Le stockage souterrain de CO2

Pourquoi stocker le CO2 ?

Le dioxyde de carbone (CO2) issu de la combustion de produits fossiles (pétrole, gaz, charbon) est l’un des contributeurs les plus importants du réchauffement climatique.

 

Une solution pour minimiser l’impact du CO2 sur le climat consiste à l’isoler de l’atmosphère en le réinjectant dans les formations géologiques profondes. La communauté internationale utilise l’acronyme CCS (Carbon Capture & Storage) pour désigner cette chaîne. Le G.I.E.C. (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) présente les techniques de piégeage, d’utilisation et de stockage du CO2 (CCUS) comme une nécessité pour contenir l’élévation de température en dessous de 1,5 à 2°C.

Le stockage de CO2 s’effectue en 3 étapes : le captage du CO2 à son point d’émission (source industrielle), son transport vers son lieu de stockage, son stockage géologique dans les formations adaptées.

Captage du CO2

Les technologies de captage visent à la séparation du CO2, et peuvent être classées en trois catégories en fonction du type de modifications qu’elles induisent sur les procédés émetteurs :

Sans modification du procédé

Dans ces procédés émetteurs, la production est associée à du CO2 (gaz naturel, production d’hydrogène, production de bioéthanol). Ainsi, récupérer le CO2 pour son stockage géologique ou tout autre usage industriel ne requiert aucune modification du procédé émetteur. Il s’agit par exemple des installations de reformage du méthane dans les raffineries.

Modifications en aval du procédé émetteur de CO2

Cette voie s’appelle captage post-combustion. Le CO2 est séparé du flux gazeux (souvent des fumées) produit soit par la combustion de combustibles à l’air, soit par le procédé lui-même (par exemple la décarbonatation dans la production de ciment ou la réduction des oxydes de fer dans la sidérurgie). Le procédé de séparation en aval du procédé émetteur limite les modifications sur ce dernier.

Modifications en amont du procédé émetteur de CO2 par modification des combustibles ou des comburants avant combustion

Dans le captage précombustion, on transforme le combustible carboné initial en gaz de synthèse décarboné. Cette opération de décarbonation du gaz de synthèse génère du CO2, que l’on capte avant son utilisation, d’où la terminologie « précombustion ». Le gaz de synthèse est ensuite utilisé dans le procédé industriel que l’on cherche à décarboner. L’hydrogène est le gaz le plus souvent envisagé pour jouer ce rôle de combustible décarboné.

Dans le captage en oxy-combustion, l’air atmosphérique est remplacé par de l’oxygène pur ce qui évite la dilution du CO2 formé lors de la combustion par l’azote présent dans l’air atmosphérique et en facilite la séparation.

Transport du CO2

Les problématiques du transport

Une fois séparé et capté, le CO2 doit être conditionné (purifié, comprimé) et transporté vers son lieu de stockage géologique. Malgré son apparente simplicité, le transport peut se révéler complexe. Il dépend en effet de contraintes géographiques et environnementales, géopolitiques et économiques qui peuvent varier grandement d’une situation à une autre. Le transport doit être flexible afin de prendre en compte les variations de débits liées à la ou aux sources de CO2. Le transport doit aussi pouvoir s’adapter aux différentes options de stockage géologique (aquifère salin profond, gisement d’hydrocarbure déplété). Il doit enfin prendre en compte les options d’utilisations industrielles (incluant la récupération assistée des hydrocarbures) et satisfaire toutes combinaisons entre les différents types de stockages ou d’utilisation.

Les solutions existantes

De nombreux systèmes sont envisageables pour le transport du CO2 – canalisations, bateau, camion, train – mais seules les deux premières solutions sont envisagées pour le transport de grands volumes de CO2. Compte tenu des caractéristiques physiques de la molécule de CO2, plusieurs solutions sont possibles pour augmenter la masse transportée dans un volume donné. Il s’agit de trouver les conditions permettant d’augmenter la densité du CO2.

