CSC : Capture et Stockage du CO2. De quoi s'agit-il ?

dimanche 13 décembre 2009 Écrit par  Yves Heuillard

La capture et le stockage de CO2 (CSC) vise à enfouir le CO2 dans le sous-sol. Destinée principalement aux centrales électriques au charbon, encore expérimentale, cette technologie donne lieu au concept de charbon propre auquel s'opposent nombre d'associations pour l'environnement. [Illustration Bellona]

Les technologies de CSC consistent à séparer puis à capter le CO2 lors d'un processus industriel, avant, pendant, ou après la combustion de l'énergie fossile, puis à compresser ce CO2 et à l'enfouir sous terre. Les lieux de stockage sont des puits de pétrole ou de gaz vides, ou d'autres réservoirs géologiques naturels supposés étanches (les aquifères salins profonds, les veines de charbon non-exploitables), vers lesquels le CO2 séquestré et concentré est acheminé via des gazoducs.

Stockage souterrain du CO2

La capacité de stockage théorique de ces réservoirs serait, selon le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières), de l'ordre de 10 000 milliards de tonnes (les émissions actuelles sont de l'ordre de 30 milliards de tonnes par an). De son côté, le GIEC (Groupement d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) estime cette capacité à au moins 2000 milliards de tonnes, dont 677 à 900 milliards de tonnes dans d'anciens gisements de pétrole ou de gaz. Le stockage à grande profondeur dans les océans (plus de 3000 mètres) est parfois envisagé. 

Où en est la technologie ? 

Les technologies de CSC

Précombustion - De l'oxygène pur réagit avec du charbon pulvérisé pour produire un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène nommé syngas (gaz de synthèse). L'introduction de vapeur produit du CO2 et de l'hydrogène. On brûle l'hydrogène et on récupère le CO2. Ne marche que sur des installations conçues initialement pour ça.

Postcombustion - En sortie de combustion les gaz passent sur un matériau qui piège les molécules de gaz carbonique. Le matériau est ensuite "lavé" du gaz carbonique, généralement par chauffage, puis réutilisé dans le cycle de capture.

Oxycombustion- Appelée aussi Oxyfuel. Il s'agit de brûler le combustible dans de l'oxygène pur plutôt que dans l'air. Les gaz de sortie sont constitués principalement de CO2 et de vapeur d'eau, ce qui rend aisée la capture du CO2.

Selon les industriels qui les développent ces technologies capturent au moins 90% du CO2.

L'injection de CO2 est une technologie éprouvée, ironie du sort, pour exploiter des puits de pétrole existants dont la pression n'est plus suffisante : le CO2 injecté sous pression fait remonter le pétrole vers la surface, comme par exemple dans les champs pétrolifères de Weyburn et de Midale dans la province du Saskatchewan au Canada.

Le transport du CO2, bien que coûteux, existe aussi : aux états-Unis plus de 5800 kilomètres de gazoducs acheminent du CO2 vers des puits de pétrole pour en faciliter l'extraction.

Capture CO2 à Weyburn au Canda
Le CO2 injecté dans les puits de pétrole de Weyburn
va permettre d'étendre la durée de vie du gisement
de pétrole d'un bonne vingtaine d'année et d'augmenter
la quantité totale de pétrole extraite de 34%.

Des installations industrielles de stockage souterrain du CO2 existent déjà (Sleipner, Snohvit en Norvège, In Salah en Algérie), mais elles sont jusqu’à présent limitées à l’injection du CO2 issu du traitement de gaz naturels trop riches en CO2 pour être commercialisés tels quels.

Plate-forme en mer Sleipner de Statoil HydroCi-contre : plate-forme d'exploitation de gaz
Sleipner de la compagnie norvégienne StatoilHydro.
Photo : Kjetil Alsvik / Statoil.

