Technologies de piégeage du CO2

décembre 1, 2021admin

Le piégeage et le stockage du carbone (CSC) est une combinaison de technologies visant à empêcher le rejet du CO2 généré par les processus classiques de production d’électricité et de production industrielle en injectant le CO2 dans des réservoirs de stockage souterrains appropriés. Fondamentalement, la technologie de captage sépare les émissions de CO2 du processus, après quoi le CO2 comprimé est transporté vers un lieu de stockage géologique approprié et injecté. Les méthodes possibles de transport du CO2 sont les pipelines et le transport maritime. Les sites de stockage géologique appropriés pour le CO2 comprennent les gisements de pétrole et de gaz abandonnés, les formations salines profondes et les filons de charbon non exploitables. La principale raison de procéder au piégeage et au stockage du carbone (CSC) est la réduction des émissions de CO2 provenant de l’industrie et de la production d’électricité ; sans incitations à réduire ces émissions, on ne peut guère compter sur le CSC. Le déploiement du CSC dans les secteurs de l’industrie et de la production d’électricité permettrait de poursuivre l’utilisation des combustibles fossiles tout en réduisant considérablement les émissions de CO2. Cependant, une chaîne complète de CSC n’a pas encore été mise en œuvre et de nombreuses incertitudes techniques, environnementales et économiques demeurent.

Introduction des technologies de captage du CO2

Il existe plusieurs technologies employées pour le captage, le transport et le stockage géologique du CO2. La majorité de la recherche et du développement a été orientée vers l’amélioration de l’efficacité des technologies utilisées pour séparer le CO2 des autres composés normalement émis par un processus industriel. Ces technologies sont généralement appelées « technologies de captage ». Les procédés de captage peuvent être regroupés en trois catégories, la pertinence de chaque approche dépendant du procédé industriel ou du type de centrale électrique en question.

Postcombustion : Le CO2 est retiré des gaz de combustion résultant de la combustion d’un combustible fossile. La séparation post-combustion implique l’utilisation d’un solvant pour capturer le CO2. Les applications typiques de cette technologie comprennent les centrales à charbon pulvérisé (PC) et les centrales à gaz naturel à cycle combiné (NGCC). Cette technologie est particulièrement adaptée aux applications de modernisation (Parliamentary Office of Science & Technology, 2009).
Précombustion : Le combustible primaire du procédé est mis en réaction avec de la vapeur et de l’air ou de l’oxygène, et est converti en un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, souvent appelé » gaz de synthèse « . Le monoxyde de carbone est ensuite converti en CO2 dans un « réacteur de conversion ». Le CO2 peut ensuite être séparé, et l’hydrogène est utilisé pour produire de l’électricité et/ou de la chaleur. Cette technologie est particulièrement adaptée pour être appliquée aux centrales électriques à gazéification intégrée et à cycle combiné (IGCC) (IPCC, 2005).
Oxy-combustion : Le combustible primaire est brûlé dans l’oxygène au lieu de l’air, ce qui produit un gaz de combustion contenant principalement de la vapeur d’eau et une forte concentration de CO2 (80%). Le gaz de combustion est ensuite refroidi pour condenser la vapeur d’eau, ce qui laisse un flux presque pur de CO2. Un équipement supplémentaire est nécessaire pour la production in situ d’oxygène à partir de l’air (Mckinsey & Company, 2008).

Procédés industriels : Les technologies de séparation peuvent également être utilisées dans diverses industries, telles que le traitement du gaz naturel et la production d’acier, de ciment et d’ammoniac (GIEC, 2005).

La capture et le stockage du carbone (CSC) pourraient capturer entre 85 et 95 % de tout le CO2 produit (GIEC, 2005), mais les réductions nettes des émissions sont de l’ordre de 72 à 90 % en raison de l’énergie qu’il faut dépenser pour séparer le CO2 et des émissions en amont (Viebahn et al, 2007).

Une fois que le CO2 a été effectivement » capturé » à partir d’un processus, il sera nécessaire de le transporter vers un lieu de stockage approprié. Le CO2 est transporté le plus efficacement lorsqu’il est comprimé à une pression supérieure à 7,4 MPa, et à une température supérieure à environ 31˚C. Dans ces conditions, le CO2 présente des propriétés supercritiques ; c’est un liquide avec des caractéristiques de gaz. Ainsi, le CO2 est normalement transporté à haute pression dans des pipelines en acier au carbone, semblables aux pipelines de gaz naturel normaux, ou dans des navires s’il doit traverser une grande étendue d’eau. Les pipelines de CO2 existent déjà à grande échelle, bien que principalement dans des zones peu habitées, notamment aux États-Unis pour la récupération assistée du pétrole (EOR). Les navires à CO2 n’ont pas été mis en œuvre, mais il est peu probable qu’ils posent des problèmes techniques.