En raison des grands volumes qui seraient nécessaires à son transport sous forme gazeuse, le CO2 sera comprimé à température ambiante ou liquéfié à basse température afin d’accroître sa densité. Pour le transport en canalisation, le CO2 est comprimé jusqu’à une forme dite super-dense avant d’être injecté dans le système de canalisations.
Le CO2 sous forme liquide réfrigéré est généralement la solution retenue pour le transport par bateau. Il pourrait également être transporté via des canalisations, pour cela une isolation thermique de ces canalisations est nécessaire, ce qui induit un surcoût important qui n’est pas nécessairement compensé par les économies réalisées sur la compression dans le cas d’un transport en phase super-dense.

  • CO2 storage

Stockage du CO2

Le contexte géologique

Le stockage géologique du CO2 est techniquement réalisable dans une grande variété de milieux géologiques souterrains tels les gisements d’hydrocarbures liquides ou gazeux déplétés, ou les formations aquifères profondes ‒ tous ces milieux étant des milieux poreux tels qu’on les trouve dans les bassins sédimentaires. D’autres milieux sont envisagés comme les veines de charbon non utilisées ou non utilisables pour l’extraction du charbon, ou les formations basaltiques qui font l’objet de travaux de recherche pour en comprendre les mécanismes et le potentiel de stockage.

L’expertise de Geostock se situe principalement dans les milieux poreux tels que les réservoirs d’hydrocarbures et les aquifères salins profonds.

Le stockage de CO2 en milieu poreux

La stratégie optimale d’injection pour un projet de stockage de CO2 donné dépend principalement de considérations géologiques locales (le réservoir de stockage et sa couverture) et régionales (le complexe de stockage dans son ensemble).

La capacité à réaliser un stockage géologique sûr en milieu poreux a été démontrée par différents projets aux USA, en Norvège, en Algérie et au Canada, pays qui mettent en œuvre des projets CCS qui injectent de l’ordre du million de tonnes de CO2 par an dans différentes structures et à différentes profondeurs.

En Europe, de nombreux projets sont en cours afin des stocker le CO2 dans les formations géologiques sous la Mer du Nord, aux Pays-Bas, en Norvège et au Royaume-Uni.

Une analogie certaine existe avec le stockage souterrain de gaz naturel. Chaque stratégie d’injection sera très dépendante du cas particulier étudié et devra mettre en œuvre des études détaillées préalables pour l’adapter aux conditions géologiques particulière du site.
Les formations géologiques poreuses peuvent fournir une grande capacité de stockage sous réserve de la vérification de certaines conditions :

  • La roche réservoir a été convenablement caractérisée (épaisseur, porosité, perméabilité, nature géologique) ;
  • La roche couverture située au-dessus du réservoir est continue et fiable afin d’assurer le confinement vertical du CO2 stocké ;
  • Le réservoir de stockage a une capacité minimale et une injectivité suffisante au regard des volumes totaux et des débits de CO2 requis ;
  • Des objets ou conditions spécifiques au site considéré tels que failles, fractures, puits existants, contraintes mécaniques, stratigraphie verticale et horizontale et hydrodynamisme, n’ont pas d’effet indésirable sur le confinement du CO2 .

Si l’aquifère sélectionné est de type monoclinal, la stratégie d’injection devra prendre en compte la gestion de la surpression et des volumes d’eau déplacés. Ceci se prédit et se dimensionne à l’aide d’une caractérisation détaillée du site et d’une modélisation 3D à grande échelle spatiale, toutes choses également nécessaires à une bonne gestion de la sécurité du stockage.

Lorsque le stockage en gisement d’hydrocarbures déplété est envisagé, la stratégie d’injection peut se concevoir à partir des pratiques établies par l’industrie pétrolière qui utilise l’injection de CO2 depuis de nombreuses décennies pour améliorer la productivité des gisements. La prise en compte de mécanismes de récupération assistée des hydrocarbures au cours du stockage du CO2 peut constituer une amélioration sur le plan économique.

Le déploiement d’un projet de stockage de CO2 est un projet de grande ampleur industrielle dont les investissements s’élèvent au-dessus de 500 M€, voire beaucoup plus quand le projet est offshore. La définition de tels projets industriels nécessite différentes phases :

  1. Études et conception afin de définir le contour du projet et d’obtenir les autorisations nécessaires à sa mise en œuvre ;
  2. Construction et développement du projet ;
  3. Mise en service, exploitation et fermeture du stockage.

