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Caractérisation des Impacts Potentiels du stockage géologique du CO2 sur la qualité de la Ressource en Eau Souterraine – CIPRES

Impacts Potentiels du stockage géologique du CO2 sur la qualité des eaux souterraines

Caractérisation des impacts potentiels d’une fuite de CO2 sur la qualité de la ressource en eau souterraine dans le contexte du stockage géologique du CO2.

Stockage géologique du CO2 et protection de la qualité des ressources en eau

Alors que la France s’engage sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre, notamment en transposant la Directive européenne relative au stockage géologique du CO2, le contexte réglementaire demande à ce que les futurs sites de stockage géologique soient choisis de manière à garantir la protection de l’environnement et impose leur surveillance. Dans ce contexte, le projet CIPRES a donc un double objectif. <br /> <br />Le premier objectif consiste à caractériser les mécanismes bio-géochimiques susceptibles d’altérer la qualité de la ressource en eau souterraine en cas d’intrusion accidentelle de CO2, tant au niveau des aquifères superficiels que des aquifères profonds encore mal connus. Pour ces derniers, un point important est la composition microbiologique et son rôle dans le contrôle de la qualité des eaux qui sont encore peu étudiés. Par ailleurs, les études antérieures ont mis en évidence le rôle majeur des processus de sorption qui jouent un rôle dans la remobilisation des éléments traces susceptibles de dégrader la qualité des eaux. <br />Le second objectif du projet vise à valider une méthodologie de surveillance des aquifères car elle sera confrontée à plusieurs questions. Il s’agit d’une part de valider les méthodes et les seuils des paramètres à surveiller en contexte naturel et d’autre part de tester les méthodes en contexte d’aquifères profonds. En effet, les paramètres majeurs à surveiller en cas de fuite de CO2 sont par exemple le pH, l’alcalinité ou le CO2 dissous. En conditions profondes les capteurs pH ne sont pas stables, les capteurs CO2 non validés et la mesure de l’alcalinité requiert le prélèvement de l’échantillon en condition particulière pour éviter son dégazage avant analyse.

Pour répondre aux deux objectifs complémentaires du projet CIPRES, le programme proposé s’articule autour de 3 axes :
(i) une phase en laboratoire pour la caractérisation des mécanismes biochimiques et géochimiques de sorption/désorption susceptibles d’impacter la qualité des eaux,
(ii) une phase en site expérimental pour valider les méthodes de surveillance, par le suivi d’une fuite contrôlée de CO2 en nappe superficielle et par la caractérisation des mécanismes impactant la qualité de l’eau in situ,
(iii) une phase méthodologique concernant la surveillance des aquifères profonds dans la configuration d’un forage d’observation de l’Albien dans le bassin parisien.

La caractérisation des mécanismes en laboratoire et in situ se fait d’une part, par l’acquisition de données expérimentales et, d’autre part, par la calibration de modèles numériques prenant en compte la migration du CO2 dans le milieu naturel (zone saturée et non saturée) et le transport réactif. Cette étape de calibration et de validation des outils numériques a pour but de conforter l’utilisation des travaux de modélisation numérique réalisés à des fins prédictives lors de la caractérisation préalable des sites, des études d’impact et du dimensionnement des réseaux de surveillance.

L’approche expérimentale sur les sables verts de l’Albien du bassin de Paris a apporté des résultats intéressants sur le plan géochimique et biogéochimiques. L’étude sur les propriétés de surface des glauconies a démontré une réactivité des glauconites vis-à-vis des éléments traces.

Les résultats expérimentaux acquis en laboratoire montrent que si une intrusion légère de CO2 n’a pas d’impact sur les mécanismes microbiologiques, une intrusion forte inhibe totalement l’activité biologique ciblée dans les conditions imposées. Ces essais révèlent une complexité de mécanismes microbiens endogènes capables de s’exprimer. Certaines activités ont un impact fort sur la géochimie de l’eau, principalement sur les éléments traces qui sont mobilisés en solution. Cet impact s’ajoute à celui lié à la seule présence de CO2 mis en évidence sous 1 bar dans les travaux antérieurs (Humez et al., 2013).

Sur le site de Catenoy, il a été démontré un très faible impact physico-chimique du CO2 injecté sur l’aquifère de la craie et du rôle tampon important et rapide de cet environnement carbonaté. Néanmoins le monitoring d’un aquifère carbonaté, ayant une géométrie et un fonctionnement complexe, est très délicat.

La modélisation du transport réactif 3D simulant une fuite de CO2 au sein des sables verts a été réalisée en incluant l’échange ionique et la complexation de surface à partir des travaux sur les sables verts.

