ENERGIES FOSSILES STOCKAGE DE CO 2 HYDROGÈNE François Guyot Université Paris Diderot (7) Institut de Physique du Globe de Paris

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1 ENERGIES FOSSILES STOCKAGE DE CO 2 HYDROGÈNE François Guyot Université Paris Diderot (7) Institut de Physique du Globe de Paris

2 1. La combustion des matières carbonées; énergie «naturelle» et «non naturelle» 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 3. Quelques réflexions sur l utilisation du pouvoir réducteur du sous-sol et l hydrogène.

3 1. La combustion des matières carbonées; énergie «naturelle» et «non naturelle» 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 3. Quelques réflexions sur l utilisation du pouvoir réducteur du sous-sol et l hydrogène.

4 LA RESPIRATION Notre première source d énergie CH 2 O + H 2 O ---> CO H e - 4 H e - + O 2 ---> 2 H 2 O CH 2 O + O 2 ---> CO 2 + H 2 O moles of C/an (à l échelle de la biosphère)

5 LA PHOTOSYNTHÈSE Conversion d énergie solaire en «énergie biomasse» CO H e - ---> CH 2 O + H 2 O 2 H 2 O ---> 4 H e - + O 2 CO 2 + H 2 O ---> CH 2 O + O moles of C/an (à l échelle de la biosphère)

6 Le cycle du carbone ATMOSPHERE mol Énergie solaire ---> mol C/an ---> Energie «du vivant» BIOMASSE mol

7 La révolution industrielle Machines : multiplier l énergie animale Alimenter les machines Besoin d énergie concentrée La nature le fait pour nous : énergies fossiles

8 Combustion des matières carbonées C x H y + (x+y/4) O 2 ---> xco 2 + (y/2)h 2 O libère de l énergie (et du CO 2 ) Biomasse x=1, y 2, +1O Biomasse fossile et déshydratée Charbon, pétrole, gaz y/x de 1 à 4

9 TRANSFORMATION DE BIOMASSE EN COMBUSTIBLES FOSSILES CH 2 O ---> CH 4, CH 2, CH gaz pétrole charbon moles de C/an dont 1/1000 à 1/10000 seront des ressources utilisables

10 Le cycle du carbone (avec les énergies fossiles) ATMOSPHERE mol Énergie solaire ---> mol C/an ---> Energie «du vivant» BIOMASSE mol Matière organique des roches mol de C 10 (Combustibles fossiles 13 mol C/an (10 10 mol Cressource/an) 100 MILLION D ANNÉES exploitables mol de C)

11 Le problème géologique de la consommation humaine des combustibles fossiles ATMOSPHERE mol mol C/an Matière organique des roches mol de C (Combustibles fossiles exploitables mol de C) BIOMASSE mol mol C/an mol C/an (10 10 mol Cressource/an)

12 1. La combustion des matières carbonées; énergie «naturelle» et «non naturelle» 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 3. Quelques réflexions sur l utilisation du pouvoir réducteur du sous-sol et l hydrogène.

13 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 2.a. Faut il réguler le CO 2? 2.b. CCS (Carbon Capture and Storage) 2.c. CO 2 évité et biomasse

14 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 2.a. Faut il réguler le CO 2? 2.b. CCS (Carbon Capture and Storage) 2.c. CO 2 évité et biomasse

15 Un changement important de chimie de l atmosphère.

16 qui résulte bien de la combustion des combustibles fossiles

17 Un événement majeur à l échelle géologique CO 2 CH 4

18 Jusqu où risquons nous d aller? ATMOSPHERE mol mol C/an (440 Gtons CO 2 /an) BIOMASSE mol mol C/an (26 Gtons CO 2 /an) Matière organique des roches mol de C eqgtons CO 2 /an)(combustibles fossiles exploitables mol de C) eqgtons CO 2 )

19 1 ppm 2.1 GtC 7.7 Gt CO 2. (injection mécanique) 30 Gt CO 2 /an 4 ppm CO 2 /an 800 ppm 2100 On a assez de combustible fossile pour y arriver

20 Nous brûlons les énergies fossiles tant qu elles sont là

21 Evolution prévisible

22 Arrhénius (1908) Une vision positiviste " By the influence of the increasing percentage of carbonic acid in the atmosphere, we may hope to enjoy ages with more equable and better climates, especially as regards the colder regions of the Earth, ages when the Earth will bring forth much more abundant crops than at present, for the benefit of rapidly propagating mankind" (Arrhenius, 1908) Inquiétude et principe de précaution

23 Exemple : le problème potentiel de l acidification l de l océanl

24 Dissolution du CO 2 dans l océan ATMOSPHERE mol Ocean mol C/an (9 Gtons CO 2 /an) mol C/an (440 Gtons CO 2 /an) BIOMASSE mol mol C/an (26 Gtons CO 2 /an) Matière organique des roches mol de C eqgtons CO 2 /an)(combustibles fossiles exploitables mol de C) eqgtons CO 2 )

25 Vers une dissolution des organismes calcaires? 50 µm Coccolithus Pelagicus

26 Interactions CO 2 /calcaires Ca HCO > CaCO 3 + H 2 O + CO 2

27 Stratégies pour stabiliser CO 2 (d après Pacala et Soccolow, 2004) Solaire Eolien, géothermie, Capture et stockage de CO 2 Biomasse Stabilization triangle GtCO 2 /yr Nucléaire Economies d énergie 54 GtCO 2 /yr Hydrogène? 1 triangle élémentaire : 4 Gtons of CO 2 par an

28 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 2.a. Faut il réguler le CO 2? 2.b. CCS (Carbon Capture and Storage) 2.c. CO 2 évité et biomasse

29 CCS (Carbon( capture and Storage) Transport Capture Stockage Le problème du stockage n est n pas (seulement( seulement) une question de réduction des coûts ûts. C est avant tout un problème de fiabilité et de compréhension fine du devenir du CO 2.