La plate-forme norvégienne Sleipner de la compagnie StatoilHydro fonctionne depuis 1996 et a déjà enfoui dans un aquifère salin profond 12 millions de tonnes de CO2. Mais les installations de Sleipner ou Snohvit n'existeraient pas sans la taxe carbone norvégienne de 50$ la tonne. L'exploitation du gaz à In Salah a donné lieu au stockage de 1 million de tonnes de CO2 par an depuis 2004. Le projet est financé dans le cadre du sixième Programme-cadre de recherche et développement européen (PCRD).

La séparation et la capture du CO2 lors de la génération d'électricité n'en est qu'à ses premières expérimentations, mais les annonces de projets de démonstration de captage et stockage de CO2 issu de différents secteurs industriels se multiplient. Toutefois, pour l'instant, il n'y pas d'exemple de captage total sur une centrale à charbon moyenne, c'est à dire une centrale de 500MW électrique qui produit plus 10 000 tonnes de CO2 par jour.

Pilote de CSC de Vatenfall à Schwarze-pumpe en AllemagneEn France, Total met en oeuvre un pilote intégré de 30 MW thermiques en oxycombustion (75 000 tonnes/an pendant 2 ans) avec stockage dans un ancien gisement de gaz. En Allemagne, un pilote d’oxycombustion de 30 MW thermiques, piloté par Vattenfall, est opérationnel et le CO2 capturé à 95% (photo ci-contre). Cette opération devrait donner suite à un démonstrateur de plus grande envergure, 300 MW électrique, d’ici 2015.

Pour la même période, un démonstrateur de captage en postcombustion de 300 MW électrique est prévu en Angleterre et un autre au Danemark. Alstom travaille à la réalisation d'une dizaine de démonstrateurs, par exemple en Suède (avec E.ON, 5MW), en Norvège (avec Statoil, 30MW), en Pologne (centrale au charbon de Belchatow, 250MW), ou aux Etats-Unis. En France, Véolia a annoncé la réalisation d'un démonstrateur de captage et de stockage d'une capacité de 200 000 tonnes/an de CO2 issues de la combustion de biogaz.

Ces expérimentations sont financées par un fonds européen de 1 milliard d'euros. Aux Etats-Unis 3,4 milliards de dollars d'aides sont alloués à la CSC dans le plan de relance de l'économie auxquels s'ajoutent 1 milliard de dollars pour le project FutureGen, une centrale à charbon totalement équipée de la CSC (source Financial Times). Trois milliards de dollars avaient déjà eté alloués par le Département américain de l'énergie (DOE) depuis 2001. 

Quand ?

Pour l'Ademe, en 2020, l’ensemble des éléments de la chaîne captage, transport et stockage du CO2 sera mature pour une exploitation industrielle, des infrastructures de transport seront opérationnelles et le savoir-faire sur le stockage maîtrisé.

Patrick Fragman, Vice-President Alstom Environmental Control Systems & CO2 capture Systems, interrogé par DDmagazine précise : "nous sommes bien avancés dans le développement de systèmes capables de capturer de une à deux millions de tonnes de CO2 par an ( pour info 200 MW électrique = env. 1 million de tonnes de CO2/an) ; ce qui veut dire que nous somme prêts à capturer le CO2 en provenance d'une centrale de dimension industrielle. La question ensuite est d'améliorer les performances et le coût. En 2015 nous serons prêts pour débuter la commercialisation de nos équipements".

Combien ça coûte ? 

Les estimations actuelles prédisent que la CSC nécessitera de 10 à 40% d'énergie en plus par kWh (sources GIEC et MIT), cette énergie étant mise à contribution pour isoler le carbone. Ceci génère un surcoût du même ordre de grandeur. Ce qui d'après le cabinet de conseil McKinsey & Company, rapporté à la tonne de CO2 enfouie, revient à plus de 100 euros dans une phase d'expérimenation et potentiellement à 50 euros une fois la techonologie industrialisée à grande échelle.

