Captage, transport et stockagegéologique du CO2
Pierre Le ThiezDirecteur général adjoint, GEOGREEN
CaptageCaptageStockageStockage
TransportTransport
12/06/08
Sommaire
• Contexte climatique et énergétique mondial• Le captage du CO2
• Le transport du CO2
• Le stockage géologique du CO2
• Le déploiement industriel• Conclusions perspectives
Les Gaz à Effet de Serre
55%
15%
4%
21%
3%
CO2
CH4
N2O
CFC
SF6
Contribution à l’effet de serre additionnel
Facteurs à prendre en compte :-Pouvoir de Réchauffement Global (PRG)-Durée de vie du gaz dans l’atmosphère-Quantité de gaz émis annuellement-…
Concentration de CO2
Variations des concentrations de CO2 dans l’atmosphère - Projection à 2100 (source GIEC 2001)
Concentration pré-industrielle : 275 ppmConcentration en 2007 : 380 ppmConcentration prévue en 2020 : 420 ppm
Réchauffement ?
Acidification des océans !
Flux et stocks de carbone
Atmosphère
750
+ 4 /an
Océans
40000Activité
humaine
Biomasse
2000
Volcans
90
90 + 2
8 110
110 + 2
0,03
Ressources fossiles
5000
Stocks en Gt C Flux en Gt C/an
Source LEPT/GDF
Sources anthropiques de CO2
Transport 22%
Résidentiel et Industrie33%
Autres12%
Sources mobiles
- Emissions de CO2 importantes- Sources fixes
Emissions anthropiques : 30 Gteq CO2 / an(8 Gt de carbone / an)
Production d'électricité33%
(37 Gt CO2 / an en 2030 – AIE)
Scénarios d'émissions
Source IPCC
1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090
0
10
20
30
40
50
60
Scénarioavec réductions
ScénarioDe référence
Émissions (Gt CO2 )
Décarbonatation du mix éner.
Captage du CO2
Efficacité énergétique
1970 1990 2010 2030 2050 20700
10
20
30
40
50
60
Scénarioavec réductions
ScénarioDe référence
Émissions (Gt CO2 )
source : commission européenne
Scénarios d'émissions
Puits de carbone naturels
Carbone capturé
Fuel switch
Solaire, éolien, nucléaire
Biocarburants
Efficacité énergétique
2090
Augmentation max. de la température de2°C fin de siècle
Moyens de réduction techniques
Gestion du cycle du carbone
Evolution du mix énergétiqueCharbon, pétrole Gaz naturel Energies renouvelables
Maîtrise de l’énergieRendement énergétique !Utilisation rationnelle de l’énergie
Stocks naturels de carbone Techniques industrielles de captage et de stockage de CO2
Veinesde charbon
ECBM
Formations salines
Aquifères
Gisements déplétésde gaz et de pétrole
Opérations à valeur ajoutéeEOR, EGR
Ocean
Concepts avancés
Sources:Derived FromNETL & IEA Illustrations
Stockage dans l’océanCaptage & séparation
du CO 2
ECBMECBM
SSééquestration questration physiquephysique
Stockage géologique
Réduction des émissions de CO2les routes à suivre ...
