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1 Captage et stockage du CO 2 (CSC) Document connaissances de base, état: octobre Synthèse La technologie de captage et stockage du carbone (Carbon Capture and Storage, CCS en anglais) permet de réduire considérablement l'impact nocif sur le climat de la production d'énergie à partir de combustibles fossiles (charbon, gaz, pétrole). Divers procédés permettent aujourd'hui d'isoler le dioxyde de carbone avant ou après sa combustion, de le transporter et de le stocker à long terme dans des sites souterrains adéquats. Cette technologie est en priorité utilisée dans les centrales à énergie fossile, mais elle s opère également dans les processus industriels ou le secteur minier. Divers projets pilotes de captage et de stockage du CO 2 sont en cours de réalisation ou de planification dans le monde. En Allemagne, un certain nombre de projets pilotes CSC implantés dans de grandes centrales nationales ont été stoppés faute de législation sur le stockage final du dioxyde de carbone. En Suisse, des projets de recherche ont été lancés dans le but d'examiner les possibilités d'application de la technologie CSC à l'échelle du territoire. 2. Technologie La technique de captage et stockage du CO 2 englobe les trois domaines suivants: captage, transport et stockage géologique. Chacun fait l'objet d'une activité de recherche et développement distincte. 2.1 Captage Dans le domaine de la capture du CO 2, la recherche se concentre sur trois procédés: Post-combustion: captage après la combustion L'objectif du captage post-combustion (en anglais, post combustion capture) est d'extraire le CO 2 dilué dans les fumées de combustion. Ce procédé présente l'avantage de pouvoir s'intégrer aux centrales existantes sans nécessiter trop de modifications. L'extraction du CO 2 est le plus souvent réalisée à l'aide de solvants chimiques, principalement de la famille des acides aminés, mais d'autres méthodes sont aussi envisageables: absorption par cycle calcium, par cryogénie, au contact d'un absorbant solide ou encore à travers une membrane. 1 1 P. Broutin, How can we capture CO 2? IFP Energies nouvelles, Lyon, 2010 Hintere Bahnhofstrasse 10, Postfach, 5001 Aarau, Telefon , Fax ,

2 Illustration 1. Captage du CO 2 après la combustion. Source: IFP Oxy-combustion: combustion à l'oxygène pur L oxy-combustion (oxy-fuel combustion, en anglais) consiste à utiliser de l oxygène pur comme combustible à la place de l air. Les gaz d échappement sont alors constitués à plus de 90% de CO 2 et ne contiennent pas d'azote atmosphérique. Ne reste que la vapeur d'eau, qui peut facilement être éliminée par condensation. L'inconvénient de ce procédé est que la séparation préalable de l'oxygène pur par cryogénie est fortement énergivore, il faudrait y consacrer près de 15% de l'électricité produite dans la centrale. Illustration 2. Captage du CO 2 par combustion à l'oxygène pur. Source: IFP Pré-combustion: captage avant la combustion L'objectif du captage pré-combustion (en anglais, pre combustion capture) est de capter le CO 2 avant même sa combustion dans l'idée de le «décarboniser». Le combustible est ainsi converti à la source, par reformage à la vapeur (ou vapo-reformage) par exemple, en un gaz de synthèse composé essentiellement de monoxyde de carbone (CO) et d eau (H 2 O). La réaction du CO 2 avec l'eau donne de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Le CO 2 est capté et l'hydrogène porté à combustion avec de l'air, générant de la vapeur d'eau et de l'azote atmosphérique. Illustration 3. Captage du CO 2 avant la combustion. Source: IFP /8

