Capture et stockage du CO₂

La capture du CO₂

La combustion de ressources énergétiques fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole), de ressources énergétiques renouvelables (biomasse) ou de dérivés de ces ressources entraîne la formation de molécules de dioxyde de carbone ou CO₂.

Le procédé de capture (parfois appelé captage) du CO₂ (CSC, le terme anglophone CCS - pour Carbon Capture and Storage - étant plus utilisé) consiste à piéger les molécules de CO₂ avant, pendant ou après l’étape de combustion afin d’éviter sa libération dans l’atmosphère (gaz à effet de serre). Trois familles de procédés de capture sont ainsi envisagées :

• la capture avant la combustion : précombustion ;
• la capture après une combustion classique (à l’air), avec peu ou pas de modification du procédé de combustion : postcombustion ;
• la capture après une combustion à l’oxygène pur : oxycombustion.

Le CO₂ extrait est obtenu sous forme gazeuse ou liquide, généralement mélangé à d’autres espèces gazeuses minoritaires.

Le stockage du CO₂

En amont du stockage, le CO₂ doit être transporté, soit par pipeline, soit par bateau, soit encore par camion pour de petites quantités. Le CO₂ extrait est ensuite stocké dans des formations géologiques du sous-sol permettant sa séquestration sur le long terme, typiquement plusieurs siècles.

Prérequis : la combustion

Une combustion est une réaction libérant de l’énergie et faisant intervenir :

• un réducteur : le combustible (charbon, fioul, gaz, biomasse, etc.) ;
• un oxydant aussi appelé comburant : généralement l’oxygène contenu dans l’air (l’air est un mélange d’azote N₂ pour 78%, d’O₂ pour 21% et d’autres espèces - moins de 1%, notamment du CO₂).

Typiquement, le combustible est composé de chaines carbonées. La réaction de combustion s’écrit alors sous forme simplifiée :

C + O₂ → CO₂

À l’issue de la combustion, le CO₂ est contenu dans les gaz d’échappement mais reste une espèce minoritaire.

La capture du CO₂ en postcombustion

Ce procédé consiste à intervenir en aval de l’étape de combustion et à traiter les gaz de combustion pour en extraire le CO₂. Les gaz de combustion contiennent majoritairement du N₂, provenant de l’air entrant, mais également du CO₂, de l’O₂, de l’eau, des NO_x et SO_x (oxydes d’azote et de soufre) et d’autres produits (combustion incomplète, espèces minoritaires de l’air entrant).

Le procédé le plus commun est la capture par un solvant présentant une affinité pour les molécules de CO₂ (c’est-à-dire capable de se lier avec des molécules de CO₂ dans certaines conditions, notamment de pression et de température). La capture se fait en deux temps :

• charge du solvant : les gaz de combustion sont mis en contact avec le solvant, qui se lie aux molécules de CO₂ ;
• régénération : le solvant est « régénéré » dans un autre compartiment pour libérer les molécules de CO₂ qui s’y étaient fixées.

Le reste du gaz de combustion, appauvri en CO₂, est libéré dans l’atmosphère. La réussite de la capture repose sur le choix du solvant et des procédés choisis pour la mise en contact. Les solvants aux amines, notamment la MEA (monoéthanolamine), sont les plus utilisés. D’autres solvants sont à l’étude visant à limiter notamment les coûts, l’énergie de régénération (énergie nécessaire pour effectuer le cycle charge-régénération) et les impacts socio-environnementaux.

 
La capture du CO₂ par postcombustion (©Connaissance des Énergies)

D’autres procédés existent, notamment la capture par cryogénie en refroidissant les gaz de combustion jusqu’à -120°C/-80°C pour congeler le CO₂.

La capture du CO₂ par oxycombustion

L’oxycombustion consiste à injecter de l’oxygène pur (et non pas de l’air) au cours de la combustion. Cela évite d’introduire du N₂ dans le foyer de combustion et de le retrouver dans les gaz de combustion. Des étapes de lavage et de déshydratation des fumées sont suffisantes pour isoler le CO₂.

Cette technologie nécessite la production de grandes quantités d’oxygène très pur. L’oxygène est obtenu par séparation de l’oxygène de l’air, par exemple par cryogénie. D’autres procédés sont à l’étude (ex : membranes sélectives).

La capture du CO₂ par oxycombustion (©Connaissance des Énergies)

La capture du CO₂ en précombustion

La technologie de capture en précombustion nécessite de modifier l’ensemble du procédé de combustion. Les principales étapes sont :

• gazéification du combustible, pour obtenir un mélange de CO + H₂O ;
• transformation chimique permettant d’obtenir un mélange CO₂ + H₂ ;
• extraction du CO₂ par solvant (typiquement du méthanol) ;
• production d’énergie grâce à l’hydrogène (turbines).

Cette technologie ne peut s’appliquer que sur des unités neuves.

Ces différents procédés permettent d’atteindre des taux de capture du CO₂ généralement de l’ordre de 80 à 95%. La capture en oxycombustion peut même permettre de dépasser 95%, voire 99% de taux de capture.

