ex : augmentation de la capture de CO2 des systèmes photosynthétiques, procédés micro biologiques non photosynthétiques de conversion du CO2 en méthane ou acétate…

Catherine Ponsot-Jacquin

Voir l’animation flash sur le site du BRGM :
La capture et le stockage géologique du CO2
Les enjeux de la capture et du stockage du CO2 : de l’effet des gaz à effet de serre aux économies d’énergies. Pour mettre ses idées au clair sur la lutte contre le réchauffement climatique.

Voir le dossier en ligne sur le site industrie.gouv.fr :
Le captage et le tockage géologique du dioxyde de carbone (CO2).
DGEMP-DIREM, mars 2006.

Posté par L'équipe du blog