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La capture et le stockage du carbone, comment ça marche ?

Le développe­ment des éner­gies renou­ve­lables et l’efficacité énergé­tique sont deux piliers essen­tiels des efforts d’atténuation des change­ments climatiques.

Mais, au regard de l’ampleur de la réduc­tion des émis­sions à réalis­er, les experts de l’Agence inter­na­tionale de l’énergie (AIE) et du GIEC con­sid­èrent que le recours aux tech­nolo­gies de cap­tage, de stock­age et de val­ori­sa­tion du CO2 est indis­pens­able pour attein­dre l’objectif de neu­tral­ité carbone.

Le procédé DMX de cap­tage du CO2, fruit d’une décen­nie de recherche dans les lab­o­ra­toires d’IFP Éner­gies nou­velles, est ain­si aujourd’hui en cours de démon­stra­tion sur le site d’Arcelor Mit­tal à Dunkerque, géant de l’acier qui émet plus  de 11 mil­lions de tonnes de CO2 chaque année.

Le CO2 cap­té pour­rait être trans­porté puis stocké en mer du Nord, par exem­ple sur le site du pro­jet norvégien North­ern Lights, qui a égale­ment signé en août dernier son pre­mier accord com­mer­cial pour le trans­port et le stock­age du CO2, cette fois cap­té sur une usine d’ammoniac et d’engrais des Pays-Bas.

L’objectif du cap­tage, du stock­age ou de la val­ori­sa­tion du dioxyde de car­bone (plus con­nus sous les acronymes CCS ou CCU pour car­bon cap­ture and stor­age ou car­bon cap­ture and util­i­sa­tion) est de con­tribuer à décar­bon­er l’industrie : il s’agit d’un ensem­ble de tech­nolo­gies per­me­t­tant de capter et de stock­er et/ou d’utiliser le CO2 plutôt que de le laiss­er s’échapper dans l’atmosphère. En effet, l’industrie lourde est à l’origine de presque 20 % des émis­sions mon­di­ales de CO2 aujourd’hui. En France, la Stratégie nationale bas car­bone (SNBC) fixe une réduc­tion des émis­sions indus­trielles de 80 % d’ici à 2050 par rap­port à 2015.

Dans le scé­nario « développe­ment durable » de l’AIE, ces tech­nolo­gies de cap­tage con­tribueraient à hau­teur de 15 % à la réduc­tion cumulée des émis­sions de CO2 en 2070.

Com­ment ? En séparant le CO2 des fumées indus­trielles, pour le stock­er dans des for­ma­tions géologiques souter­raines à grande pro­fondeur et l’isoler ain­si de l’atmosphère, ou pour l’utiliser comme une ressource dans la pro­duc­tion de bio­car­bu­rants ou d’engrais par exemple.

Une trentaine d’installations à grande échelle sont actuelle­ment en opéra­tion à tra­vers le monde pour décar­bon­er la pro­duc­tion d’électricité (cen­trale à char­bon, cen­trale au gaz) et l’industrie (aciérie, cimenterie, chimie), et 35 à 40 mil­lions de tonnes sont ain­si cap­tées et stock­ées annuelle­ment, à com­par­er aux 34 mil­liards de tonnes de CO2 qui ont été émis­es en 2020. On estime qu’il faudrait en capter et stock­er 50, voire 100 fois plus d’ici à 2035 pour répon­dre aux objec­tifs de neu­tral­ité car­bone – ce qui appelle au déploiement du CCUS à grande échelle, en Europe et dans le monde. Compte tenu de la matu­rité actuelle des tech­nolo­gies, c’est envis­age­able à l’horizon 2030.

