7-Captage stockage du CO2 et valorisation Direction Générale de l’Energie et du

7-Captage stockage du CO2 et valorisation Direction Générale de l’Energie et du Climat - 1 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 Définition et technologies existantes Une grande diversité de technologies pour traiter le CO2 issu d'installations fortement émettrices La filière du captage et stockage du CO2 (CSC) et de sa valorisation couvre l’extraction du dioxyde de carbone des installations fortement émettrices pour la production d’énergie (centrales à combustibles fossiles, notamment à charbon) ou la production industrielle (aciéries, cimenteries, etc.), sa purification et compression, son transport (par canalisations ou bateaux) vers des sites de stockage (on-shore et off-shore) et son injection de façon définitive et sûre dans des formations géologiques adaptées. Au lieu d’être stocké, le CO2 peut également être valorisé en tant que matière première dans des procédés industriels. LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES La filière du CSC est une filière émergente avec différentes voies technologiques en cours de développement. Trois principales voies sont à distinguer pour le captage du CO2, décrites plus en détail ci-dessous. Le transport et le stockage font appel à des compétences issues notamment des domaines des hydrocarbures et de l’exploitation du sous-sol. La valorisation, complémentaire au stockage, comprend une multitude de voies à maturité fortement variable. Les trois principales techniques de captage Le captage peut se faire selon trois principales voies : la post-combustion, l’oxy-combustion et la pré-combustion. Ces trois voies technologiques sont applicables aux chaudières industrielles ou aux installations de production d’électricité :  le captage en post-combustion vise à séparer le CO2 des rejets gazeux issus de la combustion à l'aide de technologies d’absorption, d’adsorption, de cryogénie, de cycle calcium et de séparation membranaire ;  le captage par oxy-combustion consiste à réaliser une combustion en absence d’azote afin que les fumées de combustion soient riches en CO2. L’oxygène nécessaire pour cette voie est produit soit de manière conventionnelle, soit apporté par combustion en boucle chimique (voir infra), la séparation étant ensuite opérée par dépressurisation ;  le captage en pré-combustion consiste à produire un combustible qui ne contient pas de carbone : le combustible fossile primaire est transformé en gaz de synthèse composé d'hydrogène et de CO2. Le CO2 est alors séparé de l'hydrogène. L'hydrogène peut ensuite être brûlé pour produire de l’électricité ou utilisé dans la synthèse chimique ou la production de carburants. Zoom : Combustion en boucle chimique La technologie de combustion en boucle chimique dite CLC (« Chemical Looping Combustion »), permet de s'affranchir de l'étape de séparation de l'oxygène de l'air, coûteuse en énergie. L'apport d'oxygène est réalisé via un oxyde métallique, alternativement oxydé à l'air et réduit par le combustible, l'oxygène est directement converti en CO2 et en eau. En partenariat avec Total Gaz et Énergies Nouvelles, IFP Energies nouvelles a conçu et réalisé une unité pilote CLC, où il met en œuvre son expertise des lits fluidisés. Ces travaux doivent conduire, à brève échéance, au dimensionnement d'une unité de démonstration. Autres solutions technologiques de captage L’application du captage du CO2 à des secteurs industriels tels que la sidérurgie, la pétrochimie ou la production de ciment nécessite l'adaptation des technologies et équipements pour répondre aux particularités des installations émettrices utilisées dans ces secteurs. A titre d’exemple, une des voies technologiques prometteuses permettant de réduire les émissions de CO2 de la sidérurgie consiste en la mise en place d’un procédé de recyclage des gaz de haut fourneau et de captage de CO2. Aujourd’hui, les efforts de développement et de déploiement portent sur l’ensemble des voies de captage qui font face à des enjeux technologiques importants. Outre les enjeux propres à chaque voie 7-Captage stockage du CO2 et valorisation Direction Générale de l’Energie et du Climat - 2 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 (comme par exemple l’adaptation de la post- combustion au régime flexible de la centrale électrique, l’optimisation de la combustion à l’oxygène pour la voie de l’oxy-combustion et le développement de turbines à hydrogène pour la pré- combustion), il s’agira notamment de tester les technologies à grande échelle et de réduire leur consommation énergétique (« pénalité énergétique »). Différentes technologies dites de « première génération » sont actuellement testées dans le cadre de projets démonstrateurs (absorption, adsorption, production d’oxygène pour l’oxy-combustion, etc.). D’autres technologies (de deuxième génération) sont étudiées et développées telles que le captage en post-combustion par anti-sublimation (givrage – dégivrage des gaz). Les principales technologies utilisées pour le transport du CO2 Le transport du CO2 s’appuie sur