Un guide méthodologique pour la mise en œuvre du monitoring des eaux est en cours de rédaction. Sa préparation est accompagnée par l’organisation de deux ateliers d’échange au cours desquels les partenaires du projet échangent avec les pouvoirs publics et les acteurs de l’eau et du CCS.

Les résultats attendus seront intégrés afin de proposer des recommandations pour :
(i) la prise en compte des impacts sur les eaux souterraines dans la caractérisation des futurs sites de stockage géologique de CO2,
(ii) l’identification des mécanismes à considérer dans les études destinées à qualifier et quantifier ces impacts,
(iii) la mise en place des réseaux de surveillance des eaux souterraines.

Les partenaires déjà intégrés au niveau national et international, ont déjà eu l’occasion de présenter ce projet à la communauté scientifique internationale lors des assemblées organisées par l’IEAGHG sur les impacts environnementaux (Environmental Impact

Alors que la France s’engage sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre, notamment en transposant la Directive européenne relative au stockage géologique du CO2, ce projet s’intéresse à la caractérisation des impacts potentiels d’une fuite de CO2 sur la qualité des eaux souterraines. En effet le contexte réglementaire demande à ce que les futurs sites de stockage géologique soient choisis de manière à garantir la protection de l’environnement et impose leur surveillance. Dans ce contexte, le projet CIPRES a donc un double objectif.
Le premier objectif consiste à caractériser les mécanismes bio-géochimiques susceptibles d’altérer la qualité de la ressource en eau souterraine en cas d’intrusion accidentelle de CO2, tant au niveau des aquifères superficiels que des aquifères profonds (type Albien) encore mal connus. Un autre aspect important est la composition microbiologique des aquifères profonds et son rôle dans le contrôle de la qualité des eaux qui sont encore peu étudiés. De plus, les études antérieures ont mis en évidence le rôle majeur des processus de sorption : la présence d’argiles et de glauconie (minéraux favorisant ces processus) dans les sables verts de l’Albien peut jouer un rôle dans la remobilisation des éléments traces.
Le second objectif vise à valider une méthodologie de surveillance des aquifères car elle sera confrontée à plusieurs questions. Il s’agit d’une part de valider les méthodes et les seuils des paramètres à surveiller en contexte naturel. En effet, les paramètres majeurs à surveiller en cas de fuite de CO2 sont par exemple le pH, l’alcalinité ou le CO2 dissous. En conditions profondes les capteurs pH ne sont pas stables, les capteurs CO2 non validés et la mesure de l’alcalinité requiert le prélèvement de l’échantillon en condition particulière pour éviter son dégazage avant analyse.
Pour répondre à ces deux objectifs complémentaires, le projet proposé s’articule autour de 3 axes :
(i) une phase en laboratoire pour la caractérisation des mécanismes biochimiques et géochimiques de sorption/désorption susceptibles d’impacter la qualité des eaux,
(ii) une phase en site expérimental pour valider les méthodes de surveillance, par le suivi d’une fuite contrôlée de CO2 en nappe superficielle et par la caractérisation des mécanismes impactant la qualité de l’eau in situ,
(iii) et une phase méthodologique concernant la surveillance des aquifères profonds dans la configuration d’un forage d’observation de l’Albien.
La caractérisation des mécanismes en laboratoire et in situ se fera, d’une part, par l’acquisition de données expérimentales et, d’autre part, par la calibration de modèles numériques prenant en compte la diffusion du CO2 dans le milieu naturel (zone saturée et non saturée) et le transport réactif. Cette étape de calibration et de validation des outils numériques a pour but de conforter les travaux de modélisation numérique qui auront été réalisés à des fins prédictives lors de la caractérisation préalable des sites, des études d’impact et du dimensionnement des réseaux de surveillance.
Un des résultats attendu du projet sera l’intégration des résultats pour proposer des recommandations pour :
(i) la prise en compte des impacts sur les eaux souterraines dans la caractérisation des futurs sites de stockage géologique,
(ii) l’identification des mécanismes à considérer dans les études destinées à qualifier et quantifier ces impacts,
(iii) la mise en place des réseaux de surveillance des eaux souterraines.

Coordinateur du projet

Madame LIONS Julie (Bureau de Recherches Géologiques et Minières) – j.lions@brgm.fr

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

IPGP Institut de Physique du Globe de Paris
HYDRO INVEST HYDRO INVEST
CNRS-ISTO Centre National de la Recherche Scientifique-Institut des Sciences de la Terre d'Orleans
VERI Veolia Environnement Recherche & Innovation
INERIS INERIS
BRGM Bureau de Recherches Géologiques et Minières

Aide de l'ANR 799 900 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 36 Mois

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