30 Exemple : Sleipner, Norvège

31 Sleipner tonnes de CO 2 /jour 20 millions tonnes de CO 2 injectées Sleipner T Sleipner A Injection de CO 2 - puits A16 Aquifère d'utsira CO 2 Sleipner Ouest Formation de Heimdal : gisement de gaz Sleipner Ouest Puits de production et d'injection Objectif : 200 Gtons of CO 2 /50 ans Sleipner

32 Un exmple d enjeu technologique : la conversion of CO 2 en carbonates CO 2 --> supercritical CO 2 CO 2 --> dissolution H 2 CO 3 CO 2 --> dissolution/neutralization HCO 3 - CO 2 --> solid carbonates MCO 3 CO 2 --> Reduction into «organic» carbon

33 C est le mécanisme naturel de stockage de CO moles of C/yr CaSiO 3 + CO 2 = CaCO 3 + SiO 2 Dissolution + précipitation CaSiO 3 + H 2 O + 2 CO 2 --> Ca HCO SiO 2 Ca HCO > CaCO 3 + H 2 O + CO 2

34 MSiO 3 + CO 2 = MCO 3 + SiO 2 Comment l accélérer d un facteur 10? MSiO 3 + H 2 O + 2 CO 2 --> M HCO SiO 2 M HCO > MCO 3 + H 2 O + CO 2

35 Injection dans des roches basiques ou ultrabasiques 2 km depth basalt layers on large area CaSiO 3 + CO 2 CaCO 3 + SiO 2

36 4,0 4,0 Exemple de verrou : carbonatation de l olivine 3,5 3,5 3,0 3,0 [Mg] (mol/l) 2,5 2,5 2,0 1,5 Dissolution data : Hänchen et al., 2006 Mg 2 SiO 4 + 2CO 2 --> 2 MgCO 3 + SiO 2 1,0 0,5 0, Time (days) Damien Daval et al. 2011

37 Très fine couche passivante de silice. Contrôle de la vitesse par diffusion à l état solide dans cette couche Ol SiO2 Pt 10 nm Damien Daval et al nm

38 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 2.a. Faut il réguler le CO 2? 2.b. CCS (Carbon Capture and Storage) 2.c. CO 2 évité et biomasse

39 Cycle actuel du carbone ATMOSPHERE mol Ocean mol C/an (9 Gtons CO 2 /an) 440 Gtons CO 2 /an mol C/an (4 Gtons CO 2 /an) BIOMASSE mol mol C/an (26 Gtons CO 2 /an) Matière organique des roches mol de C eqgtons CO 2 /an)(combustibles fossiles exploitables mol de C) eqgtons CO 2 )

40 Cycle futur du carbone? Economie biomasse ATMOSPHERE mol 480 Gtons CO 2 /an BIOMASSE mol Matière organique des roches mol de C

41 1. La combustion des matières carbonées; énergie «naturelle» et «non naturelle» 2. Le risque CO 2 et sa «remédiation» 3. Quelques réflexions sur l utilisation du pouvoir réducteur du sous-sol et l hydrogène.

42 H 2 H 2 + 1/2O 2 --> H 2 O Combustion de H 2 Piles à combustible Charge de batteries

43 Remarque : évolution des combustibles Charbon : CH + 5/4O 2 ---> CO 2 + 1/2H 2 O Pétrole : CH 2 + 3/2O 2 ---> CO 2 + H 2 O Gaz naturel : CH 4 + 2O 2 ---> CO 2 + 2H 2 O Hydrogène? : H 2 + 1/2O 2 ---> H 2 O

44 H 2 actuellement vecteur d énergie plutôt que source primaire. Production industrielle actuelle CH + 2H 2 O --> CO 2 + 5/2H 2

45 Mais H 2 peut dans certaines conditions être une source primaire d énergie Génération de H 2 dans le sous-sol Fe 2+ + H 2 O --> Fe 3+ + OH - + 1/2H 2

46 Sources naturelles de H 2 Sources ultrabasiques H 2 /N 2 ~ 5 11 ph 10 9 Sources chaudes: N Mélange météorique C. Vacquand et al., unpublished T C

47 Relations CO 2 - H 2 dans le sous-sol Archae Methanotrophes Bactéries sulfato-réductrices CH 4 + SO > CO H 2 S + H 2 O Ca 2+ SO 4 2- Archae Methanogènes CO H 2 --> CH H 2 O H 2 CO 2

48 Relations CO 2 - H 2 dans le sous-sol Archae Methanotrophes Bactéries ferri-réductrices CH 4 + 8FeOOH + 7CO 2 --> 8FeCO H 2 O FeOOH Archae Methanogènes CO H 2 --> CH H 2 O H 2 CO 2

49 Combustibles carbonés renouvelables? Une recherche à très long terme CH 2 O + O 2 --> CO 2 (CCS) + H 2 O CO 2, H 2 --> CH 2 O

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