Les lieux de stockage de CO2 adaptés comprennent les champs pétroliers et gaziers abandonnés ou les formations salines profondes, avec une profondeur minimale prévue de 800 m, où la température et les pressions ambiantes sont suffisamment élevées pour maintenir le CO2 dans un état liquide ou supercritique. La migration du CO2 hors du réservoir de stockage est empêchée par une combinaison de mécanismes de piégeage physiques et géophysiques (GIEC, 2005). Les technologies utilisées pour injecter le CO2 sont similaires à celles utilisées dans l’industrie pétrolière et gazière. Outre le matériel de forage et d’injection, les technologies de mesure et de surveillance sont essentielles pour observer la capacité restante du site de stockage et le comportement du CO2. Si certaines technologies d’injection sont connues, des améliorations spécifiques au stockage du CO2 sont encore en cours de développement. Une fois la phase d’injection terminée, le puits devra être scellé à l’aide d’un « bouchon » approprié (généralement en ciment), placé à une profondeur adéquate pour empêcher le CO2 de remonter dans le puits et éventuellement de s’échapper ou de contaminer les eaux souterraines.

Faisabilité de la technologie de captage du CO2 et nécessités opérationnelles

Faisabilité technique de la technologie de captage et de stockage du carbone

L’application des technologies ailleurs suggère que le CSC est techniquement réalisable dans la plupart des grandes sources ponctuelles stationnaires de CO2. Les technologies de séparation du CO2 sont déjà appliquées dans le traitement du gaz naturel (NGP), où l’élimination du CO2 du gaz naturel est nécessaire pour améliorer le pouvoir calorifique et/ou pour répondre aux spécifications des pipelines. Le stockage du CO2, combiné au traitement du gaz naturel, a été démontré avec succès dans le champ de gaz de Sleipner en Norvège et dans les champs de gaz d’In Salah en Algérie. Un certain nombre d’installations de CSC sont prévues dans le monde. Dans le secteur industriel, le projet Quest CCS en Alberta, au Canada, prévoit le captage de 1,2 MtCO2 par an à partir d’une usine de valorisation des sables bitumineux, et le transport vers une formation saline profonde pour le stockage. Le projet devrait être opérationnel en 2016. Dans le secteur de l’électricité, le projet Kemper County IGCC, dans le Mississippi, est une nouvelle centrale à gazéification intégrée à cycle combiné de 600 MW, qui prévoit de capter 3,5 millions de tonnes de CO2 par an et d’utiliser le CO2 pour la récupération assistée du pétrole. Ce projet est actuellement en cours de construction et devrait être achevé à la fin de 2014. Le Global CCS Institute recense 12 projets de CSC actuellement en exploitation, et 8 projets en cours de construction (Global CCS Institute, 2013).

Incertitude réglementaire et perception publique de la technologie de capture et de stockage du carbone

Toute nouvelle technologie présentant des risques potentiels est confrontée à une incertitude réglementaire dans sa phase initiale. Pour le CSC, ces obstacles sont en passe d’être résolus. Ces dernières années, des modifications ont été apportées aux dispositions législatives internationales, à savoir le protocole de Londres (Convention sur la prévention de la pollution des mers résultant de l’immersion de déchets et autres matières, 1972 et protocole de 1996) et la convention OSPAR (Convention pour la protection du milieu marin de l’Atlantique du Nord-Est), afin de permettre le stockage du CO2 en mer. Cependant, il reste un certain nombre de questions juridiques concernant la responsabilité du stockage, la responsabilité de la surveillance et le transport transfrontalier du CO2. L’absence de cadres réglementaires peut entraver l’avancement des projets de CSC, étant donné le niveau de risque associé auquel sont confrontés les promoteurs de projets. Dans l’UE, au Canada et en Australie, des cadres juridiques pour le CSC ont été adoptés ; aux États-Unis, des discussions à ce sujet sont en cours.

La position des ONG environnementales sur le CSC est mitigée ; si certaines soutiennent les technologies, d’autres s’y opposent. Un manque général de sensibilisation et de compréhension de la part du public profane a été observé par les spécialistes des sciences sociales. Dans plusieurs communautés où des projets de stockage de CO2 étaient prévus, les parties prenantes locales se sont montrées préoccupées par les risques du CSC et ont parfois protesté. La perception du CSC par le public est actuellement considérée comme un obstacle important si les projets de démonstration du CSC ne sont pas accompagnés d’une fourniture d’informations impartiales et de processus d’engagement communautaire.

