SEED - Systèmes Energétiques et Décarbonés

Système d'injection et de stockage de CO2 sûr et optimisé pour la valorisation locale de l'énergie géothermique produite – CO2-DISSOLVED

Stocker les émissions de CO2 industrielles tout en produisant de l’énergie propre et renouvelable utilisable localement

Associer le captage du CO2 contenu dans les fumées industrielles, puis son stockage local sous forme dissoute dans la saumure d’un aquifère salin profond, et la récupération d’énergie géothermique : une nouvelle approche proposée par le projet CO2-DISSOLVED qui pourrait permettre d’ouvrir une nouvelle voie à la filière « captage et stockage du CO2 »

Une approche innovante, différente mais complémentaire de la filière « classique »

Les projets de stockage géologique du CO2 prévoient généralement une injection sous forme supercritique (état intermédiaire entre gaz et liquide) permettant de maximiser les quantités stockées (plusieurs millions de tonnes par an). En l’absence de site répondant aux critères de sécurité et de pérennité du stockage à proximité des gros émetteurs industriels, on doit prévoir de transporter le CO2 jusqu’à son lieu d’injection, d’où des coûts induits très élevés. <br />Le projet CO2-DISSOLVED étudie une option différente consistant à injecter du CO2 dissous dans la saumure, à proximité immédiate de la source émettrice. L’infrastructure à mettre en place (cf. figure) repose sur un ensemble de puits producteur et injecteur, permettant respectivement de pomper la saumure du réservoir puis de la réinjecter après l’avoir saturée en CO2 dissous. Avec ce procédé, on s’affranchirait des problèmes inhérents à l’approche « classique » : montée en pression et migration de la saumure initialement en place, risques de remontée du CO2 vers les formations géologiques supérieures (vu qu’il n’y a plus de phase légère gazeuse ou supercritique). De plus, il est prévu de récupérer la chaleur de la saumure pompée au puits de production afin de l’utiliser localement pour les besoins propres de l’industriel émetteur de CO2 et/ou pour alimenter un réseau de chaleur. L’inconvénient majeur de cette approche réside dans la quantité de CO2 injectable qui est physiquement limitée par la solubilité du CO2 dans la saumure. Des taux d’injection de l’ordre de 100 000 tonnes de CO2 par an pourraient toutefois être atteints. Le projet CO2-DISSOLVED étudiera donc la faisabilité technico-économique de la mise en œuvre de cette technologie à proximité immédiate d’émetteurs industriels faibles à moyens (10 000-150 000 tonnes de CO2 par an). <br />

Bien que s’agissant essentiellement d’une étude de faisabilité s'appuyant sur des méthodologies d'ingénierie (calculs de dimensionnement, simulation numérique), la réalisation de ce projet nécessitera également la mise en œuvre de travaux de recherche ambitieux :
• Les méthodologies classiquement préconisées pour la surveillance du site (monitoring) et l'analyse de risques devront être revues en fonction des nouvelles contraintes liées à l'approche originale proposée dans CO2-DISSOLVED. Des solutions innovantes de monitoring géochimique et géophysique seront évaluées et testées, à la fois sur le terrain et en laboratoire. Une nouvelle méthodologie d'analyse des risques sera spécifiquement conçue et appliquée, en conformité avec les propriétés modélisées et observées de l’ensemble du système {captage, injection, stockage du CO2 ; récupération de chaleur}.
• La saumure acidifiée par le CO2 dissous sera chimiquement réactive avec les phases minérales de l'aquifère dès la sortie du puits d’injection, contrairement à l’approche « classique » où le front réactif acide suit l’extension de la « bulle » de CO2. Un travail spécifique sera réalisé en se focalisant sur la zone « proche-puits » et en s'appuyant sur de nouvelles approches de modélisation et expérimentales. Un dispositif expérimental de laboratoire sera ainsi spécifiquement conçu et mis en œuvre dans le cadre de ce projet.
• L'association des technologies de captage-stockage et de production de chaleur géothermique appliquées localement à de petits émetteurs de CO2, rend inadaptés les précédents modèles économiques de la filière CO2. De nouveaux modèles économiques devront donc être mis au point et validés, puis ils seront appliqués à deux cas-tests en France et en Allemagne.

Les principaux résultats acquis démontrent d’abord qu’il existe un réel potentiel d’application du concept CO2-DISSOLVED à de nombreuses installations industrielles faiblement à moyennement émettrices de CO2 en France, en Allemagne et aux USA. En parallèle, les travaux préliminaires de modélisation du fonctionnement hydrodynamique du système de doublet montrent qu’une arrivée du CO2 dans le puits de production, à des concentrations faibles à moyennes, est inévitable au bout d’un certain temps de fonctionnement (2 à 10 ans typiquement, selon la configuration du doublet géothermique). Néanmoins, cette production de CO2 n’engendre pas de réémission sous forme gazeuse à l’atmosphère, le CO2 restant dissous dans la saumure qui, de plus, est utilisée en circuit fermé entre le puits d’injection et le puits de production. De plus et malgré cette migration du CO2 dissous, les bilans de masse démontrent un stockage effectif d’une fraction significative du CO2 injecté, ce qui corrobore la viabilité du concept dans son principe. Enfin, le dispositif expérimental MIRAGES-2, qui nous permettra de quantifier et de visualiser les effets des interactions chimiques entre l’eau acide sur la roche-réservoir à proximité immédiate du puits d’injection, est maintenant opérationnel. Les premières séries d’expérimentations pourront ainsi démarrer en Septembre 2014.

