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Le piégeage du carbone est il une solution miracle ?

Grégory Launay - Dernière mise à jour : 10 janvier 2010

 

De quoi parle-t-on, pourquoi en parle-t-on ?

Derrière les véhicules électriques ou les véhicules à hydrogène se cache un modèle de mobilité dans lequel un vecteur énergétique universel (l’électricité ou l’hydrogène) serait fabriqué à partir de différentes sources, sans carbone si possible.

Parmi ces sources on compte bien évidement les énergies renouvelables (hydraulique, biomasse, solaire, éolien, etc.), l’énergie nucléaire, mais aussi les énergies fossiles dont les émissions de carbone seraient évitées par un procédé de piégeage du CO2 contenu dans les gaz de combustion. Le CO2 piégé devrait alors être transporté puis stocké dans des « réservoirs » appropriés.

L’utilisation d’un tel procédé à grande échelle permettrait de tordre le coup au problème de disponibilité énergétique à court terme (en tapant allégrement dans les réserves de charbon et de gaz) et de faire ainsi rouler des voitures sans émettre de CO2. Génial non ? Pour le savoir commençons par détailler les trois étapes de mise en œuvre : le piégeage, le transport et le stockage.

 

Les techniques, explication de texte

Le but du piégeage est de séparer le CO2 des autres éléments qui composent les gaz de combustion (eau, azote, oxydes d’azote et de souffre, etc.) et de fournir ainsi un flux concentré de CO2 (le plus pur possible) sous haute pression. Des techniques diverses existent, citons les principales :

  • l’absorption par solvants (de type amine)
  • l’utilisation de membranes de séparation
  • la séparation cryogénique
  • l’utilisation du cycle calcium (production de calcaire par absorption par de la chaux vive)

Certaines de ces techniques sont déjà utilisées industriellement pour la fabrication d’ammoniac (séparation du H2 et du CO2) et pour la purification du gaz naturel. La technique par solvant est la plus répandue. Elles sont d’autant plus efficaces que la concentration du CO2 dans les gaz de combustion est élevée … ce qui n’est pas le cas dans les centrales actuelles (elle est en général inférieure à 15% en volume, c’est l’azote qui occupe le plus de place).

Ramené à la problématique d’une centrale énergétique on présente les procédés de piégeage sous trois techniques différentes.

La plus simple est dénommée technique de postcombustion. Elle correspond à la simple application des techniques précédentes à la sortie d’une cheminée.

Une seconde est appelée technique d’oxycombustion. Elle consiste à brûler le combustible non pas avec de l’air mais avec de l’oxygène pur, ce qui augmente la concentration de CO2 dans les gaz brûlés (entre 15 et 60% en volume) et facilite ainsi la séparation du CO2. L’étape de piégeage est donc facilitée au prix d’une séparation préalable de l’oxygène et de l’azote présents dans l’air. Cette technique est aujourd’hui au stade expérimental.

Enfin la technique de précombustion. Elle consiste à capter le carbone avant la combustion, en séparant l’hydrogène et le carbone contenu dans le combustible fossile. Le CO2 peut alors être piégé tandis que l’hydrogène est utilisé comme vecteur énergétique.


Détail de différences procédées de piégeage du CO2 - Source : GIEC, 2005

Ce graphique résume les différentes techniques. Une fois piégé le CO2 doit être compressé pour pouvoir être transporté.

Le transport peut être réalisé par gazoduc (à 80 bars), par bateau (sous forme gazeuse ou liquide) ou camion citerne (sous forme liquide). Le gazoduc est de loin la solution la moins chère, le bateau reprenant l’avantage sur les très grandes distances (> à 1000 km). La solution par camion n’est clairement pas adaptée à des gros débits. Rien de nouveau ici, tout cela est faisable et d’ailleurs fait depuis longtemps pour d’autres besoins (gaz naturel et gaz de pétrole liquéfié notamment).

Passons enfin au stockage. Il s’agit bien ici de stocker de très grandes quantités de CO2 pour de très longues périodes de temps (on parle de plusieurs dizaines de gigatonnes sur plusieurs siècles). Trois pistes sont aujourd’hui évoquées : l’injection dans des formations géologiques, le dépôt dans les couches profondes des océans et la fixation industrielle dans des carbonates inorganiques.