Selon Patrick Fragman d'Alstom, "la surconsommation d'énergie mesurée sur les projets pilotes est plutôt de l'ordre de 20 à 25 % avec un objectif d'amélioration significative dans les installations commerciales ; quant au coût il se situe actuellement entre 50 et 90 euros par tonnes, mais nous visons à diviser ce coût par deux pour les déploiements commerciaux".

La terrible mathématique du CO2

train de charbon

Ci-dessus un train de 10 000 tonnes de charbon. Une grosse centrale éléctrique au charbon le brûlera en une seule journée. A supposer que le charbon contiennent 90 % de carbone pur et que celui-ci soit brulé à 99%, la masse de CO2 générée sera de 32 670 tonnes, soit plus de trois trains équivalents que la CSC devra transporter et enfouir...

Mais même en prenant l'hypothèse haute du surcoût lié à la CSC, soit 40%, le kWh généré par du charbon serait à 6 ou 7 centimes d'euros en moyenne, ce à quoi il conviendrait d'ajouter les coûts de transport et de stockage, aujourd'hui difficiles à déterminer. Si les estimations sont exactes, la CSC pourrait être économiquement viable face à une électricité photovoltaique ou nucléaire, dont le coût à moyen terme est estimé à 8 centimes d'euros par kWh. La comparaison est néanmoins dangereuse, car les coûts du nucléaire et du photovoltaique sont bien connus, quand ceux de la CSC ne sont que des estimations faites sur la base des applications industrielles et des démonstrateurs existants, et d'un travail purement théorique de changement d'échelle.

D'autres études de McKinsey (Engqvist et al., McKinsey & Company, 2007) montrent qu'il existe des sources de réduction de CO2 bien plus économiques que la CSC. L'isolation des bâtiments, la réduction des émissions automobiles, de l'éclairage, et de l'air conditionné ont un coût négatif, compte tenu de l'économie d'énergie qu'elles permettent pendant la durée de vie des équipements. La reforestation, considérée comme la plus grande source de réductions d'émissions selon McKinsey, ne coûte que 20 euros par tonne de CO2 éliminée et crée des emplois dans les pays les plus pauvres.

Les défenseurs de la CSC estiment de leur côté que pour atteindre les objectifs de réductions de 85% des émissions des gaz à effet de serre en 2050, toutes les solutions doivent être mises en oeuvre.

Est-ce que ça pourrait fuir ?

Le principal argument en faveur de la fiabilité du stockage du carbone, vient de l'exemple donné par la nature : les réserves de gaz naturels ont été conservées dans le sous-sol pendant des millions d'années. Il existe aussi des gisements naturels de CO2. L'idée est de s'en inspirer pour les reproduire artificiellement.

principe du stockage du CO2 dans les formations géologiques Ci-contre, représentation de la capture du CO2, en rouge, dans les formations géologiques. Le carbone, en rouge, est injecté à très haute pression en phase liquide. La couche de roche réceptrice, perméable, agit comme une éponge. La couche de roche supérieure, la couverture, doit assurer l'étanchéité (Illustration Bellona).

Dans un document explicatif de la CSC, le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) précise que "l'étude des sites naturels à permis d'établir que, choisis avec soin, les sites de stockage ne devraient pas présenter de fuites significatives. Les réservoirs de gaz naturels nous permettent de mieux comprendre dans quelles conditions le gaz est piégé ou bien libéré. En outre, les sites [naturels, NDLR] qui fuient vers la surface nous permettent de mieux comprendre les impacts d'éventuelles fuites de CO2".

Le GIEC, dans un rapport de 2005, estime que la quantité de gaz restant piégée dans le sous-sol après 100 ans est "très probablement" supérieur à 99 % après 100 ans, et "probablement" supérieure à 99% après 1000 ans. "Très probablement" voulant dire une probabilité supérieure à 90% et "probablement "une probabilité supérieure à 66%. Le rapport considère que même avec un taux de fuite de 1 à 10% sur 100 ans ou de 5 à 40% sur 500 ans, la technologie peut être efficace pour réduire le changement climatique.

