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Perspectives et limites des technologies de capture et séquestration / réutilisation de CO2, le 30 mars 2021

L'AFITE organisait, le 30 mars 2021, une visioconférence sur le thème "Perspectives et limites des technologies de capture et séquestration / réutilisation de CO2", avec Fabrice DEL CORSO, Expert international Production des gaz & Énergie chez Air Liquide.

 

Perspectives et limites des technologies de capture et séquestration / réutilisation de CO2

Visioconférence organisée par l’AFITE le mardi 30 mars 2021 de 9h00 à 10h30

Avec Fabrice DEL CORSO, Expert international Production des gaz & Énergie, Air Liquide

Les techniques de captage stockage et utilisation du CO2 sont mises en oeuvre depuis des décennies (à des échelles unitaires de quelques dizaines à quelques centaines de milliers de tonne de CO2 par an), en Europe, Amérique et Asie/Océanie. Dans le contexte de la transition écologique et face à la nécessité de réduire les émissions de CO2, de nouveau projets industriels sont lancés avec un changement d'ordre de grandeur des quantités de CO2 captées (plusieurs millions de tonne par an par projet) sur les grands sites et/ou cluster (zones industrielles) émetteurs de CO2.

Dans les années 2000, le département recherche et développement d'AIR LIQUIDE a conçu des pilotes et démonstrateurs technologiques autour de cette filière. C'est à cette occasion que Fabrice DEL CORSO s'est intéressé à cette technologie.

Les clients d'AIR LIQUIDE sont des acteurs de la santé et de l'industrie. L'ensemble de l'industrie est représenté, depuis les plus énergo-intensifs, comme l'acier, le raffinage ou la chimie jusqu'aux secteurs tels que l'automobile, l'assemblage, l'agro-alimentaire ou la pharmacie.

Le groupe compte près de 67 000 salariés dans 80 pays et génère un chiffre d'affaires de près de 22 milliards d'Euros. Environ 10 % de son activité est réalisée en France.

AIR LIQUIDE, est un acteur de la chaîne de valeur CCUS (Carbon Capture Utilization and Storage), il est lui-même émetteur de CO2 sur ses unités de production d'hydrogène ou de cogénération et met en œuvre la capture du CO2 sur ses sites. Il joue également un rôle d'agrégateur, en proposant à ses clients le captage, la purification et la liquéfaction de CO2. Il propose des prestations de transport et de distribution du CO2. Enfin, l'entreprise dispose de stockage sur des terminaux portuaires pour le transport par Bateau.

 

Contexte énergétique et climatique mondial

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Réservoirs et flux de CO2 au cours des années 2009-2018

Note : ce graphique présente : (i) entre crochets, la taille des réservoirs aux temps préindustriels en milliards de tonnes de CO2 en noir et leur variation sur la période 1750-2011 en rouge ; (ii) sous forme de flèches, les flux de carbone entre les réservoirs en milliards de tonnes d'équivalent CO2 par an. Les flux préindustriels sont en noir. Ceux qui sont liés aux activités anthropiques entre 2009 et 2018 sont en rouge.

Sources : d'après Giec, 1er groupe de travail, 2013 et The Global Carbon Project, Global Carbon Budget, 2019

 

Le schéma proposé par le GIEC synthétise les perturbations du cycle du carbone liées à l'activité humaine.

Il existe des solutions technologiques ou sociétales pour réduire cet impact anthropique.

 

Place de la capture et séquestration ou valorisation du carbone dans (CCUS) dans les technologies pour réduire les émissions de CO2

Au niveau mondial, l'Agence Internationale de l'énergie (IEA), estime que le CCUS peut capter 8 à 10 % du CO2 émit à l'horizon 2050.

Le CCUS concerne des grandes sources centralisées de CO2 : centrales thermiques de production électricité, grands sites industriels... sur lesquels le CO2 émis est capté, purifié, puis transporté jusqu'à un stockage géologique afin d'être stocké à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de mètres de profondeur. Le stockage peut être off-shore ou on-shore, mais la plupart des projets européens concernent des projets off-shore.