Le dépôt dans les océans consiste à injecter le CO2 sur les fonds marins très profonds (> 3000 mètre de profondeur). Plus lourd que l’eau, il formerait un lac liquide de grande profondeur ne se mélangeant pas (ou très peu) à l’eau environnante. De nombreux risques étant supposés, cette solution n’est pas très étudiée aujourd’hui.

La fixation solide consiste à fixer le carbone sous forme de calcaire. Il pourrait être stocké ainsi ou utilisé comme matière première dans l’économie (pour la construction de routes par exemple). Cette solution n’est pas non plus très étudiée car, comme souvent dans les démarches de recyclage, elle est consommatrice d’énergie … et donc coûteuse.

Reste le stockage géologique qui est LA solution intéressante. Il peut se faire dans différents types de « réservoirs géologiques ».

Tout d’abord les gisements épuisés de gaz et de pétrole. Ils constituent des cavités étanches et sont de fait des zones de stockage.

On parle ensuite des veines de charbon inexploitées (trop profondes, trop fines, etc.). Le CO2, injecté sous pression, y serait absorbé par le charbon.

Enfin les réservoirs à plus gros potentiels sont les aquifères salins. Ce sont des nappes souterraines d'eau salée situées à grandes profondeurs. Ces réserves, qui ne sont exploitables ni pour l’irrigation ni pour de l’eau potable, offrent des capacités de stockage gigantesque, de 400 à 10 000 milliards de tonnes d'après l’agence internationale de l’énergie. Ces zones de stockage offrent en plus une bonne répartition géographique à la surface du globe. Ces sites restent aujourd’hui mal connus, un effort de recherche important doit encore être mené pour caractériser ces sites et préciser leur comportement à long terme.

Au global, les capacités de stockage géologique sont estimé entre 1 000 et 10 000 milliards de tonnes de CO2. Ce chiffre, comparé aux 30 milliards de tonnes émises annuellement, montre que le potentiel est grand. Le graphique suivant résume l’ensemble de la chaîne.


Schéma global d’installations de piégeage et de stockage du CO2 - Source : GIEC, 2005

Les solutions techniques sont diverses, plus ou moins adaptées aux centrales existantes, et ont des degrés de maturité très variables. Certaines techniques sont largement employées dans des marchés bien établis, tel celui du pétrole ou du gaz naturel, tandis que d’autres en sont encore au stade de la recherche. On retient que globalement les techniques semblent abordables, les lieux de stockage suffisants.

 

Quel potentiel, quelles limitations ?

L’efficacité du piégeage, sensiblement identique pour toutes les technologies, est de l’ordre de 80/90% de CO2 évité. Le potentiel de contribution de cette technologie à la contrainte climatique est donc colossal.

Il y a en revanche une limitation de taille. Elle concerne le coût énergétique des ces installations qui varient de 10 à 40% des besoins de base de la centrale selon la technologie mise en œuvre et les caractéristiques de l’installation (taille, vétusté, etc.).

Piégeage et stockage du CO2 émanant d’une centrale électrique - Source : GIEC, 2005

Ce schéma résume le résultat de la mise en œuvre d’un tel procédé. La consommation énergétique de la centrale augmente (et donc des émissions de CO2 de base) mais les émissions de CO2 totales diminuent drastiquement.

Bien évidement cette mise en œuvre a aussi un coût, estimé entre 40 et 70 $ la tonne de CO2. Pour les centrales électriques cela correspond à une augmentation moyenne du coût de production de 50% (suivants les technologies les chiffres vont de 20 à 85%). Ce chiffrage concerne des installations nouvelles. Peu d’études ont évalués le coût d’adaptation du parc existant (c’est un point crucial pour un déploiement de masse). D’après le GIEC les quelques études réalisées concluent à des baisses du rendement plus marquées et des coûts plus élevés que sur des installations neuves.

 

Quel serait alors le potentiel global de cette technologie ?

Au regard des technologies « industrielles » mises en œuvre, le piégeage du CO2 ne peut être pensé que pour de gros sites industriels : centrales électriques, raffineries, cimenteries, etc. L’application directe sur les pots d’échappement des voitures n’est pas pour tout de suite … !

Le GIEC a listé les sources concentrées potentiellement candidates (celles donc les émissions annuelles de CO2 sont supérieures à 0,1 million de tonnes).