Pour Tony Boer, Business Development Manager de Schlumberger Carbon Services, "si les installations sont correctement conçues, correctement construites et correctement gérées, il ne doit pas y avoir de fuite. La possibilité de fuite est bien sûr considérée en premier lieu au moment de la conception d'un site de stockage, et le processus de sélection d'un site se fonde sur la compréhension du mécanisme de stockage afin de minimiser les incertitudes concernant les fuites. Vous devez remettre ceci dans le contexte qu'actuellement 100% du CO2 généré par les combustibles fossiles fuient dans l'atmosphère". Patrick Fragmam de Alstom tient de son côté à relativer le terme de "risque" en ce qui concerne le stockage de carbone : "le seul risque associé à la CSC est un risque industriel, le CO2 en lui même n'est pas un gaz toxique, il est présent dans l'atmosphère, il n'y a a pas de problème de santé associé". 

surveillance des sites de CSCCi-contre : le Dr. Vasco du Lawrence Berkeley National Laboratory fait des recherches sur les déformations de la surface du sol suite à l'injection de CO2 à In Salah dans le sahara algérien. Un million de tonnes de gaz sont injectées par an à environ 2 km de profondeur. L'interférométrie radar a permis d'observer une élévation de la surface du sol de de 5mm par an sur des kilomètres. [photo : Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley Nat'l Lab]

Pour Jack Century, un géologue expert à la retraite avec 50 ans d'expérience dans l'industrie pétrolière, le stockage du carbone est "survendu comme la panacée".  Interrogé par le quotidien canadien The Hill Times, le géologue dénonce les risques géologiques, l'équation économique terrifiante, et le gâchis d'argent public associé à la CSC : "quand vous injectez des liquides sous pression dans le sous-sol vous ne savez pas exactement ce que vous faites, la pression peut engendrer des micro-évenements sismiques, qui peuvent menacer l'intégrité du reservoir et mener à des fuites".  

Pour Greenpeace la présence à long terme du CO2 dans les sites géologiques comporte un risque de fuite : "pour le moment, personne ne peut quantifier un tel risque avec précision, mais tout rejet de CO2 a des conséquences sur l'environnement : l’air, le sol et les eaux souterraines. Une fuite continue, même si elle ne dépasse pas 1%, pourrait réduire à néant les efforts d’atténuation des changements climatiques".

Qu'en pense les associations pour l'environnement ? 

La grande majorité des associations environnementales ne croient pas à la pertinence du développement de la CSC, à l'exception notable de la WWF. La CSC est souvent présentée comme un mensonge dont les industriels tireront profit pour demander des quotas supplémentaires de CO2. Greenpeace appelle la CSC "un faux espoir", compte tenu du fait qu'il s'agit d'une technologie qui n'est pas éprouvée et peu sûre : nombreux risques, impossibilité de garantir un stockage sûr et permanent du CO2 ;  menaces pour la santé publique, les écosystèmes et le climat ; remède pire que le mal. Les Amis de la Terre montrent du doigt le "soi disant charbon propre" promu comme solution pour les pays les plus pauvres.

France Nature Environement retient également que les économies d'énergie et les énergies renouvelables offrent une solution beaucoup plus sûres aux problèmes climatiques. L'association considère que la CSC est une solution peu fiable à long et très long terme, à cause des problèmes de sécurité que posent les forages et la gestion des puits, au-delà de 100 ans. Mais aussi en raison des exigences en matière de stabilité géologique et de séismicité. Elle suggère de réserver l’utilisation de la CSC à des cas précis et soumis à des conditions strictes, quand toutes les autres solutions ont été envisagées.