Prestations proposées par Geostock

CAPTAGE DU CO2

Conception et dimensionnement conceptuel

Geostock propose à ses clients des recommandations en matière de captage et de séparation du CO2 par l’étude du procédé ou des procédés émetteurs et l’analyse des technologies applicables. Les paramètres dimensionnant importants à prendre en compte concernent les caractéristiques de la source de CO2 et leur variation au cours de la durée de vie de l’installation, et les cas échéant, les différentes possibilités de mutualisation de tout ou partie du captage entre sources implantées sur le même site industriel.

TRANSPORT DU CO2

Conception, développement et opérations

  • Pour le stockage “onshore” (à terre), la solution la plus économique et efficace consiste à transporter le CO2 en phase dense (au-delà de la pression critique). Pour des petits volumes (sites pilotes par exemple) d’autres options peuvent être envisagées (camion, train, transport par canalisation en phase gazeuse). Les études conceptuelles fournissent des estimations préliminaires, le tracé et les principaux paramètres opératoires d’une canalisation ou d’un système de canalisations de transport du CO2 entre le site de captage et le stockage géologique, et ce en fonction de la distance source-stockage, des débits de CO2, de la pression et du débit d’injection dans le stockage, de la possibilité de réutilisation de conduites existantes (utilisées par exemple pour le gaz naturel), et des contraintes environnementales sur le parcours de la canalisation. Geostock peut fournir la conception de base des équipements requis pour le transport, hors canalisation : compresseurs, pomptes, instrumentation. Les besoins énergétiques sont évalués.
  • Pour le stockage “offshore” (c’est-à-dire dans les couches géologiques sous le fond de la mer), le transport peut s’effectuer par canalisation ou par bateau. Pour le cas du bateau, Geostock peut recommander un scénario optimal de mise en œuvre, basé sur de nombreux facteurs comme les débits de CO2 captés, les conditions d’injection dans le stockage géologique et le tonnage des bateaux. L’analyse peut également être complétée par les besoins en stockages intermédiaires tout au long de la chaîne de transport, souvent rendus nécessaires par le caractère discontinu du transport par bateau.
  • Geostock peut enfin émettre des recommandations relatives à la maintenance et à l’exploitation des canalisations (inspections par diverses techniques, travaux d’entretien ou de remplacement, mise en place et gestion des systèmes de protection contre la corrosion, gestion des stations de pompage, etc.).
STOCKAGE DU CO2