Parmi les sources de CO2, on distingue généralement deux catégories :

  • le CO2 anthropogénique (ou fossile), issu de la combustion de ressources fossiles ou des procédés industriels tels que la calcination du ciment, la réduction du fer en sidérurgie, ou la production d'hydrogène. Les taux de CO2 en sortie de cheminée sont de l'ordre de 15 % dans le cas de combustion à l'air, et peuvent varier de 15 à 95 % dans l'industrie, suivant les procédés utilisés. Une partie du CO2 est également extraite du sous-sol lors de l'extraction du gaz naturel. Le gaz peut contenir quelques dizaines de pourcents de CO2, qui est séparé et rejeté à l'air, sauf en Norvège, qui possède deux gisements dans lesquels le CO2 est réinjecté dans des stockages géologiques.

  • CO2 issu de l'atmosphère, contenu dans l'air en quantité très faible (~400 ppm = 0,04vol%) et que l'on retrouve dans la biomasse (CO2 biogénique)

Le bilan carbone du captage de CO2 à partir d'une unité industrielle, jusqu'au stockage est généralement très positif.

La source de CO2 éligible à la capture du carbone peut être plus ou moins concentrée, mais elle doit être importante (de plusieurs dizaines de milliers à plusieurs millions de tonnes de CO2 par an)

Cette technologie n'est pas envisageable sur une automobile, sur une chaudière individuelle, ni même une chaudière collective. Sont concernées les unités de production d'énergie à partir d'énergie fossile et toutes les émissions industrielles de CO2,à partir du moment ou les quantités émises sont suffisamment élevées.

Deux secteurs sont particulièrement intéressants : la production du ciment et la production d'acier, car il s'agit d'installations de grande taille, et leurs émissions sont en général concentrées en CO2. Par ailleurs les émissions de CO2 des cimentiers proviennent pour deux tiers de la décarbonatation du calcaire. De nouvelles technologies de production de ciments « bas carbone » sont en cours de développement, mais le CCUS permet de réduire les émissions des installations existantes dès à présent.

 

Les utilisations du CO2

Il existe aujourd'hui un marché du CO2, qui permet d'avoir des statistiques assez précises, qui représente environ 80 millions de tonnes de CO2 par an. Les deux tiers sont utilisés pour la récupération assistée des hydrocarbures. Cette technique utilisée essentiellement aux États-Unis et au Canada consiste à injecter du CO2 dans un gisement de pétrole afin d'améliorer le déplacement du pétrole vers le puits d'extraction.

Environ 1/5 du CO2 est utilisée par l'agro-alimentaire, une partie pour la réalisation des boissons gazeuses, l'autre étant utilisée dasn d'autres applications comme des atmosphères protectrices, des serres, du traitement des eaux ,...

Une grosse part du CO2 est également utilisée directement par leurs producteurs pour fabriquer de l'urée ou du carbonate de sodium. Cela représente entre 100 et 200 millions de tonnes par an.

Au total, cela représente moins de 300 millions de tonnes de CO2, à comparer avec les émissions mondiales d'environ 32 milliards de tonne par an. Moins de 1 % des émissions mondiales est actuellement utilisé.

La molécule de CO2 est très stable, et si des recherches sont en cours pour de nouvelles utilisations du CO2, les perspectives mondiales en matière de réutilisation du CO2 sont limitées.

Par ailleurs, la réutilisation du CO2 n'est pas nécessairement plus vertueuse que le stockage géologique sur le plan environnemental, car une partie du CO2 réutilisé est finalement rejeté à l'atmosphère assez rapidement après usage.

Notons le cas particulier de la récupération assistée des hydrocarbures par injection de CO2, pour lequel on estime qu'environ 95 % du CO2 injecté reste piégé dans le gisement d'hydrocarbure (en 2014, 80 % du CO2 utilisé pour cet usage était issu de gisements naturels de CO2, seulement 20 % est d'origine industrielle).

