DS0203 - Usage du sous-sol dans une perspective énergétique

Stockage souterrain massif et réversible de vecteurs énergétiques fluides (O2, CO2, CH4) – FLUIDSTORY

Stockage de l’énergie électrique au moyen de vecteurs fluides.

Le concept Electrolyse-Méthanation-Oxycombustion (EMO) est conçu pour offrir une solution en boucle fermée à même d’absorber les surplus de production électrique et les restituer ultérieurement sous forme d’énergie électrique, via un stockage transitoire de O2, CO2 et CH4 en cavités salines.

Les cavités salines: des réservoirs potentiels pour le stockage d'énergie

La plupart des énergies renouvelables (éolien, solaire) étant intermittentes, il est nécessaire, pour accompagner leur développement, de trouver des solutions pour stocker l’énergie produite et pour la restituer quand on en a besoin. Le stockage massif de l’énergie est donc une des composantes de la transition énergétique. Sous forme fluide, Il nécessite la disponibilité de grands volumes, que le sous-sol peut offrir en fonction de la géologie du site. L’objectif principal du projet FluidSTORY est d’étudier la faisabilité, la sécurité et l’intégrité du stockage de l’oxygène et du CO2 nécessaires au concept EMO dans des cavités salines, ainsi que les conditions qui doivent être satisfaites à moyen-long terme (2030-2050), en France, pour atteindre la rentabilité énergétique et économique de cette solution de stockage.

Une des pistes les plus prometteuses consiste à transformer l’énergie électrique pour la stocker sous forme de fluides. Le concept Electrolyse-Méthanation-Oxycombustion (EMO) consiste ainsi à transformer le surplus d’électricité en méthane. L’opération se déroule en deux temps : production d’hydrogène et d’oxygène par électrolyse de l’eau, puis de méthane par réaction de l’hydrogène avec du CO2. Le méthane et l’oxygène alimentent ensuite une turbine pour produire à nouveau de l’électricité. Compte-tenu de sa pureté potentiellement élevée, le CO2 émis est ensuite facilement capturé et peut réalimenter la méthanation. Il est envisagé de stocker ces fluides en cavités creusées dans les couches profondes de sel, du même type que celles utilisées aujourd’hui pour le stockage d’hydrocarbures (réserves stratégiques, stockage saisonnier). Le projet Fluidstory réalise l’inventaire méthodique des cavités existantes ainsi que des formations salifères susceptibles d’accueillir de telles cavités et étudie sur les plans théorique, numérique et expérimental le comportement thermodynamique et thermomécanique des cavités salines ainsi que les équilibres géochimiques lors du stockage. Le projet comprend également une étude systématique des risques liés à l’exploitation ainsi qu’un volet économique ayant pour but l’estimation des besoins en termes de stockage et la rentabilité du concept à l’horizon 2030-2050. Faut-il stocker chaque fluide dans des cavités distinctes ou dans un même volume ? Quel équilibre trouveront ces gaz par rapport aux eaux résiduelles qu’on peut trouver dans ces cavités ? Quels sont les risques à anticiper, en phase d’exploitation ou de clôture de site ? Voici quelques questions techniques et environnementales soulevées par un tel stockage auxquelles le projet tente d’apporter des réponses.

- L’inventaire du potentiel français de stockage en cavités salines montre que les formations salifères, d'âge triasique ou tertiaire, sont présentes dans les six principaux bassins sédimentaires français. Les séries salifères du bassin de Paris pourraient satisfaire aux contraintes d’un stockage de petite taille, tandis que celles des bassins tertiaires d’Apt-Forcalquier, de Valence, de la Bresse ou de Mulhouse peuvent constituer des cibles intéressantes pour des stockages de plus grande taille.
- Un modèle thermodynamique a été développé pour représenter le diagramme de phases du mélange CO2/CH4/O2. Les paramètres du modèle ont été ajustes sur des données de la littérature (équilibre vapeur). Ce modèle permet de prédire le diagramme pression en fonction du volume molaire du système CO2 + O2 (pour trois compositions).
- L’unité EMO a été modélisée en régime stationnaire pour définir les conditions opératoires nominales des installations de surface vis-à-vis des conditions de stockage.
- Plusieurs scenarios économiques pour la demande en énergie ont été analysés. Il en ressort que le procédé EMO pourrait rivaliser avec d'autres options de la technologie « power-to-gas » sur la demande d'énergie inter-saisonnière. En fonction de la compétitivité économique de l’EMO par rapport aux autres options et de la disponibilité de capacités de stockage, il est possible d’envisager entre 1 et 5 projets EMO en 2050.
- L’étude de la sureté du stockage a permis d’identifier l’ensemble des événements susceptibles d’affecter de nouvelles cavités de CO2 et d’O2. A partir de la liste complète des scénarios à envisager, des recommandations ont été faites afin de fournir une appréciation de chaque événement, préalable aux recommandations finales du projet.

