Reconnue par la communauté scientifique comme principale responsable du réchauffement climatique, la teneur en CO2 dans l’atmosphère est pourtant toujours en hausse, comme le confirme le récent rapport de L’Organisation météorologique mondiale.

Cause principale de cette augmentation : l’activité industrielle et économique, émettrice à l’échelle planétaire d’environ 35 milliards de tonnes (35 Gt) de CO2 par an, à laquelle s’ajoutent les effets de la déforestation et de l’urbanisation des terres (6 Gt par an).

Certes, la végétation et les océans jouent leur rôle de régulateurs en absorbant plus de la moitié de ces quantités, mais l’excédent s’accumule dans l’atmosphère et y provoque, année après année, une augmentation de la teneur en CO2.

Le stockage géologique du CO₂

La solution passe impérativement par une diminution des émissions de CO2, nécessitant une réduction drastique de notre utilisation des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), en partie remplaçables par des sources et vecteurs d’énergie alternatifs (solaire, éolien, géothermie, biomasse, hydrogène, etc.).

Mais ce changement ne s’opérera pas instantanément et nécessite des mesures d’accompagnement. Parmi ces mesures, on trouve le captage et le stockage en réservoir profond du CO2 atmosphérique (CSC).

Le CSC consiste à capter le CO2 contenu dans les fumées d’installations industrielles (sources concentrées en CO2) puis à le compresser afin de l’injecter, par un puits dédié, vers un réservoir profond (au-delà de 1 000 m) rempli d’eau salée (impropre à la consommation) ou d’une quantité résiduelle de pétrole et/ou de gaz. Le CO2 se trouve alors dans un état gazeux dense permettant son injection en grande quantité. Ainsi injecté, le CO2 reste définitivement piégé dans la structure géologique sélectionnée (réservoir poreux chapeauté par une roche imperméable empêchant la remontée du gaz vers les couches supérieures).

À ce jour, 18 sites de CSC sont opérationnels à travers le monde, permettant d’éviter l’émission d’environ 40 millions de tonnes (40 Mt) de CO2 par an. Bien qu’opérationnelle depuis plus de 40 ans, cette approche « classique » du stockage du CO2 tarde toutefois à se déployer à la hauteur des besoins planétaires et de l’urgence climatique. Le coût des opérations et la relative lourdeur des infrastructures à mettre en place expliquent en partie cette situation.

Depuis 2013, le BRGM et ses partenaires travaillent sur une autre option du CSC, plus simple à mettre en œuvre, moins coûteuse et plus adaptée à une implantation locale visant à réduire les émissions de CO2 des petites installations industrielles.

Pour les « petits » émetteurs

En France, les émissions représentent aujourd’hui près de 1 % des émissions mondiales (soit 338 Mt de CO₂ par an) et se répartissent à hauteur de 31 % pour l’industrie, la transformation d’énergie et les déchets (sources concentrées, seules exploitables pour le CSC), 31 % pour le transport, 19 % pour l’agriculture et 19 % pour l’habitat.

Or, dans l’Hexagone, près de 84 % des émetteurs industriels sont petits, avec moins de 150 000 tonnes (150 kt) de CO2 par an – la moyenne se situant à 38 kt CO₂ annuels. Pour ces petits, voire très petits émetteurs, qui pèsent à eux tous près de 32 Mt CO2 par an, la solution CSC « classique » n’est pas adaptée.

La dispersion des sites sur l’ensemble du territoire rend en effet inenvisageable la mutualisation de plusieurs petites unités de captage, coûteuses, afin d’acheminer des quantités significatives de CO2 vers un site de stockage unique et forcément distant.

Aujourd’hui, tel qu’il est mis en œuvre à l’échelle mondiale, le CSC vise clairement le stockage de quantités de l’ordre du million de tonnes de CO2 par an et par site, soit au moins 25 fois plus que les émissions moyennes des petites installations typiques du paysage industriel français.

Stocker et chauffer

La solution « CO₂-Dissolved » sur laquelle travaillent le BRGM et ses partenaires, permet de proposer une nouvelle option de CSC, adaptée aux petits émetteurs industriels.

Il s’agit ici de stocker non plus du CO2 gazeux mais du CO2 entièrement dissous dans l’eau salée d’un réservoir aquifère profond. Pour cela, l’eau est préalablement pompée dans le réservoir via un puits producteur avant d’y être réinjectée via un deuxième puits (injecteur) après dissolution du CO2 capté en surface.

L’ensemble de ces deux puits constitue ce que l’on appelle un « doublet », identique aux doublets des installations de géothermie profonde largement répandues en Île-de-France. Et justement, cette similitude d’infrastructure rend possible l’exploitation simultanée de la chaleur contenue dans l’eau extraite du réservoir.

Cette double utilisation du sous-sol – pour stocker le CO2 et extraire de la chaleur – change la donne en termes d’économie de l’opération par rapport au CSC classique, à condition que l’énergie récupérée puisse être exploitée localement.