Liste des grandes sources fixes mondiales de CO2 qui libèrent plus de 0,1 million de tonnes de CO2 par an – Source : GIEC - 2005

Cette synthèse montre que 13,5 Gtonnes de CO2, soit 60% des émissions liés à la combustion d’une ressource fossiles, peuvent théoriquement être candidates à l’application de la technologie (à l’époque de ces chiffes les émissions totales représentaient 23 GtCO2 et non 28). Le potentiel global de cette technologie est donc colossal.

Une fois ce constat fait, le problème réside bien dans les investissements et le temps nécessaire au déploiement d’une telle technologie. On ne remplace pas 60% des installations industrielles mondiales, produits de deux siècles de révolutions industrielle, en claquant des doigts. Cela est d’autant plus vrai qu’une grande partie des efforts à faire le sont dans des pays en voie de développement (là où sont parties les usines et là ou l’électricité est faite au charbon).

Le GIEC à listé dans un premier temps les installations pour lesquelles un déploiement pourrait être très rapide. Ce sont celles pour lesquelles les émissions de CO2 ont déjà des concentrations supérieures à 95%, qui sont porche de lieux de stockage (moins de 50 km) et qui seraient économiquement rentables aux conditions actuelles (pour de la récupération assistée de pétrole notamment). Les sources répondant à ces critères correspondaient en 2005 à 360 Mt CO2 par an … c’est un bon début mais ce volume reste dérisoire au regard de la taille du problème !

A plus long terme, seule l’imagination limite les scenarios possibles. La vitesse de déploiement dépendra des conditions politiques (et donc économiques) qui seront mise en place. A l’horizon 2050, selon les scénarios du GIEC, 20 à 40% des émissions mondiales de CO2 émanant de combustibles fossiles pourraient convenir au piégeage sur le plan technique.

 

Alors, quelles conclusions ? Solution miracle ou mirage ?

Il faut tout d’abord bien comprendre que ce n’est pas une solution miracle. Le temps de mise en œuvre de plusieurs dizaines d’années en limite forcément l’intérêt alors même que le pic de production des énergies fossiles devrait arriver avant la fin de ce siècle. D’un point de vue des ressources fossiles, cette technologie aggrave même le problème puisqu’elle dégrade les rendements des installations équipés … et augmente donc le besoin en approvisionnement énergétique.

En revanche, si la faisabilité technologique à grande échelle se confirme, il est clair cette technologie permet de dégager des marges de manœuvre importantes. Pour l’automobile une électrification du parc associé à cette technologie a forcément du sens. Les principaux freins étant alors le temps de mise en œuvre et les coûts associés (l’AIE parle de plusieurs centaines de milliards par an).

Si cette technique n’est en aucun cas « LA » solution au problème, elle peut apporter une contribution significative. C’est ce que résument les scenarios du GIEC en indiquant qu’elle pourrait contribuer à hauteur de 20 à 40% des réductions d’émissions en 2050.

Poids de la technologie PSC dans les scenarios de réduction des émissions de CO2 – Source : GIEC, 2005

Voici un scenario de l’Agence International de l’Energie qui, comme le GIEC, considère cette technique comme une partie des solutions à apporter à la réduction des émissions de CO2.

Poids de la technologie PSC dans les scenarios de réduction des émissions de CO2 – Source : Agence Internationale de l’Energie, 2008

 

Les projets existants ?

Tout où partie de ces techniques sont déjà utilisés industriellement en de rares points du globe. Citons notamment une usine norvégienne de traitement du gaz naturel en mer du Nord, une opération de récupération assistée du pétrole au Canada, une centrale au charbon au Danemark, une en Allemagne, un site pilote en France (à Lacq, dans le sud ouest). Le CO2 ainsi récupéré se monte à quelques millions de tonnes par ans ce qui n’est pas significatif.

De nombreux projets de recherche ont également été lancés depuis le début des années 2000, par l’Union européenne bien sure mais aussi par le Canada (pour l’exploitation des sable bitumineux de l’Alberta) et surtout par la Chine et les Etats-Unis. En plus d’être les plus gros consommateurs d’énergie, ces deux pays possèdent des réserves de charbon très importantes … il est très tentant pour eux d’en faire une énergie propre.