3 2.2 Transport Pour transporter de grandes quantités de carbone, le système de conduites (pipelines) est la méthode la plus efficace 2. Au vu du grand savoir-faire industriel détenu en matière d'acheminement du gaz naturel et d'utilisation industrielle du CO 2, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) estime que le transport de dioxyde de carbone peut être considéré comme un processus mature susceptible d'être introduit sur le marché 3. D'autres sources en revanche préconisent de poursuivre les recherches 4. En effet, dans l'optique de son transport et de son stockage consécutif, le CO 2 est en général comprimé, donc placé à l'état supercritique (liquide/gazeux). Il n'a d'ailleurs jusqu'à ce jour été que rarement acheminé en grandes quantités et sur de longues distances sous cette forme. 2.3 Stockage Le stockage du CO 2 peut être envisagé dans plusieurs types de formations géologiques. Les sites retenus doivent notamment être situés à une profondeur de plus de 800 m et être surmontés de couches rocheuses étanches. Trois possibilités de confinement sont en cours d'étude. La première concerne les aquifères salins profonds, à savoir des roches imprégnées d'eau salée et situées à grande profondeur. Ces formations, que l'on retrouve un peu partout sur la planète onshore et offshore, se caractérisent par une très forte porosité qui augmente leur capacité d'absorption du CO 2. La piste des gisements d'hydrocarbures épuisés (pétrole et gaz naturel) est suivie de près, car la capacité de stockage de ces réservoirs n'est plus à démontrer et ils ont déjà fait l'objet de nombreuses recherches sur de très longues périodes. De plus, cette solution présente un avantage supplémentaire: l'injection de CO 2 dans des champs gaziers et pétrolifères permet d'accroître leur rendement en facilitant leur extraction, une technique connue sous le nom de récupération assistée de pétrole/gaz (Enhanced Oil/Gas Recovery, en anglais). Le CO 2 pourrait enfin être injecté dans des veines de charbon inexploitables, avec pour effet de libérer le méthane et d'être adsorbé de manière sûre et durable par le charbon. Par rapport aux deux autres formations géologiques envisagées, cette solution présente toutefois un potentiel de stockage minime à l'échelle mondiale. La fixation minérale du CO 2 n'en est encore qu'à ses débuts. Le principe est le suivant: le CO 2 réagit avec des oxydes de calcium ou de magnésium pour former des carbonates, qui peuvent être stockés en toute sécurité sous forme solide. Le problème réside toutefois dans la lenteur de la cinétique de la réaction, qui devrait être accélérée dans un réacteur sans dépense d'énergie excessive L. Wallquist, M. Werner, Carbon dioxide Capture and Storage CCS, Studie zum Entwicklungsstand von CCS in der Schweiz, Office fédéral de l'environnement (OFEV), Berne, 2008 B. Metz et al., Carbon Dioxide Capture and Storage, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), Genève, 2005 L. Wallquist, M. Werner, Carbon dioxide Capture and Storage CCS, Studie zum Entwicklungsstand von CCS in der Schweiz, Office fédéral de l'environnement (OFEV), Berne, 2008 L. Wallquist, M. Werner, Carbon dioxide Capture and Storage CCS, Studie zum Entwicklungsstand von CCS in der Schweiz, Office fédéral de l'environnement (OFEV), Berne, /8