La capture du CO₂ en précombustion (©Connaissance des Énergies)

Le stockage du CO₂

Le stockage en grande quantité est réalisé en profondeur dans des formations géologiques. Les technologies de forage et d’injection sont déjà bien connues, et utilisées notamment pour l’extraction du pétrole. Il est cependant nécessaire de s’assurer de l’étanchéité du site de stockage. Les sites potentiels les plus courants sont les aquifères salins, les gisements épuisés de pétrole et de gaz et les veines de charbon non exploitées.

L’étanchéité est assurée par une ou plusieurs couches géologiques imperméables au CO₂ et un scellement des puits d’injection en fin d’exploitation. De nombreuses études portent encore sur l’impact des constituants du flux de CO₂ (CO₂ et espèces minoritaires) sur les roches constituant les cavités de stockage.

Pendant toutes les phases de stockage et les phases suivant la fermeture du site de stockage, un suivi est mis en place pour détecter toute fuite éventuelle et y remédier.

Les avantages environnementaux

Le CO₂ est, hormis la vapeur d’eau, le gaz à effet de serre majoritaire émis dans l’atmosphère par les activités humaines. La capture et le stockage du CO₂ permettent de limiter les émissions de CO₂ dans l’atmosphère, et par conséquent de limiter l’effet de serre.

Les avantages énergétiques

Malgré la nécessité reconnue de réduire drastiquement les émissions de gaz à effet de serre, les scénarios de nombreuses organisations de référence (Agence internationale de l'énergie en tête) considèrent que les énergies fossiles continueront de jouer un rôle central dans le mix énergétique dans les décennies à venir. Dans son rapport Coal 2018, l’AIE estime entre autres que la consommation mondiale de charbon pourrait rester stable d’ici à 2023,.

Le GIEC souligne à ce titre l'importance des procédés de capture et de stockage du CO₂ pour contenir autant que possible le réchauffement climatique.

Notons par ailleurs que des recherches existent pour valoriser le CO₂ et en faire une ressource à part entière : substitution au pétrole pour certains usages, « carburants solaires » à partir du CO₂, etc.

Parmi les acteurs du marché, citons :

• de grands industriels du secteur de l’énergie, tout particulièrement de la production d’électricité. Les projets sont généralement multi-acteurs, afin de répartir le risque et de partager les coûts (très élevés) et les connaissances ;
• des organismes publics de recherche (en France, IFP Énergies nouvelles, CEA, CNRS, etc.).

Surcoût : fabrication et pénalité énergétique

Deux facteurs influent sur le coût final de l’énergie produite :

• un surcoût de fabrication des centrales, surcoût initial parfois très important (40% en moyenne selon IFP EN). Ce coût est répercuté sur l’énergie produite ;
• un surcoût d’exploitation : l’étape de capture du CO₂ est coûteuse en énergie. On parle de pénalité énergétique. Pour une centrale électrique, cette pénalité énergétique peut représenter plus de 25% de l’énergie produite.

Le coût du procédé est actuellement autour de 50 à 100 €/t CO₂ (60 euros la tonne en moyenne selon le GIEC, dont 85% pour le seul captage)⁽¹⁾. Ce coût est à comparer avec le faible prix de la tonne de CO₂ sur les marchés internationaux du carbone. L’amélioration des procédés pourrait permettre une diminution de ces coûts.

Puissance électrique

La maîtrise d’un procédé à petite échelle ne garantit pas sa réussite à grande échelle. Plusieurs étapes sont souvent nécessaires pour transposer ce procédé.

Actuellement, les expérimentations sont menées sur des petites puissances (typiquement 30 MWth pour la chaudière à gaz en oxycombustion de Lacq de Total). Des projets de plus grande taille sont à l’étude, comme celui de White Rose sur une centrale à charbon au Royaume-Uni, financé par le programme européen NER300.

La capture du CO₂ n’est pas encore déployée à grande échelle. De nombreuses expérimentations sont en cours, soit sur des centrales existantes, soit sur des unités neuves, principalement dans les pays développés (Europe, Amérique du Nord, Australie pour l’essentiel) ainsi qu’en Chine. Potentiellement, la capture du CO₂ pourrait être utilisée dans le monde entier.

Des sites de stockage sont également exploités. Ils peuvent être situés en mer (stockage de Sleipner, au large de la Norvège) ou sur les continents (stockage de Lacq, dans le Sud de la France).

Les procédés de capture du CO₂ en postcombustion sont déjà appliqués de longue date pour la production de « CO₂ alimentaire » (il s’agit de CO₂ très pur), par exemple pour produire de l’eau gazeuse ou des sodas. Les unités de production sont cependant de petite taille, et ne sont pas directement transposables pour des grandes puissances, d’où les expérimentations en cours. Ces expérimentations sont confrontées à des obstacles techniques et économiques.

Côté réglementation, l’Europe a statué pour encadrer les activités de capture et de stockage du CO₂ (directive 2009/31/CE, stratégie énergétique et climatique à l'horizon 2030)⁽²⁾. Les obligations sont très strictes concernant le suivi des sites de stockage et la responsabilité de l’exploitant et en dernier recours de l’État.

Le potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre grâce aux technologies de capture et de stockage du CO₂ est important. L'Agence Internationale de l'Énergie (AIE) estime qu'elles pourraient contribuer à 20 % des efforts de réduction des émissions en 2050 dans un contexte de diminution par deux des émissions mondiales entre 2005 et 2050.