Excavateur pour mine de charbon à ciel ouvert
L'exploitation du charbon donne lieu à de nombreux problèmes environnementaux.
Ci-dessus un excavateur destiné à une mine de charbon à ciel ouvert en allemagne.
45 500 tonnes d'acier et 5 hommes peuvent extraire 76 500 m3 de charbon par jour.

La FNE comme Greenpeace dénoncent l'illusion du charbon propre sachant que la capture du CO2 ne résoud pas le problème des autres pollutions et problèmes environnementaux liés à l'exploitation et à la combustion du charbon (le CO2, non toxique, est en fait la moindre des pollutions liées au charbon, ndlr). Les deux associations s'opposent à tout financement public de la CSC, ainsi qu'au transfert de la charge, de l'entretien, et de la responsabilité des sites vers les états, après un certain nombre d'années. Le stockage au fond des océans est très fortement condamné du fait des impacts sévères sur les écosystèmes marins et de l'impossibilité de tout contrôle.

Dans un rapport sur l'exploitation des sables bitumineux au Canada, fruit d'un énorme travail pour Greenpeace, le journaliste Andrew Nikiforuk montre comment la CSC [et la construction de plusieurs centrales nucléaires] sur le site de l'exploitation des sables bitumineux de l'Alberta (Canada) entretiennent l'illusion de la faisabilité d'une extraction propre, pour finalement produire un combustible fossile. Il cite les conclusions du Alberta Carbon Capture and Storage Development Council, pour lequel la CSC ne serait économiquement viable qu'en la subventionnant à hauteur de 3 milliards de dollars par an, par de l'argent public. Selon le rapport, l'extraction des sables bitumineux produira bientôt autant de gaz à effet de serre que l'un des grands états européenns, et d'ici 2030, plus que tous les volcans du monde. 

La WWF, quant à elle, justifie son soutien au développement de la CSC par une considération pragmatique : les centrales fossiles existent, et seule la CSC peut en réduire les émissions.

Les plus grands risques de la CSC

D'abord il faut bien comprendre que dans une installation avec CSC, le CO2 est bien émis, puis neutralisé. Donc du point de vue de la taxe carbone, ou du marché du carbone, la CSC doit être, tout au plus, neutre : elle évite de payer pour émettre du CO2. Dit autrement, elle s'achète son propre droit à polluer. En aucun cas donc, elle ne peut, en outre, générer des droits à polluer ailleurs. Mais cette position pourrait être discutée et aboutir à considérer qu'une centrale à charbon européenne puisse compenser ses émissions par une centrale à charbon chinoise avec CSC. D'où les oppositions croissantes de certaines associations de protection de l'environnement contre les mécanismes de compensation.

Ceci étant posé, l'économie de taxes ou de quotas de carbone permise par la CSC, qui peut être de l'ordre de centaines de millions d'euros par an pour un opérateur de centrales électriques, et la difficulté de toute vérification du bon enfouissement du CO2, qui peut se produire à des milliers de kilomètres de l'émetteur, dans des pays lointains via des gazoducs ou des navires méthaniers, peut très facilement donner lieu à un trafic incontrôlable, et très rémunérateur de blanchiment du charbon. D'autant plus facile, qu'après tout, le CO2 évaporé dans la nature ne tuerait personne. Curieusement ce sujet est rarement abordé, comme si nous vivions dans un monde parfait (voir ici l'index de corruption des états).  

Crédits photos. Ouverture : illustration Bellona - Wikimedia Commons - Petroleum Technology Research Center - StatoilHydro - Vattenfall - Lawrence Berkeley National Laboratory - Train de charbon :paulv2c "Still Recuperating" @Flickr - Excavatrice : metaphorge @Flickr.