4 3. Coûts et pertes d'efficacité Les coûts des procédés classiques de captage du dioxyde de carbone contenu dans les rejets des grandes installations industrielles, tels qu'ils sont d'ores et déjà mis en œuvre au Japon notamment, sont estimés à 50 à 60 euros par tonne de CO 2. Le projet pilote mené à la centrale danoise d'elsam devrait permettre de réduire ces coûts de moitié, pour les abaisser à 20 à 30 euros par tonne de CO 2. 6 Le coût en capital requis pour des centrales au charbon ou au gaz est doublé en cas de recours à la filière CSC. 7 Le groupe suédois Vattenfall, l'un des principaux fournisseurs européens d'électricité et de chaleur, s'attendait à enregistrer une perte d'efficacité de l'ordre de 8% avec l'oxy-combustion. On espérait compenser les baisses de rendement par une optimisation des technologies traditionnelles utilisées dans les centrales afin de parvenir, d'ici 2020, à un taux d'efficacité global de l'ordre de 46%. D'après les calculs, les coûts induits par tonne de CO 2 non rejetée auraient dû être rentables, autrement dit, ils auraient dû être inférieurs aux coûts prévus pour l'obtention d'un certificat de réduction des émissions dans le cadre du système d'échange de quotas d'émission de gaz à effet de serre de l'union européenne. 8, 9 Le groupe allemand RWE, l'un des cinq premiers fournisseurs européens d'électricité et de gaz, projetait de construire une centrale à charbon moderne avec installation CSC intégrée, dans laquelle le charbon serait d'abord gazéifié et le CO 2 capté avant la combustion. Pour cette centrale de type IGCC-CCS, RWE tablait sur un taux d'efficacité de 37% dans l'hypothèse d'une mise en service à l'horizon Cette initiative pilote a toutefois été gelée suite au rejet du projet de loi sur le stockage du dioxyde de carbone Aspects écologiques du stockage du CO 2 L'enfouissement géologique du CO 2 comporte certains risques. Une étude réalisée par l'office fédéral de l'énergie (OFEN) met notamment en lumière les points suivants 12 : La modification des conditions de pression induite par l'injection de CO 2 dans le sous-sol pourrait accroître les risques sismiques, comme cela a été observé à Bâle fin 2006-début 2007, suite aux injections-tests d'eau à des fins de géothermie profonde. En cas de fuites, le CO 2 s'échappant des couches géologiques pourrait former des acides qui dissolvent les métaux lourds, avec un risque de pollution des nappes phréatiques. Des fuites importantes de CO 2 dans les sites de stockage pourraient provoquer une altération de la biodiversité en surface et dans la couche de terre proche de la surface. Suite à l'augmentation de sa densité, le CO 2 pourrait s'accumuler dans des cuvettes en surface terrestre et, en cas de forte concentration, représenter un danger y compris pour l'homme. L'injection de CO 2 dans des aquifères salins pourrait, dans certaines conditions, libérer de l'eau salée remontant dans les couches géologiques supérieures et polluant les nappes phréatiques. 6 7 P. Broutin, How can we capture CO 2? IFP Energies nouvelles, Lyon, 2010 Pöyry Management Consulting, Offre et demande en capacité de production flexible en Suisse, Association des entreprises électriques suisses (AES), Aarau, 2012 CEPE EPF 8 9 Vattenfall 10 CEPE EPF 11 RWE 12 L. Diamond et al., Studie zur Abschätzung des Potenzials für CO2-Sequestrierung in der Schweiz - Schlussbericht, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, /8

5 Ces risques pour l'environnement peuvent être minimisés en sélectionnant soigneusement les sites de stockage et en procédant à des analyses approfondies sur l'impact potentiel d'une fuite. Il convient également de mettre en place des réglementations nationales et des normes visant à sécuriser l'exploitation des lieux de stockage. Enfin, les sites en question doivent faire l'objet d'une surveillance à long terme et pendant la phase d'injection et après le scellement. 5. Projets pilotes CSC et expériences mondiales Différents projets pilotes de CSC sont en cours de réalisation ou de planification dans le monde. La plupart des expériences dans ce domaine proviennent des activités de récupération assistée du pétrole/gaz menées par l'industrie pétrolière. Illustration 4. Grands projets CSC en cours de planification et de réalisation à l'échelle mondiale (>1 Mt CO 2 p.a.). Source: AIE 2009 Il s est avéré critique, surtout en Allemagne, de faire accepter la technologie CSC par la population et en politique et de créer le cadre juridique nécessaire. 5/8

6 Les difficultés et la rentabilité manquante ont contraint Vattenfall et RWE, ainsi qu E.ON à geler les projets pilotes en Allemagne du Nord et de l Est Technologie CSC en Suisse Les procédés présentés dans ce rapport conviennent surtout pour des sources ponctuelles d'émission de grosses quantités de CO 2. Dans le cas de la Suisse, la question se poserait pour des cimenteries existantes ou d'éventuelles futures centrales thermiques à combustible fossile. 14 Une centrale à gaz à cycle combiné susceptible de remplacer une petite centrale nucléaire comme celle de Mühleberg génèrerait près de 1 Mt de CO 2 par an. D'un point de vue strictement géologique, le potentiel de stockage final du CO 2 dans des aquifères salins moyennement ou parfaitement adaptés est estimé en Suisse à 2680 Mt de CO 2. Ce chiffre a été fourni par les chercheurs de l'epfz, de l'epfl, de la FHNW, du PSI et de l'université de Berne dans le cadre du projet de recherche «Carma» 15, qui vise à déterminer si la filière CSC constitue une solution viable pour la Suisse et dans quelle mesure. Les résultats de ces travaux peuvent servir de base pour identifier les régions dans lesquelles il serait pertinent d'approfondir les recherches en vue d'identifier des potentiels techniques effectifs de stockage du CO 2. Illustration 5. Répartition géographique des sites de stockage adaptés d'un point de vue géologique pour la technologie CSC Vattenfall Cf. réponse du du Conseil fédéral à l'interpellation n «Séquestration de CO 2 en Suisse» Werner, Merz, Sutter, & Mazzotti, 2011 M. Werner et al., Geologische Speicherung von CO 2 in der Schweiz, TEC21 37/2011, pp , /8