les technologies et procédés mis en œuvre dans des secteurs connexes qui concernent l’acheminement d’hydrocarbures (et notamment du gaz naturel sous pression) ou le traitement et le transport de gaz industriels. Les efforts de recherche et développement sont ainsi moindres que pour le captage et le stockage du CO2, des canalisations de transport de CO2 existent par ailleurs d’ores et déjà (chaque année, environ 3 000 km de canalisations transportent près de 50 000 000 t de CO2, essentiellement aux États-Unis1). Les principaux axes de recherche concernent l’adaptation des matériaux au transport de flux de CO2 supercritique et contenant un très faible niveau de substances annexes, les effets accidentels liés à la perte de confinement d'une canalisation de transport, ainsi que les méthodes et équipements de surveillance des réseaux de transport. Les principales technologies utilisées pour le stockage du CO2 Le stockage fait appel à des compétences relatives à l’exploration et l’exploitation du sous-sol. Trois principaux types de formations géologiques sont susceptibles d’accueillir le CO2 capté : les aquifères salins profonds, des gisements de pétrole ou de gaz naturel épuisés et les veines de charbon profondes inexploitées et inexploitables. L’évaluation des capacités de stockage mondiales reste à entreprendre. Il s’agira de valider et d’affiner des premières estimations indiquant actuellement un potentiel de stockage (notamment dans les aquifères salins profonds) équivalent à 250 1 http://www.metstor.fr/ – 500 fois les émissions mondiales annuelles de CO2.2 Parmi les technologies nécessaires pour le stockage du CO2 on peut notamment citer :  la caractérisation préalable des sites de stockage : en faisant entre autre appel à des campagnes sismiques, des informations sur les caractéristiques des formations souterraines sont obtenues  la modélisation du comportement des gaz injectés : il s’agit d’anticiper le comportement des flux de CO2 injectés en les modélisant en fonction des caractéristiques du site de stockage  les différents procédés d’injection : l’injection inclut également le forage, la mise en place de tubages et la cimentation  la surveillance des sites de stockage à long terme : mise en place de capteurs de détection in-situ et à la surface, techniques de modélisation 3D à long terme Les principales voies de valorisation du CO2 Il y a de nombreuses voies de valorisation en fonction de l’utilisation prévue de la molécule de CO2 : utilisation directe sans transformation, transformation chimique, transformation biologique. Au sein de ces trois segments, une douzaine de voies de valorisation ont été identifiées comme indiqué dans la figure n°2. De manière générale, la valorisation se développe en complément au stockage de CO2, sachant que le potentiel de ce marché apparaît, à ce stade, inférieur à celui associé au stockage de CO2. Les différentes voies de valorisation mettent en œuvre des technologies et procédés propres à chaque voie. Certains axes de recherche transversaux peuvent néanmoins être cités :  développement de catalyseurs performants pour l’activation de la molécule de CO2  la maîtrise des réactions thermochimiques  la production décarbonée d’hydrogène 2 AIE, Technology Roadmap CCS, 2009 7-Captage stockage du CO2 et valorisation Direction Générale de l’Energie et du Climat - 3 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 Biocatalyse Segmentation des voies de valorisation du CO 2 Valorisation sans transformation du CO 2 Valorisation par transformation chimique Valorisation par transformation biologique  Synth èse organique  Minéralisation/ carbonatation Produits à valeur énerg étique*  Hydrog énation  Reformage sec (et alternatives)  Electrolyse  Photo électrocatalyse  Thermochimie Récup ération Assist ée des Hydrocarbures (RAH) Utilisation industrielle : Remplacement de gaz r éfrig érants, CO 2 supercritique, … Microalgues - Bassins en plein air 12 Produits chimiques* Microalgues - Photobior éacteurs *Certains produits comme le m éthanol sont utilis és comme produits énergétiques ou comme produits interm édiaires de l ’industrie chimique 11 12 Figure 1 : Etude ADEME (réalisée par Alcimed) - Panorama des voies de valorisation du CO2, 2010 7-Captage stockage du CO2 et valorisation Direction Générale de l’Energie et du Climat - 4 - L’industrie des énergies décarbonées en 2010 Chaîne de valeur Du captage du CO2 jusqu’ à la surveillance des sites de stockage DU CAPTAGE AU STOCKAGE DU CO2 – PRINCIPALES SOUS-ETAPES DE LA CHAINE DE VALEUR Transport Stockage Captage Site émetteur Equipements de captage Purification & compression Pipeline / voie maritime Caractérisati on du site Forage & Injection Surveillance Captage du CO2 – de l’identification du site émetteur jusqu’au conditionnement du CO2 à des fins de transport Lors du captage du CO2 - première étape de la chaîne de valeur - il s’agit d’évaluer pour le site émetteur l’opportunité de mise en place d’une solution de captage et de choisir uploads/Industriel/ captage-et-stockage-co2.pdf

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