AIR LIQUIDE dispose d'une vingtaine d'usines en Europe qui produisent chacune 50 000 à 100 000 tonnes de CO2 par an. Les sites de production sont installés à proximité de sites industriels sources de CO2, très concentrée dans la plupart des cas (> 95%). Il peut s'agir de sites de production d'ammoniac, de bioéthanol, ou d'hydrogène. Le CO2 est purifié, liquéfié, et transporté jusqu'au client final par camion, train, ou bateau dans une moindre mesure. Il existe certains sites en Europe qui disposent de pipelines pour le transport du CO2.

 

Les projets de capture et stockage du carbone (CCS) dans le monde

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Stades de développement des projets de Capture et stockage de carbones dans le monde

Source : « Global Status of CCS Report 2020 » - Global CCS Institute

 

La plupart des projets matures sont localisés en Amérique du Nord (Il s'agit principalement récupération assistée des hydrocarbures), mais également au Brésil, au moyen Orient, en Australie et en Chine.

En Europe les deux plateformes Sleipner et Snøhvit fonctionnent au large de la Norvège depuis plusieurs années. Il s'agit de gisements de gaz naturel off-shore. Le CO2 est séparé du gaz et réinjecté dans une formation géologique adjacente (aquifère salin). Deux autres projets : Northern lights en Norvège et Porthos au large de Rotterdam sont également très avancés. Ils seront dédiés au stockage d'émissions de CO2 industrielles. La Grande-Bretagne a lancé plusieurs projets en Mer du Nord. Enfin, dans le sud de l'Europe, un projet est en cours en Italie. Les pays en pointe sont la Norvège, les Pays-Bas et la Grande-Bretagne, mais d'autres pays Européens, tels que la Belgique, commencent à considérer le CCS comme une priorité nationale et vont probablement accélérer sur cette technologie dans les prochaines années.

 

Les capacités de stockage du CO2 et coûts

Au niveau mondial, on estime que la capacité de stockage géologique du CO2 est équivalente à plusieurs dizaines, voire centaines d'années d'émission, même s'il y a de grandes disparités en fonction des zones géographiques considérées et cela pourrait poser des problématiques de transport du CO2.

Les coûts de captage dépendent des procédés et des concentrations de CO2, ils varient de 10/20 € / tonnes pour les sources les plus concentrées à plus de 100€/t pour les sources diluées, auquel il faut ajouter de 30 à 90 €/ tonne pour les coûts de transport et stockage.

Globalement, on estime à 100 à 150 € la tonne de CO2 évitée, en prenant en compte les émissions induites par les opérations de purification et de transport.

A titre de comparaison, pour une unité de production d'hydrogène par électrolyse en France, on estime à environ 350 à 500 € la tonne de CO2 évitée. Cela peut faire des progrès dans les années à venir mais aujourd'hui le CCS est compétitif.

Les Pays-Bas ont mis en place un mécanisme qui finance des tonnes de CO2 évitées quelle que soit la technologie utilisée. Dans ce cadre, le CCS est dans de nombreux cas la technologie retenue.

Cela présente également l'avantage de nécessiter très peu de modification dans le procédé lui-même, ce qui n'est pas le cas lorsqu'on envisage un passage à des énergies propres, qui peut demander de très gros investissements.

 

Technologies de captage

Dans le cas de la combustion d'énergie fossile, il existe trois principales technologies :

  • la post-combustion (la plus mature et la plus largement déployée car elle peut s'intégrer sans modification aux installations existantes) : la combustion est réalisée à l'air et le procédé, en sortie de cheminée vise à séparer la vapeur d'eau et l'azote du CO2

  • l'oxycombustion : combustion du combustible avec de l'oxygène afin d'obtenir une fumée plus concentrée en CO2 (l'extraction de l'oxygène de l'air est réalisée avant la combustion, ce qui évite d'avoir à extraire l'azote après la combustion)

  • la pré-combustion ou gazification : le combustible est oxydé en amont avec de la vapeur et/ou de l'oxygène afin de capter le CO2 avant même la phase de combustion.

 

En fonction de la technologie retenue, de la concentration en CO2 en sortie de procédé, et de la pureté du CO2 que l'on souhaite obtenir, plusieurs procédés sont envisageables pour séparer le CO2.