Les résultats attendus permettront d'avoir à notre disposition une gamme de technologies innovantes associée à de nouveaux outils expérimentaux et théoriques : dispositif de captage et de dissolution du CO2, outils de monitoring, dispositif expérimental de laboratoire (« puits miniature »), modèles couplés « écoulement, transport de masse et de chaleur, géochimie », modèle économique. Ainsi, si les conclusions sur la faisabilité de ce concept d’injection de CO2 couplé à la récupération de chaleur géothermique s’avèrent positives, des applications industrielles prometteuses pourront être envisagées sur le court terme, dès la fin de ce projet de 36 mois.

Un papier présentant le projet CO2-DISSOLVED a été présenté oralement lors de la conférence « Sustainable Earth Sciences 2013 » organisée par l’EAGE (European Association of Geoscientists & Engineers) en Octobre 2013 à Pau. Par ailleurs, quatre résumés on

L'objectif du projet de CO2-DISSOLVED est d'évaluer la faisabilité technico-économique d'un nouveau concept couplant CCS et géothermie, comprenant (1) une innovation en puits profond de capture du CO2 et de technologie de dissolution, (2) l'injection de CO2 dissous au lieu de supercritique,(3) la récupération de chaleur géothermique dans la saumure extraite par l'intermédiaire d'un système de doublet/échangeur de chaleur.

Cette approche combine plusieurs objectifs, notamment énergie renouvelable, réduction des gaz à effet de serre, évaluation d'une nouvelle technique de capture à faible coût et méthode de stockage. En outre, l'utilisation de CO2 dissous par rapport au supercritique offre des avantages substantiels en termes de réduction de risques et de potentiel de minéralisation plus rapide.

Comme autre facteur innovant, cette proposition vise de faibles ou moyens émetteurs de CO2 (10-100 kt/an), qui pourraient être compatibles avec une installation de doublet unique. Contrairement à l'approche standard concernant les très grands émetteurs (1-5 Mt/an), le projet CO2-DISSOLVED ouvre de nouvelles possibilités de stockage locaux consacrés aux faibles émetteurs tels que papeterie, verrerie, matériaux de construction etc. Comme il est destiné à être une solution locale, les coûts liés au transport de CO2 sont minimes, à condition que la géologie locale souterraine soit favorable. D'autre part, la chaleur récupérée pourrait bénéficier directement aux industriels pour leurs propres besoins en chauffage et procédés.

Ce projet est divisé en quatre principales tâches techniques portant sur les points suivants:

- Tâche 1 : Applicabilité de la capture du CO2 sous forme aqueuse et de la technologie de dissolution,

- Tâche 2 : Efficacité de l'injection couplée CO2/Géothermie,

- Tâche 3 : Monitoring et évaluation des risques,

- Tâche 4 : Analyse intégrée de faisabilité technico-économique appliquée à deux cas-tests (France, Allemagne).

Bien qu'étant principalement une étude de faisabilité en s'appuyant sur des méthodologies d'ingénierie, la réalisation de ce projet devra également s'appuyer sur d'ambitieux travaux de recherche dans le but d'aborder les points suivants:

- Les approches standard de monitoring et d'analyse de risques ont besoin d'être revues en fonction des nouvelles contraintes de l'approche de CO2-DISSOLVED. Des solutions innovantes de monitoring géochimique et géophysique sont destinées à être évaluées et testées, à la fois sur le terrain et en laboratoire. Une nouvelle méthodologie d'analyse des risques sera spécifiquement conçue et appliquée en conformité avec les propriétés modélisées et observées de tout le système.

- La réactivité de la saumure concerne désormais aussi le puits d'injection. Un travail spécifique sera réalisé dans ce projet, en se concentrant sur la zone proche-puits et en s'appuyant à la fois sur l'expérimental et de nouvelles approches de modélisation. Une nouvelle installation expérimentale sera disponible pour de futures expériences impliquant l'injection de CO2 dissous.

- L'association de la technologie CCS pour la production de chaleur géothermique, appliquée localement aux petits émetteurs de CO2, rend obsolètes de précédents modèles économiques. De nouveaux modèles devront donc être mis au point, validés et appliqués à deux applications de cas-tests (un en France, un en Allemagne).

Les résultats attendus permettront d'avoir à notre disposition un portefeuille complet de technologies innovantes adaptées, associés à des outils expérimentaux et théoriques, de sorte que, en cas de conclusions positives sur la faisabilité de ce concept, des applications industrielles promettantes pourraient être envisagées sur le court terme avant la fin de ce projet de 30 mois.

Coordinateur du projet

Monsieur KERVEVAN CHRISTOPHE (BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES) – c.kervevan@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

BRGM BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES
CFG Services CFG Services
GEOGREEN GEOGREEN
LEO LABORATOIRE D'ECONOMIE D'ORLEANS
G2R UMR G2R - CNRS
PI-Innovation Partnering in Innovation Incorporated
BGR Bundesanstalt für Geowissenschaten und Rohstoffe

Aide de l'ANR 632 535 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2013 - 36 Mois

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