AmAméélioration lioration de l'efficacitde l'efficacitéé
éénergnergéétiquetique
Utilisation Utilisation rationnelle de rationnelle de l'l'éénergienergie
Captage, Captage, transport et transport et stockage de stockage de
COCO22
DDéécarbonatation et carbonatation et mix mix éénergnergéétiquetique
DDééploiement du gazploiement du gaz
Incorporation des Incorporation des biocarburantsbiocarburants
NuclNuclééaireaire
Captage, transport et stockage (CTS)
• OU ? – Près des sources majeures de CO2 mais la question principale est de
savoir où sont les réels potentiels de stockage capables de stocker les volumes en jeu
• QUAND ?– Dès que possible au regard des scénarios « Business as usual »,
c’est maintenant une question urgente
• COMMENT ?– Incitations économiques– Réglementation adaptée– Pilotes industriels– Faibles coûts– Adhésion du public
(Source D. Bonijoly, BRGM)
Le captage du CO2
Principales options pour le captage
• Installations existantes• Large volumes de fumées diluées en CO2 et à pression atmosphérique
Combustion
FuelCryogenic distillation
orChemical looping
Air O2
H2 O
H2 OCondensation
CO2CO2 /H2 O
Metal recycling
"Oxy-combustion"
• Nouvelles installations, retrofit possible• Débit de gaz plus faibles avec du CO2 concentré
FuelCombustion
CO2
CO2 Extraction
Flue gases
Air
N2 /H2 O
"Post-combustion"
• Nouvelles installations• Route vers l'hydrogène
Air
H2 N2 /H2 O
CO2
Steam reformingATRPOx
Shiftreactor Extraction
CO2 CombustionFuel
02 /H2 0ATR : autothermal reformingPOx : partial oxidation
"Pre-combustion"
Toutes ces technologies sont indispensables et feront l'objet de démos dans la période 2010-2020
Principales options pour le captage
Séparation du CO2 par amines
absorber
stripper
treated gas
flue gas
10%vol CO2
lean amine
CO
2ric
h
CO
2le
an
decanter
CO2
rich amine
CASTOR project pilot plant
January - March 2006: MEA-testing for 1000 hrsSeptember - November 2006: 2nd MEA-testing for 1000 hrsMarch - June 2007: CASTOR1-testingSeptember - December 2007: CASTOR2-testing
Absorber
Desorber
Capacity: 1 t CO2/h
5000 Nm3/h flue gas(coal combustion)
In operation sinceearly 2006
Impact du captage sur le rendement
Item Bituminous coal GTCC Lignite DE
without Capture
CaptureIntegrated
without capture
CaptureIntegrated
without capture
CaptureIntegrated
Gross Capacity (MW, LHV) 600 600 393 393 1000 1000
Net poweroutput(MW)
575 442 385 325 920 646
Thermalefficiency,% (LHV)
45 34.0 56.5 47.6 49.2 34.5
CO2 emission(kg/MWh) 772 103 366 42 812 116
Le transport du CO2
Transport de CO2 alimentaire aux USA début 1900
Transport du CO2
! pas de réglementation spécifique
! transport sous forme supercritique
! risque de corrosion/hydrates
Aux USA: plusieurs milliers de km pour des actions de EOR, depuis 1980
Coût du transport :
• Diamètre
• Epaisseur
• Longueur
• Lieu de pose (on ou off-shore…)
Bateaux : pourraient être utilisés pour de longues distances, comme pour le transport de GPL ou autres gaz liquéfiés
Coûts du transport de CO2
05
1015
2025
3035
4045
50
0 100 200 300 400 500
Longueur de la canalisation (km)
Coû
t du
tran
spor
t (€/
t CO
2)
3 Mt CO2/an - on-shore
10 Mt CO2/an - on-shore
3 Mt CO2/an - off-shore
10 Mt CO2/an - off-shore
2 2 à 3 € par tonne de CO2 pour 100 km
• Gisements d'hydrocarbures déplétés
• Aquifères salins profonds
• Veines de charbon
Le stockage géologique du CO2
Potentiel de stockage du CO2
400 -
10 000 Gt
920 Gt
5 -
150 Gt
Pour la science
Bassins sédimentaires
Aquifers
Aquifers + HCReservoirs
after J. Bradshaw
Unfavourablezones
Assurer le confinement
Contrôler le stockageet ses environs
Optimiser le stockage
Modélisation numérique :
échelle régionale, tempslongs (1000 ans)
échelle locale, tempscourts (20-40 ans)
Techniques de contrôle :
Méthodes sismiques,traceurs, capteurs
Les enjeux techniques du stockage
! Sélection des sites adéquats
! Modélisation prédictive
! Techniques de surveillance
! Techniques de correction
! Normes
Les différents types de stockage• Gisements d'hydrocarbures (huile / gaz)
– " Structures piégeantes– " Etanches (aux gaz non réactifs)– " Objets bien connus– " Intérêt économique via EOR / EGR– # Inégalement répartis, volume unitaire souvent faible,
disponibilité• Aquifères salins
– " Grande capacité de stockage– " Eau non potable– " Largement répandus– # Généralement peu connus