Lorsqu'on souhaite transporter le CO2 sur de longues distances, il est nécessaire d'obtenir du CO2 concentré à plus de 90 %. Pour un transport de courte distance ou une utilisation sur place, on peut se contenter de CO2 pur à 70 ou 80 %.

Les familles de technologies existantes sont les suivantes :

  • ABSORPTION : le CO2 est extrait sélectivement à l'aide d'un solvant chimique, généralement à base d'amines, qui est ensuite régénéré par apport énergétique.

  • ADSORPTION : le CO2 est adsorbé sélectivement sur un solide microporeux de type charbon actif qui est régénéré par apport énergétique ou par baisse de pression.

  • SÉPARATION MEMBRANAIRE : le CO2 est séparé à l'aide d'une membrane poreuse sélective.

  • DISTILLATION CRYOGÉNIQUE : Le procédé permet la liquéfaction des gaz à basses températures et la séparation du CO2 par distillation. Il permet d'obtenir du CO2 très pur, mais nécessite une consommation énergétique très élevée.

 

La technique la plus utilisée dans le cas de source de CO2 peu concentrée (10 à 15%) est l'absorption. À partir de 15 % on pourra utiliser aussi l'adsorption ou la séparation par membranes, et pour obtenir une très forte pureté de CO2, on peut combiner l'une de ces technologies avec la distillation cryogénique, ou utiliser cette technologie seule si la source de CO2 est déjà très concentrée (Oxycombustion par exemple).

 

Transport du CO2

Le transport du CO2 peut se faire par divers moyens, en fonction de volumes, sous forme liquide, à une pression d'environ 15 bars, par containers ou camions, avec des capacités de 7 à 20 tonnes, wagons avec des capacités de 50 à 60 tonnes, transports fluviaux (1 000 à 5 000 t) ou maritimes (8 000 à 10 000 t). Pour des plus gros volumes, des pipelines off-shore ou on-shore peuvent être envisagés pour le transport du CO2 sous forme gazeuse comprimée, ou supercritique (> 80 bars)

Une rotation de train permettrait de transporter 400 kt par an de CO2 sur quelques centaines de kilomètres. Deux rotations peuvent donc transporter l'ensemble des émissions d'une grosse usine type cimenterie.

La présentation de Fabrice DEL CORSO s'est poursuivie par de nombreux échanges avec les participants.

La sécurité du stockage a notamment été évoquée. En effet, la question des risques sanitaires et environnementaux en cas de fuite focalise l'opposition à la mise en place du stockage géologique de CO2. Sur ce point, Fabrice DEL CORSO, précise qu'il n'est pas géologue lui-même et qu'il s'en remet à leur expertise. Par ailleurs, AIR LIQUIDE n'est pas opérateur en matière de stockage et confie cette mission à des sociétés spécialisées telles de TOTAL, SHELL, EQUINOR... Il faut noter que s'il n'existe pas aujourd'hui de stockage souterrain de CO2 en France bien que la réglementation soit en place. Il existe cependant des sites de stockages géologiques de gaz naturels permettant le stockage saisonnier de gaz naturel. Le risque lié à ces stockages semble aujourd'hui bien géré. Les échelles de temps ne sont pas les mêmes et cela sera pris en compte dans les études de risques, mais des fuites de méthane seraient plus préoccupantes, à la fois pour la sécurité et pour le climat, car le méthane a un pouvoir de réchauffement global 30 fois plus élevé que le CO2...

 

Pour en savoir plus :

  • Air Liquide : https://www.airliquide.com/fr
  • Club CO2 : https://www.club-co2.fr/
  • AVIS de l'ADEME - Captage et stockage géologique de CO2 (CSC) en France (Juillet 2020) : https://bit.ly/3avkVGm
  • ZEP (European Zero Emissions Technology & Innovation Platform) : https://zeroemissionsplatform.eu/
  • AIE (Agence internationale de l'énergie) : http://www.iea.org/topics/ccs/
  • Global CCS Institute : https://www.globalccsinstitute.com/

 


Publié le 26/04/2021




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