7 Commentaires

  • Lien vers le commentaire lundi 11 février 2013 Posté par mes puls

    chez moi thermostat réglé à  17 des bons puls en laine de bonnes chaussetes en laine je controle ma température personnelle 37°pas de fiévere. et de réelles économies..... les hivers se passe bien et sans virus trop de chaleur bon pour la grippe et les virus

  • Lien vers le commentaire vendredi 11 février 2011 Posté par alex

    Aux USA le CO2 extrait des fumées d'une centrale à  charbon sert à  la culture de micro-algues très riche en huile. Cette huile constitue un carburant pour diesel. La croissance des micro-algues est très rapide. Le couplage centrale à  charbon et culture des micro-algues semble tres interessant et donc moins cher que l'enfouissement.
    Ne pas oublier que le principal gaz à  effet de serre est la vapeur d'eau.[quote][/quote]8)

  • Lien vers le commentaire samedi 08 janvier 2011 Posté par yves

    Vous avez raison, si on laisse de côté les coûts, les doutes sur l'efficacité sur le long terme, les possibilités de tricher sans risque, on enfouit dans le sol du carbone qui vient du sol.

    Mais attention on enfouit avec chaque atome de carbone deux atomes d'oxygène. Ce qui veut dire que si on extrait 1 million de tonnes de charbon qui contient 80% de carbone, il faut enfouir 3 millions de tonnes de CO2 !!!

    Et donc dans l'atmosphère le bilan en oxygène n'est pas neutre : on retire de l'atmosphère 2,2 millions de tonnes d'oxygène, et du coup la concentration en CO2 (celui qui est déjà  présent) dans l'atmosphère augmente...

    Enfin dans ce calcul, on a laissé de côté les autres pollutions, gigantesques, liées à  l'extraction et à  la combustion du charbon.

    Merci de votre remarque qui pour le coup n'est pas neutre !

  • Lien vers le commentaire samedi 08 janvier 2011 Posté par Quizzou

    D'ou vient ce CO2 que l'on va tenter d'enfouir dans le sous sol si ce n'est du sous sol lui-même ?
    L'opération ne serait-elle pas neutre ?
    Si on ne l'enfoui pas, comme aujourd'hui, ne provoque-t-on pas cette diminution de la proportion d'oxygène dans l'air ?

  • Lien vers le commentaire jeudi 16 décembre 2010 Posté par yves

    Excellente remarque. En fait c'est la combustion qui provoque la raréfaction de l'oxygène, puisque celui-ci est transformé en CO2. La quantité d'oxygène dans l'atmosphère est suffisamment importante (21%) pour que cette raréfaction ne soit pas sensible. Mais il semble que qu'une diminution du taux d'oxygène dans l'air de 1% serait suffisante pour que notre respiration soit affectée (on en est loin, mais...)

    Ceci mis à  part, en enterrant le CO2 on diminue la quantité d'oxygène dans l'air. En conséquence la proportion du CO2 qui est déjà  dans l'air augmente par rapport celle de l'oxygène ; et c'est précisément la concentration de CO2 dans l'air qui est à  l'origine de l'effet de serre... il faudra que nous revenions sur ce point. Merci.

  • Lien vers le commentaire mercredi 15 décembre 2010 Posté par Mat

    Le CO2 contient un atome de carbone et 2 atome d'oxygène, si on enfouie une telle quantité de CO2 qui n'est pas transformé par photosynthèse, ne sommes nous pas devant un autre problème de raréfaction du dioxygène? ne sommes nous pas en train de jouer aux apprenti sorcier en enfouissant tout ce gaz?

    L'efficience énergétique est la clé. Consommer le minimum pour produire le minimum, localement avec des énergies propres !

  • Lien vers le commentaire lundi 14 décembre 2009 Posté par Lytalm

    Merci encore pour cet énorme concentration (liquide?) d'information ;D. Je n'appuie pas du tout ce genre de projet, il faut voir à  réduire nos émissions de carbone à  la source et non à  minimiser après avoir produit. Premièrement cela coûterait bien moins cher, et l'on serait certain que nous ne polluerions pas!

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