Compléter les études théoriques et expérimentales prévues dans le projet Fluidstory afin de démontrer la faisabilité du projet. Lancer un projet pilote à l’échelle réelle avec la participation des acteurs industriels.

10 articles ont été produits jusqu’à présent dont deux dans les revues internationales à comité de lecture (Int. J. Rock Mech. Min. Sci. et Int. J. of Hydrogen Energy). Les autres concernent des présentations aux conférences internationales avec proceedin

Le stockage massif d’énergie est un enjeu majeur de l’intégration des énergies renouvelables dans l’évolution du mix énergétique nécessaire pour réaliser la transition énergétique en France. Une des pistes les plus prometteuses consiste à stocker l’énergie au moyen de vecteurs fluides. Le concept Electrolyse-Méthanation-Oxycombustion (EMO) est conçu pour offrir une solution en boucle fermée à même d’absorber les surplus de production électrique, notamment dus aux énergies renouvelables intermittentes, et les restituer ultérieurement, via un stockage transitoire d’O2, CO2 et CH4. Le cycle EMO répond à deux verrous majeurs des systèmes de stockage d'énergie électrique via la transformation en CH4 : i) le besoin massif en CO2 pour alimenter la méthanation et ii) l’émission du CO2 dans l’atmosphère après la combustion du CH4. Dans ce concept, l’oxygène issu de l'électrolyse est utilisé pour brûler le CH4, produit de la réaction de H2 et du CO2, dans un réacteur par oxycombustion. Compte-tenu de sa relative pureté, le CO2 émis est ensuite facilement capturé et peut réalimenter la méthanation. Ce procédé implique donc le stockage temporaire, massif et réversible d'une grande quantité de fluides (O2, CO2 et CH4). Le stockage des fluides en cavité saline est étudié à cette fin. L'objectif principal du projet FluidSTORY est d'étudier la faisabilité, la sécurité et l'intégrité du stockage des vecteurs énergétiques dans des cavités salines, ainsi que les conditions qui doivent être satisfaites à moyen-long terme (2030-2050), en France, pour atteindre la rentabilité énergétique et économique du concept EMO . Pour ce faire, le projet comporte un volet économique ayant pour but la construction de scénarios de production électrique à l’horizon étudié, de manière à estimer les besoins en termes de stockage, et le contexte énergétique dans lequel le procédé pourrait apporter une solution. La rentabilité du procédé est évaluée in fine. Parallèlement, un inventaire méthodique des cavités existantes et des formations susceptibles d’abriter de nouvelles cavités permet de vérifier la disponibilité des volumes de stockages potentiels, et de collecter leurs caractéristiques utiles pour cette application. Afin de comprendre le comportement de la cavité saline et d’étudier les processus physico-chimiques, thermodynamiques et géomécaniques qui s’y déroulent, une part importante du projet est consacrée à lever les verrous posés par le procédé de stockage souterrain d’O2 et de CO2. Deux options sont étudiées, i) un stockage de chaque fluide dans des cavités distinctes, ou ii) le stockage des deux fluides O2/CO2 dans un même volume. Le comportement thermodynamique et thermomécanique des cavités et l’équilibre géochimique entre les fluides et la saumure résiduelle seront étudiés sur les plans théorique, numérique et expérimental. Par rapport à l’ancienne proposition FluidSTORY soumise en 2014, cette nouvelle version s’est enrichi de l’étude des éléments-clés de surface et de leurs interactions avec les cavités de stockage, procurant une connaissance du processus global et de ses besoins opérationnels. Le projet comprend enfin une analyse des risques liés à l’exploitation et à la phase d’abandon de site, afin de prendre en compte le contexte règlementaire dès la phase de développement du concept. Une synthèse opérationnelle de ce travail sera produite sous forme de recommandations en vue d’accompagner les phases ultérieures de développement du concept EMO. Afin de bénéficier de l’expérience opérationnelle de l’industrie et de favoriser la future dissémination du concept, un comité technique de suivi, comprenant déjà GDF Suez et Air Liquide, est associé au projet. Il aidera à choisir les bonnes options aux étapes principales du projet. Sur le plan scientifique, deux sujets de thèse seront associés au projet, l’un sur les aspects géochimiques du comportement des fluides stockés, l’autre sur les aspects géo-mécaniques du comportement des cavités.

Coordinateur du projet

Monsieur behrooz bazargan sabet (BRGM)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

BRGM BRGM
LMS Ecole Polytechnique Laboratoire de mécanique du solide
BROUARD S.A.S BROUARD CONSULTING
ARMINES ARMINES
GEOSTOCK GEOSTOCK
GEOGREEN GEOGREEN
AREVA-H2Gen AREVA-H2Gen
CNRS DR ILE DE FRANCE SUD

Aide de l'ANR 890 054 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2015 - 48 Mois

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