Incidence environnementale et risques de la technologie de captage et de stockage du carbone

Le captage et le stockage du carbone (CSC) ont le potentiel de réduire considérablement les émissions de CO2 provenant de la production d’électricité et des installations industrielles. Le plus grand risque associé au CSC est la fuite possible des systèmes de pipelines et des sites de stockage, qu’elle soit temporaire ou permanente. Le CO2 n’est pas un gaz toxique, mais il peut entraîner une asphyxie si sa concentration dans l’air devient suffisamment élevée, par exemple si la fuite se produit dans un bâtiment fermé. Les risques de fuite de CO2 d’un pipeline ne sont pas différents de ceux du transport de gaz naturel par exemple, mais le CO2 n’est pas inflammable. De nombreux pays ont établi des cadres réglementaires et des normes pour le transport et le stockage permanent du CO2, qui visent à garantir que ces pratiques ne constituent pas une menace pour la sécurité des personnes et de l’environnement.

Les impacts environnementaux négatifs liés au CSC sont associés à une demande supplémentaire de combustibles fossiles, en raison de la pénalité énergétique pour faire fonctionner l’unité de capture, et aux impacts toxicologiques liés à l’utilisation de solvants pour piéger chimiquement le CO2 (Zapp et al., 2012). L’utilisation du CSC est un compromis entre le potentiel élevé de réduction du CO2, et les impacts environnementaux modérés de la réduction de l’efficacité énergétique et des impacts environnementaux associés au captage du CO2.

État de la technologie de captage et de stockage du carbone & et son futur potentiel commercial

Dans le monde, il existe actuellement quatre exemples de projets de CSC à grande échelle, tous dans le secteur industriel et non dans la production d’électricité. Outre Weyburn, qui utilise du CO2 provenant d’une installation de gazéification du charbon aux États-Unis, la compagnie pétrolière norvégienne Statoil injecte depuis 1996 environ un million de tonnes de CO2, séparé du gaz naturel, par an dans une formation saline profonde sous la mer du Nord, et depuis 2008 une technologie similaire est appliquée dans le projet Snohvit, également en Norvège. Un consortium composé de BP, Statoil et Sonatrach injecte du CO2 à In Salah, en Algérie, également avec du CO2 provenant de la production de gaz. Une technologie similaire au piégeage précombustion est utilisée dans la production d’engrais et d’hydrogène, où le CO2 piégé est utilisé dans d’autres processus industriels ou évacué. La technologie d’oxycombustion destinée à la production d’électricité est encore au stade de la démonstration, mais elle est actuellement testée en Allemagne par Vattenfall, une compagnie d’électricité européenne.

La capacité mondiale de stockage géologique du CO2 est importante, les potentiels récents à l’échelle des bassins étant estimés entre 8 000 Gt et 15 000 Gt (AIE, 2008b). Cependant, le niveau de connaissances concernant les potentiels de stockage varie à l’échelle mondiale, régionale et locale (GIEC, 2005). C’est en Europe, en Amérique du Nord, au Japon et en Australie que les estimations des capacités de stockage sont les plus avancées. On estime que les réservoirs de pétrole et de gaz épuisés ont une capacité de stockage mondiale comprise entre 675 et 900 GtCO2, et cette option de stockage semble convenir en raison de la connaissance actuelle de ces emplacements, ainsi que de la possibilité de réutiliser les infrastructures existantes issues des processus d’extraction du pétrole et du gaz (GIEC, 2005). On estime que les formations salines profondes ont une capacité de stockage d’au moins 1000 GtCO2 et qu’elles sont réparties dans de nombreux bassins sédimentaires du monde. Il a été souligné que davantage d’informations concernant les capacités de stockage sont nécessaires dans les régions qui connaissent une croissance accélérée de la consommation d’énergie, notamment la Chine, l’Inde, l’Asie du Sud-Est, l’Europe de l’Est et l’Afrique australe (GIEC, 2005).

Comment la technologie de captage et de stockage du carbone pourrait contribuer au développement socio-économique et à la protection de l’environnement

Le niveau auquel le CSC soutient le développement durable est un sujet largement débattu. Les discussions autour de l’autorisation du CSC dans le cadre du mécanisme de développement propre du protocole de Kyoto illustrent les différentes opinions entre les parties prenantes. Certains affirment qu’aucune technologie impliquant la combustion de combustibles fossiles ne peut être associée au développement durable, en raison de la nature finie de ces ressources. D’autres pointent du doigt les effets de l’utilisation des combustibles fossiles, au-delà des seules émissions de CO2, notamment les impacts environnementaux de l’extraction du charbon (Coninck, 2008).

