Piégeage par solubilité du CO2 dans le sous-sol: rôle des instabilités gravitationnelles 3D – CO2-3D

On sait désormais que le réchauffement climatique mesuré au cours des 150 dernières années est dû à l'augmentation de la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre, et que le stockage de dioxyde de carbone (CO2) dans les aquifères salins est la seule solution efficace à moyen terme. Ce stockage repose sur quatre mécanismes de piégeage qui agissent à des échelles de temps différentes. Nous nous intéressons ici au piégeage par solubilité, dont le principe peut être résumé de la manière suivante. Dans le milieu souterrain, typiquement un aquifère salin situé à une profondeur supérieure à 800m, le CO2 est supercritique, moins dense et 40 fois moins visqueux que la saumure présente initialement dans le milieu. Le CO2 injecté migre donc vers le haut de l'aquifère, sous la formation imperméable située au-dessus. La dissolution partielle de ce CO2 supercritique dans la saumure située en-dessous conduit à un mélange plus dense que la saumure, ce qui déclenche une instabilité gravitationnelle permettant au CO2 de descendre dans l'aquifère. Il peut ainsi être stocké dans les couches inférieures de l'aquifère, et ce à très long terme.

Du fait de sa complexité, cette instabilité de l'interface entre la saumure et le mélange saumure/CO2 a principalement été étudiée en configurations bidimensionnelles (2D). Les quelques études tridimensionnelles (3D) existantes, toutes numériques, suggèrent que les prédictions fondées sur des modèles 2D pourraient être inadaptées. En effet, les rouleaux de convection typiques des systèmes 2D se retrouvent seulement dans la partie supérieure de la cellule expérimentale 3D; plus bas dans la cellule ils donnent lieu à des panaches qui ne peuvent être décrits par une géométrie 2D. Mais cet aspect doit être confirmé par des expériences, car toutes les simulations numériques sont fondées sur des modèles à l'échelle de Darcy, qui ne prennent pas en compte la physique à l'échelle du pore. Cependant, les expériences 3D à l'échelle du pore représentent un défi technique, car elle requièrent (i) un milieu poreux transparent une fois saturé par les fluides, et (ii) un système d'imagerie capable de capturer la structure des rouleaux/panaches convectifs 3D. Aucune expérience de ce type n'a jamais été montée pour étudier la dissolution convective.

Nous proposons donc d'étudier l'instabilité gravitationnelle et la convection 3D résultante à l'aide de dispositifs expérimentaux novateurs fournissant une caractérisation complète des champs de vitesse et de concentration 3D, à l'échelle du pore. La convection sera d'abord analysée dans une géométrie cylindrique confinée, afin de caractériser précisément la dynamique et la stabilité d'un panache unique. Puis d'autres dispositifs permettront d'étudier la dynamique de plusieurs panaches en interaction. Un modèle heuristique de l'efficacité du piégeage sera développé à partir des résultats expérimentaux. Nous prévoyons ainsi de caractériser la géométrie des instabilités gravitaires, le seuil des instabilités linéaire et non-linéaire, les temps de parcours caractéristiques du mélange saumure/CO2 dans les panaches, et le flux de CO2, en fonction des différents paramètres du système.

L'objectif ultime du projet est de remettre les résultats expérimentaux à l'échelle du milieu naturel afin de prédire le taux de stockage du CO2 par dissolution convective dans des aquifères de propriétés données. Dans la mesure où l'extrapolation de l'efficacité de piégeage du 2D au 3D est à l'heure actuelle très spéculative, nous espérons impacter la communauté scientifique de manière significative et fournir des prédictions utiles aux ingénieurs.

Ce projet ambitieux sera mené par deux équipes de recherche aux compétences complémentaires. Des dispositifs préliminaires existent déjà dans les laboratoires de chacune des deux équipes, ce qui garantit la faisabilité technique du projet. Le coût sera principalement dévolu au financement d'un postdoc de 1.5 ans pour chacun des partenaires.