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