Ainsi, alimenter un réseau de chaleur pour chauffer des bâtiments (habitations collectives, individuelles, tertiaire) reste la solution la plus immédiate pour tirer parti de la chaleur produite. On pourrait donc stocker du CO2 industriel tout en chauffant nos habitations grâce à une énergie très largement décarbonée permettant de remplacer des moyens de chauffage plus conventionnels et émetteurs de CO2 ; rappelons que le chauffage compte en France pour près de 20 % de nos émissions de CO2.

Le fonctionnement de CO₂-Dissolved

La solution CO2-Dissolved visait initialement à simplifier la gestion du stockage, du fait de l’absence de CO2 à l’état gazeux. En effet, dans l’approche CSC classique, l’augmentation de la pression du réservoir induite par l’injection massive de CO2 gazeux nécessite une surveillance continue du site afin de s’assurer qu’on ne dépasse pas certaines limites.

De même, la moindre densité du gaz par rapport à l’eau du réservoir augmente le risque potentiel de fuite d’une partie du CO2 vers la surface, impliquant un contrôle rigoureux de l’état des puits et de la couverture imperméable qui constituent les voies de fuites privilégiées.

L’approche CO2-Dissolved permet donc d’éliminer pratiquement tout risque de remontée accidentelle du CO2 vers les couches géologiques supérieures (l’eau contenant le CO2 dissous est en effet légèrement plus dense que l’eau du réservoir) susceptible, notamment, de contaminer des aquifères superficiels exploités pour l’alimentation en eau potable. En outre, le fait de pomper l’eau puis de la réinjecter intégralement dans le même réservoir évite le phénomène de montée en pression.

Une autre difficulté liée à l’approche CSC « classique » concerne la plus grande complexité de son infrastructure : il faut acheminer le CO2 depuis les sites industriels émetteurs jusqu’au site de stockage. Ce transport s’effectue dans la plupart des cas via un réseau de pipelines qu’il n’est pas toujours aisé de mettre en place, notamment dans des environnements urbains.

L’approche CO2-Dissolved s’affranchit également de cette problématique en stockant le CO2 sur le lieu même de son émission. Ce qui suppose évidemment des caractéristiques géologiques locales adéquates.

Un réel potentiel en France

La technologie CO2-Dissolved doit répondre à deux conditions pour pouvoir être mise en place.

Premièrement, disposer sous les pieds de l’usine émettrice d’un sous-sol dont les caractéristiques hydrogéologiques (possibilité d’atteindre des débits d’eau de pompage/injection de l’ordre de 200 à 350 m3/h) et thermiques (température de l’eau comprise entre 40 et 90 °C) permettent son exploitation pour la géothermie.

Deuxièmement, rester à une concentration en CO2 dissous inférieure à la limite de solubilité (qui est de l’ordre de 50 kg CO2/m3 d’eau) afin de garantir que le CO2 reste stocké sous forme entièrement dissoute (donc, sans apparition de bulles de gaz), conformément au principe de base du concept CO2-Dissolved.

Ces contraintes techniques imposent ainsi de limiter la quantité de CO2 injecté en deçà de 10 à 17 tonnes par heure (en fonction des débits d’eau), ce qui correspond, au maximum, à environ 150 kt CO2/an.

On comprend donc pourquoi cette technologie s’avère adaptée aux petits émetteurs évoqués plus haut, offrant ainsi des perspectives de développement dans un secteur industriel pour lequel peu d’alternatives pour réduire les émissions existent aujourd’hui.

Afin de mieux cerner le potentiel de mise en œuvre de CO2-Dissolved à l’échelle de la France, nous avons matérialisé sur une même carte les sites industriels faiblement émetteurs de CO2 (moins de 150 kt/an) et les zones de réservoirs profonds exploitables pour la géothermie.

Ces sites (voir la figure ci-dessus) sont très largement répartis à l’échelle du territoire. Parmi eux, 437 sont localisés sur les zones bleues et donc a priori compatibles avec l’approche CO2-Dissolved. L’ensemble de ces sites émet annuellement près de 17 Mt de CO2, soit plus de 12 % des émissions industrielles françaises.

Stocker ces émissions améliorerait donc significativement le bilan carbone de ces industries, sachant que l’utilisation combinée de la géothermie comme moyen de chauffage – en substitution à des énergies carbonées (gaz, fioul) – permettrait de réduire encore davantage la facture environnementale.

Les derniers travaux en cours visent à préparer les premiers tests d’injection de CO2 dans un doublet géothermique existant. Il s’agit ainsi de valider le cœur du concept CO2-Dissolved, en testant notamment le dispositif d’injection et les méthodes de suivi en continu de la dissolution du CO2 dans l’eau du puits injecteur. L’étape suivante consistera à mettre en œuvre, sur un site industriel, un premier démonstrateur de l’ensemble de la technologie.

© The Conversation

Christophe Kervevan, Ingénieur, chef de projet, BRGM