Phase de conception

  • Analyse des options et présélection de sites favorables
    Dans le cas du stockage en aquifère salin profond, Geostock développe une analyse à l’échelle régionale des formations géologiques réservoir et de leurs couvertures, sur la base de données publiques et de ses données propres. La synthèse géologique ainsi réalisée fournit une évaluation de la capacité théorique de stockage de CO2 et se complète d’une identification aussi précise que possible des contraintes environnementales et opérationnelles susceptibles de limiter les capacités de stockage en pratique.
    En ce qui concerne le stockage en gisements d’hydrocarbures déplétés (à terre ou offshore), les réservoirs potentiels sont également évalués afin d’en estimer la capacité théorique de stockage, là encore sur la base des données publiées ou des données propres à Geostock. Pour ce faire, sont prises en compte la date prévue de fin de production, la température et la pression du gisement à la date de l’injection de CO2, ainsi que toutes données sur la géologie du réservoir (forme, porosité, perméabilité, fluides, salinité, etc., et les éléments structuraux tels que failles et fractures) et son historique de production.
  • Analyse et Optimisation du couplage source-stockage
    Ce type d’étude se base sur l’utilisation d’un Système d’Information Géographique (SIG) permettant de superposer un grand nombre d’informations géoréférencées afin de mettre en correspondance les sources de CO2 avec les ressources de stockage identifiées via un réseau de transport optimisé. L’analyse peut se développer à partir des systèmes les plus simples (une source et un stockage) jusqu’à un schéma intégré à une échelle régionale ou d’un bassin industriel dans le but d’optimiser les ressources et les coûts.
  • Analyse préliminaire des risques
    Ce type de service concerne l’identification des événements clés induisant des risques (par exemple la fuite de CO2 hors de son réservoir de stockage) et à définir le principe des actions de contrôle (monitoring) et de vérification qui sont spécifiques à un site donné.
    Pour un stockage en aquifère salin profond pour lequel le CO2 (sous forme supercritique ou dissoute dans l’eau) et la surpression associée à l’injection se diffusent dans le réservoir, les événements et facteurs de risques associés sont identifiés et étudiés grâce à une base de données géoréférencée de type SIG. La création d’un registre des risques spécifique au projet considéré permet une évaluation qualitative des risques. Pour chaque risque identifié, une ou plusieurs actions de contrôle et de prévention/correction sont proposées (en fonction de l’impact, de la probabilité d’occurrence et des conséquences) et ce pour chaque phase du projet, injection, fermeture, post-fermeture.
    Dans le cas des gisements d’hydrocarbures déplétés, en plus du contexte géologique, l’analyse se préoccupe particulièrement de la pression atteinte dans le réservoir en fin d’injection et de l’état des puits existants (en opération ou abandonnés). De manière similaire au stockage en aquifère salin profond un registre des risques est constitué ainsi qu’un plan de contrôle et d’actions de prévention/correction.
  • Analyse des facteurs environnementaux
    Le CCS a pour but la réduction globale des émissions de gaz à effet de serre rejetées dans l’atmosphère, et donc d’améliorer la qualité environnementale. Néanmoins, le déploiement de la chaine nécessite une quantité supplémentaire d’énergie et d’eau (en particulier pour le captage du CO2). Le bénéfice énergétique et environnemental net s’en trouve donc diminué de quantités qui doivent être calculées (bilan énergétique, bilan carbone) et qui peuvent être très variables d’un projet à un autre en fonction de sa localisation et des technologies mises en œuvre. Geostock préconise l’optimisation de la mise en œuvre de la chaîne CCS via la mutualisation quand elle est possible, afin de minimiser les empreintes carbone et énergétique de la chaîne, ainsi que les besoins en autres ressources telles que l’eau. Pour ce qui concerne les projets couplant le CCS à la récupération assistée d’hydrocarbures, les bilans d’énergie fossiles (directement responsable d’émissions de CO2) sont particulièrement importants à considérer.
  • Simulations
    Prédiction du comportement et du confinement du CO2 sur le long terme dans le réservoir, basée sur la réalisation de simulations du transport réactif.
  • Dimensionnement des installations de surface
    Dimensionnement initial et ingénierie de détail des puits d’injection, des systèmes de contrôle (géométrie, architecture et complétion) et des équipements de surface.
  • Planning préliminaire de développement de projet
    Geostock propose la réalisation d’un planning global de développement d’un projet dans le but de définir les phases d’actions, notamment celles de portant sur les commandes et achats des matériels, le chemin critique, et les interactions entre les tâches et l’allocation globale des coûts (un planning de niveau 2 est généralement suffisant pour une analyse initiale).
  • Évaluation économique (coûts et finances)
  • Prestations diverses
    En tant qu’expert du développement de projets de stockage géologique, Geostock propose également des services de supervision en forage, acquisition sismique, acquisition de diagraphies de puits, et construction, livraison et mise en route des installations d’injection
  • Ingénierie administrative
    L’ingénierie administrative est proposée par Geostock tout au long de la durée de vie du projet.

 

Phase de construction et développement de projet

  • Exploration, programme de caractérisation avant injection, analyse des risques.
  • Programme de monitoring et de contrôle (ligne de base et opérations d’injection).
  • Stratégie de gestion de la sécurité (environnement global du projet), incluant la mise en œuvre d’actions préventives et correctives.
  • Définition des principes opératoires (injection du CO2 et inspection).
  • Planning de développement optimisé.

Phase de mise en service, exploitation, et fermeture

  • Planning des opérations
  • Monitoring du site (surface, sol, réservoir, puits), surveillance et maintenance des puits
  • Monitoring de l’injection
  • Design des travaux de fermeture et de démantèlement
  • Design du monitoring long-terme (post-fermeture)
  • Dossiers pour les autorisations administratives
  • Analyse de performance des travaux de fermeture
  • Monitoring post-fermeture

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Geostock propose un large éventail de prestations de services qui couvrent l'ensemble du cycle de vie d'un stockage souterrain d'énergie.

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