Climat

Comme indiqué plus haut, le CSC pourrait capter entre 85 et 95 % du CO2 produit dans une usine (GIEC, 2005), mais les réductions nettes d’émissions sont de l’ordre de 72 à 90 % en raison de l’énergie que coûte la séparation du CO2 et des émissions en amont (Viebahn et al, 2007)

Exigences financières et coûts de la technologie de captage et de stockage du carbone

À l’heure actuelle, la plupart des applications du CSC, et de loin, ne sont pas économiquement réalisables. L’équipement supplémentaire utilisé pour capter et comprimer le CO2 nécessite également des quantités importantes d’énergie, ce qui augmente les besoins en combustible d’une centrale électrique au charbon de 25 à 40 % et fait également grimper les coûts (GIEC, 2005). Les projets de démonstration du CSC dans le secteur de l’électricité devraient coûter entre 90 et 130 dollars par tonne de CO2 évitée, ce coût pouvant tomber à 50-75 dollars par tonne de CO2 pour les activités commerciales à grande échelle qui auront lieu après 2020 (Mckinsey & Company, 2008). Ces coûts tiennent compte de la pénalité énergétique du piégeage du CO2, mais pas des émissions en amont, de sorte qu’ils supposent une réduction des émissions de 80 à 90 % par rapport à une usine classique.

Récemment, on s’est attaché à évaluer le potentiel et les coûts du CSC dans le secteur industriel (ONUDI/AIE, 2011 ; ZEP, 2013). De nombreux procédés industriels, par exemple la production d’acier primaire, la production de ciment et le raffinage du pétrole, fonctionnent aux limites de l’efficacité énergétique, et le piégeage du CO2 est la seule technologie capable de réduire davantage les émissions. Les coûts d’application du CSC au sein de l’industrie varient fortement d’une application à l’autre, mais certains coûts sont beaucoup plus bas que ceux constatés dans le secteur de l’électricité (voir la figure 4).

Il faut noter que, même si les applications du CSC vont augmenter les coûts de la production d’énergie et de la production industrielle, l’AIE (2008a) a calculé qu’une exclusion du CSC du portefeuille mondial d’atténuation augmentera de 70 % le coût de la stabilisation du climat. Sur la base de ces informations, l’inclusion du CSC dans le portefeuille d’atténuation peut se justifier du point de vue de l’efficacité économique à long terme.

État du marché du mécanisme de développement propre

Lors de la conférence sur le climat de 2010 à Cancun, au Mexique, la Conférence des parties au protocole de Kyoto (CMP) a décidé d’inclure les projets de CSC dans le cadre du mécanisme de développement propre (MDP).

Bellona, 2009. Technologie.
Coninck, H.C.De, 2008. Cheval de Troie ou corne d’abondance ? Réflexions sur l’autorisation du CSC dans le cadre du MDP. Energy Policy 36, pp. 929-936.
Commission européenne, 2009. Communication de la Commission au Parlement européen et au Conseil. Démonstration du captage et du stockage géologique du carbone (CSC) dans les pays en développement émergents : financement du projet UE-Chine de centrale au charbon à émissions quasi nulles. Bruxelles, Belgique.
AIE, 2008a. Perspectives des technologies de l’énergie 2008 : Scénarios et stratégies à l’horizon 2050. AIE/OCDE, Paris, France.
AIE, 2008b. Captage et stockage du CO2 : A Key Abatement Option, AIE/OCDE, Paris, France.
AIE, 2009. Feuille de route technologique – piégeage et stockage du carbone. Agence internationale de l’énergie, Paris, France.
AIE/ONUDI, 2011. . Agence internationale de l’énergie, Paris, France.
IPCC, 2005. Rapport spécial sur le captage et le stockage du dioxyde de carbone. Metz, B. et Davidson, O. et Coninck, H.C.De et Loos, M. et Meyer, L.A. (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, Royaume-Uni et New York, États-Unis, p. 442.
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Zapp, P., Schreiber, A., Marx, J., Haines, M., Hake, J., Gale, J., 2012. Impacts environnementaux globaux des technologies de CSC – Une approche du cycle de vie. International Journal of Greenhouse Gas Control 8 (2012) 12-21
ZEP, 2013. « Le captage et le stockage du CO2 (CSC) dans les industries à forte intensité énergétique – Une voie indispensable vers une économie à faible émission de carbone dans l’UE », Plateforme technologique européenne pour les centrales électriques à combustibles fossiles à zéro émission, Bruxelles.