• Veines de charbons (non exploitées)– " Récupération de méthane possible– # Volumes poreux et perméabilité faibles
Processus mis en jeu
Définir les critères de sécurité
!Source: Didier Bonijoly, BRGM
(Egermann et al., 2005)
Compact dissolution
75 m from the well
Worm holingNear borehole
Évaluation d’injectivité
X Y
Z
Injection de CO2 dans un aquifère stratifié
COORES (IFP)
X Y
Z
SG @ 1 year
0.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.05
X Y
Z
SG @ 2.5 years
0.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.05
X Y
Z
SG @ 5 years
0.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.05
X Y
Z
SG @ 10 years
0.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.05
X Y
Z
SG @ 15 years
0.60.5541670.5083330.46250.4166670.3708330.3250.2791670.2333330.18750.1416670.09583330.05
X Y
Z
SG @ 20 years
0.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.05
X Y
Z
SG @ 25 years
0.60.5541670.5083330.46250.4166670.3708330.3250.2791670.2333330.18750.1416670.09583330.05
Modélisation d’injection en aquifère
Comportement mécanique des failles lors de l’injection
~40 km~20 km
Scale : X10 up
faultModèle géomécanique
Gocad model
Geometric model with horizons and fault
CPG grid constrained by the fault
Abaqus
FE grid $ connectivity per block
Injection de CO2 dans un gisement
cap rock
Stockage en aquifère : Sleipner
• Le gaz naturel du gisement de Sleipner contient 9%
de CO2 dans le réservoir……les spécifications pour la
vente du gaz autorisent un maximum de 2,5%
• La décision de réinjecter le CO2 a été prise en 1991,
suite à l'introduction en Norvège d'une taxe sur les
émissions de CO2 de 50 €/tonne CO2 émise
• L'injection a débuté en septembre 1996 (1 Mt / an)
Stockage en aquifère : Sleipner
Sleipner A
Sleipner T
CO2Aquifère d'Utsira
Sleipner OuestFormation de Heimdal : gisement de gaz
Injection de CO2 - puits A16
Sleipner OuestPuits de production et d'injection
Monitoring géophysique à Sleipner
1994pre injection
20014.36 Mt CO2
19992.35 Mt CO2
2002
source R. Arts, 2004
Top Utsira
Base Utsira
EOR et stockage de CO2 à Weyburn
Regina
Estevan
Bismarck
WeyburnWeyburn
BeulahBeulah
North DakotaMontana
Manitoba
Saskatchewan
EdmontonEdmonton
CalgaryCalgarySaskatoonSaskatoon
ReginaRegina
AlbertaAlberta SaskatchewanSaskatchewan
CanadaCanada
USAUSA
5000 tonnes/day CO2 comingfrom a coal-gasification plantin Dakota - 320 km pipeline
Recovery of 130 million additional barrels of oil from a partially depleted reservoir using a CO2 miscible flood
EOR et stockage de CO2 à Weyburn
BP : projet "DF1 – Miller"
Centrale à hydrogène 350 MW
Capture pré-combustion, EOR en 2009
Shell-Statoil : Halten project
Centrale au gaz 860 MW – 2,5 Mt CO2 par an,capture post-combustion, EOR en 2012
Centrale à oxycombustion – Schwarze Pumpe
Pilote Oxycombustion et Stockage de Lacq
UN PILOTE DE DEMONSTRATION INDUSTRIELLE
– La faisabilité du revamping d'une chaudière existante– Le mise en oeuvre de 35MW d'oxycombustion– La production de 40t/h de vapeur associée – Le test de différents types de combustibles– Des traitements de fumées adaptées– Le transport et l'injection du CO2– Le stockage du CO2 dans un réservoir déplété (50 - 75
kt/an de CO2 injecté)
Unité productionoxygène
Chaudière existanteCH2
Brut Vic Gaz
commercial
ou
Traitement des fumées
Séparationincondensables
pompage
Réservoir déplété
Compressiondeshydratation
pompage
Récapitulatif
Gaz de Cheminée
Séparation transport
Couches géologiques
30 - 50 $/t
8 - 10 $/t
0.7 - 4 $/t par 100
km2 - 8 $/t
Compression
Injection
Capacité totale
Options de stockage Gt CO2
Part desémissions
cumulées en2050(%)
Gisements déplétésd’hydrocarbures 920 45
Aquifères profonds 400 – 10 000 20 - 500Mines de charboninexploitées 40 2
Des coûts à réduire
Des capacités à évaluer
20 $/t ?
Des actions politiques concrètes
Le point de vue d’une ONG
• Réduction des coûts• Inventaire et optimisation des capacités de stockage• Sûreté et pérennité du stockage• Élaboration d'un cadre réglementaire• Acceptabilité du concept par le public
Efforts de R&D• Développement de nouveaux procédés peu coûteux pour la
séparation• Améliorer les connaissances sur les processus physiques et
chimiques pour le stockage du CO2
• Développer des méthodes et outils pour la surveillance des stockages
• Validation / démonstration sur des sites réels
Les enjeux
Captage & stockage du CO2 : le futur