Pre­mière étape de la chaîne : le captage

Les tech­nolo­gies de cap­tage sont opéra­tionnelles depuis des décen­nies, notam­ment pour cer­taines appli­ca­tions comme les cen­trales ther­miques, mais elles sont encore coû­teuses. De nou­veaux procédés moins éner­gi­vores et plus per­for­mants sont ain­si éprou­vés au sein des pre­miers démon­stra­teurs comme celui de Dunkerque. Aujourd’hui, il s’agit aus­si d’intégrer ces procédés à une fil­ière dédiée.

On dis­tingue trois grandes familles de procédés. La pre­mière, le cap­tage en « post-com­bus­tion », con­siste à extraire le CO2 des fumées indus­trielles de com­bus­tion de ressources fos­siles (bois, gaz naturel, pét­role et char­bon) à l’aide d’un solvant qui présente une affinité pour les molécules de CO2. Posi­tion­née en aval des proces­sus indus­triels, cette tech­nolo­gie peut être mise en œuvre sur des instal­la­tions préex­is­tantes et appliquée au traite­ment des fumées d’industries divers­es. Si le taux de cap­tage dépasse les 90 % du CO2 émis, elle s’accompagne néan­moins d’une forte « pénal­ité énergé­tique » req­uise lors de la sépa­ra­tion du CO2 du solvant, ce qui entraîne un coût de mise en œuvre élevé, soit entre 10 et 100 € par tonne de CO2 évité (et donc non émis).

La sec­onde famille, dite de cap­tage en « oxy-com­bus­tion », con­siste à réalis­er une com­bus­tion en présence d’oxygène (presque) pur, plutôt qu’à l’air. Le gaz de com­bus­tion ain­si pro­duit est con­sti­tué presque exclu­sive­ment de vapeur d’eau et de CO2. Il est alors beau­coup plus sim­ple d’extraire le CO2 que lorsqu’il est dilué dans l’azote de l’air. Cette tech­nolo­gie présente ain­si une pénal­ité énergé­tique plus faible, mais néces­site un rétro­fit de la cham­bre de com­bus­tion. Elle est donc envis­agée pour cer­taines appli­ca­tions, comme les cimenter­ies, et pour de nou­velles unités de con­ver­sion des com­bustibles bio­masse et fossiles.

La troisième famille enfin, dite de cap­tage en « pré­com­bus­tion », con­siste à extraire le CO2 en amont de la com­bus­tion en trans­for­mant le com­bustible ini­tial en un « gaz de syn­thèse » : il s’agit de gazéi­fi­er le com­bustible pour obtenir un mélange de CO + H2O, puis d’opérer une trans­for­ma­tion chim­ique pour obtenir un mélange CO2 + H2 et enfin d’extraire le CO2 par solvant. La mise en œuvre de ce procédé néces­site d’être inté­grée en amont, au moment de la con­struc­tion de l’unité industrielle.

Ce procédé per­met de cap­tur­er le CO2 au niveau d’installations indus­trielles, mais aus­si de retir­er du CO2 présent dans l’atmosphère comme sur le site d’Orca en Islande (qui devrait capter env­i­ron 4 000 tonnes par an).

Com­ment trans­porter du CO2 et le stocker ?

Plus en aval de la chaîne, le CO2 se trans­porte au même titre que le gaz naturel, par gazo­duc, train ou bateau, en fonc­tion de la quan­tité de CO2 à trans­porter et de la dis­tance. Les infra­struc­tures de trans­port et de stock­age ne posent donc pas de prob­lème tech­nique par­ti­c­uli­er, mais il faut les sécuris­er et assur­er leur main­te­nance, comme l’exige tout équipement industriel.

Ensuite, le CO2 cap­té est stocké dans d’anciens gise­ments d’hydrocarbures ou des roches poreuses (aquifères salins pro­fonds). Le CO2 est injec­té sous forme dense à une pro­fondeur d’au moins 800 mètres. Il est alors piégé par des mécan­ismes chim­iques et géologiques : dis­so­lu­tion dans la saumure (eau salée) présente dans les roches, immo­bil­i­sa­tion dans les pores des roches, puis, à terme, minéralisation.