7 7. Développement futur En Europe, le manque de transposition par les Etats membres de la directive européenne CSC pour créer un cadre réglementaire contraignant constitue pour l'instant un obstacle à la construction d'installations CSC. Le stockage final du CO 2 dans des couches rocheuses à grande profondeur (plus de 800 m sous terre) est réputé sûr, mais n'a pas encore été testé à long terme. En outre, la solution du stockage géologique du dioxyde de carbone n'est pas très bien acceptée dans les régions européennes concernées. Les travaux de recherche effectués sur des installations pilotes CSC implantées sur des grandes centrales thermiques à combustible fossile ont été en grande partie stoppés en 2010, notamment en Allemagne pourtant pionnière dans ce domaine, faute d'adoption d'une législation sur le stockage final du CO 2, qui justifierait pour les partenaires industriels la poursuite des projets pilotes initiés Bilan Aucune étude de potentiel détaillée n'a encore été réalisée sur le stockage final du CO 2 en Suisse. Des études géologiques préliminaires révèlent que la zone située dans le triangle Fribourg Olten Lucerne serait la plus prometteuse pour de plus amples recherches. 19 Il pourrait toutefois y avoir conflit d'intérêts avec de futurs projets de géothermie. Un recours significatif à la filière CSC paraît de toute façon sujet à caution pour des questions d'acceptation de cette nouvelle technologie. 17 Spiegel 18 Energate 19 Forschungsprogramm Kraftwerk 2020 & Carbon Capture & Storage (CCS) Überblicksbericht 2010, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, /8

8 9. Sources AES 2012 AIE 2009 CEPE EPF Energate IFP 2010 IPCC 2005 OFEN 2010 OFEN 2010a OFEV 2008 RWE Pöyry Management Consulting, Offre et demande en capacité de production flexible en Suisse, Association des entreprises électriques suisses (AES), Aarau, 2012 Carbon Capture and Sequestration Technology Roadmap, Agence internationale de l'énergie (AIE), Paris, (Center for Energy Policy and Economics, EPF Zurich, série de conférences sur le CO 2 et la production d'énergie) «Österreich will CCS verbieten» ( ), «Pilotprojekt wegen CCS-Gesetz vor dem Aus» ( ), «RWE gibt CO 2 -Einlagerung in Deutschland auf» ( ) P. Broutin, How can we capture CO 2? Ifp Energies nouvelles, Lyon, 2010 (disponible sous B. Metz et al., Carbon Dioxide Capture and Storage, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), Genève, 2005 L. Diamond et al., Studie zur Abschätzung des Potenzials für CO 2 -Sequestrierung in der Schweiz Schlussbericht, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, 2010 Forschungsprogramm Kraftwerk 2020 & Carbon Capture & Storage (CCS) Überblicksbericht 2010, Office fédéral de l'énergie (OFEN), Berne, 2010 L. Wallquist, M. Werner, Carbon dioxide Capture and Storage CCS, Studie zum Entwicklungsstand von CCS in der Schweiz, Office fédéral de l'environnement (OFEV), Berne, (centrale IGCC-CCS) Spiegel «Bundesrat verhindert Gesetz zur CO 2 -Entsorgung» ( ) Vattenfall Vattenfall 2013 Werner M. Werner et al., Geologische Speicherung von CO 2 in der Schweiz, TEC21 37/2011, pp , /8

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