Les capac­ités de stock­age souter­rain en Europe sont grossière­ment estimées à 300 mil­liards de tonnes, soit l’équivalent de 100 ans d’émissions mon­di­ales en 2019, mais il faut encore con­firmer ces capac­ités et l’intégrité des sites pour que les pro­jets opéra­tionnels de stock­age du CO2, comme celui de North­ern Lights, puis­sent voir le jour.

Les sites de stock­age font l’objet d’une sélec­tion rigoureuse afin de garan­tir la péren­nité et la sécu­rité du stock­age sur le long terme (migra­tion du CO2 hors du site de stock­age). Les opéra­tions de stock­age s’accompagnent d’un pro­to­cole de sur­veil­lance qui intè­gre, entre autres, un suivi géo­physique du com­porte­ment du CO2 dans le sous-sol, des mesures de gaz et des prélève­ments en pro­fondeur dans le sous-sol et en sur­face, une sur­veil­lance des événe­ments micro­sis­miques, etc.

Quels mod­èles économiques pour le déploiement de ces technologies ?

Le béné­fice du déploiement de ces fil­ières est essen­tielle­ment lié à la réduc­tion des émis­sions de CO2, à laque­lle les marchés du car­bone par exem­ple (sys­tèmes de quo­tas d’émission) don­nent une valeur économique : le cap­tage, le trans­port et le stock­age ou la val­ori­sa­tion ne sont pas des tech­nolo­gies indépen­dantes les unes des autres, mais les mail­lons d’une même chaîne de valeur.

C’est pourquoi le déploiement de la fil­ière doit être coor­don­né dans le temps et sur un ter­ri­toire volon­taire au moyen d’investissements dans des pro­jets opéra­tionnels mutu­al­isés à l’échelle de la France et de l’Europe. Le déploiement de « hubs CO2 » – des réseaux col­lec­tant le CO2 émis par dif­férentes indus­tries et mutu­al­isant les infra­struc­tures de trans­port et de stock­age – s’anticipe. C’est le cas par exem­ple des Hauts-de-France et de la Nor­mandie, qui tra­vail­lent au développe­ment d’un hub pour le cap­tage et le trans­port du CO2, et du pro­jet North­ern Lights, qui œuvre pour sa part à un pro­jet com­mer­cial de trans­port et de stock­age du CO2.

Élaborés dans le cadre de pro­jets de recherche européens tels que Strat­e­gy CCUS sur la base de fac­teurs tech­niques (vol­umes de CO2 impliqués, zones géo­graphiques con­cernées, usages pos­si­bles du CO2 à prox­im­ité des lieux de cap­ture, lieux de stock­age pos­si­bles) et envi­ron­nemen­taux (via les méthodolo­gies d’analyse de cycle de vie), les scé­nar­ios pren­nent aus­si en compte des fac­teurs économiques et soci­aux, tels que la créa­tion d’emplois et les préoc­cu­pa­tions des com­mu­nautés locales, qu’il est impératif d’associer au plus tôt à la con­struction d’un projet.

L’enjeu est aujourd’hui de créer les con­di­tions pour per­me­t­tre le déploiement de la fil­ière du CCUS à grande échelle dès 2030. Si les tech­nolo­gies sont là, des mécan­ismes de sou­tien financier et un cadre régle­men­taire sont néces­saires pour accélér­er la mise en place de la fil­ière. En l’état actuel des esti­ma­tions, le prix du quo­ta de car­bone émis est encore inférieur aux dépens­es que les indus­triels devraient engager pour inve­stir dans ces instal­la­tions, soit entre 50 et 180 € par tonne de CO2 évité.

Légende de a pho­to ci-dessus : Transocean Enabler. North­ern Lights. Pho­to : Transocean / Woldcam. 

À propos de l'auteur

Florence Delprat-Jannaud

Responsable de programme Captage et stockage du CO2, IFP Énergies nouvelles.

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