La fixation et la séquestration du CO2 permettent de réduire considérablement les quantités de CO2 libérées dans l'air. Aujourd'hui, différentes technologies permettant de séparer le CO2 des autres gaz et de le séquestrer ont été mises au point. Elles ne permettent pourtant pas encore de procéder à la fixation et à la séquestration du CO2 à grande échelle.

L'utilisation de combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) fait augmenter la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Aujourd'hui, la concentration de CO2 est de 379 parties par million. C'est un chiffre record en 600 000 ans. Les climatologues s'accordent à dire que cette augmentation est responsable en partie du réchauffement de la température à la surface du globe.

Le recours aux sources d'énergie alternatives ne produisant pas de CO2 constitue une manière de réduire la quantité de CO2 libérée dans l'atmosphère. On peut citer à ce titre les énergies hydroélectrique, éolienne, solaire, nucléaire, géothermique et marémotrice. Toutes sont limitées, et il serait difficile de passer rapidement des combustibles fossiles à ces autres sources d'énergie. Mais que se passerait-il si le CO2 produit par les combustibles fossiles n'atteignait pas l'atmosphère ? Et si on pouvait capturer et stocker le CO2 libéré au lieu de le laisser s'échapper par les cheminées et se répandre dans l'air ? Est-ce possible ?

Oui. Ce processus est connu sous le nom de fixation et séquestration du CO2. Nous parvenons aujourd'hui à le réaliser à petite échelle. À grande échelle, il permettrait de réduire considérablement la quantité de CO2 libérée dans l'atmosphère. Comme son nom l'indique, ce processus est composé de deux phases. Le premier défi consiste à capturer le CO2 au lieu de le laisser s'échapper par les cheminées. Il faut ensuite le stocker, ou le séquestrer de manière sécurisée sur une longue période. L'idée de séquestrer le CO2 pour réduire les quantités libérées dans l'atmosphère est relativement récente. Cependant, la technologie permettant de mettre en œuvre cette idée a été développée à d'autres fins. Nous sommes sur la bonne voie.

Capture du CO2

Les principales sources d'émission du CO2 constituent un endroit idéal pour capturer ce dernier. Les centrales électriques produisent à elles-seules environ un tiers des émissions de CO2 sur la surface du globe. En outre, le CO2 est un produit dérivé de la production du fer, de l'acier et du ciment. Il est également extrait du gaz naturel avant d'utiliser ce dernier comme combustible. Ces procédés industriels constituent des candidats parfaits pour la capture et le stockage du CO2, puisqu'il s'agit de sources importantes situées en un lieu fixe. Par contraste, on peut difficilement envisager la capture des émissions de CO2 à partir des automobiles. Les principaux combustibles fossiles utilisés dans les centrales électriques sont le gaz naturel et le charbon. Leur combustion nécessite la présence d'air. La chaleur générée est utilisée pour créer de la vapeur servant à alimenter des turbines qui font tourner les générateurs électriques. On peut sinon brûler du gaz pour faire directement tourner les turbines. Dans les deux cas, l'oxygène de l'air se combine au carbone du combustible pour produire du CO2. Les flux de CO2 sont libérés dans l'air. La combustion de gaz naturel génère du méthane (CH4) dont l'hydrogène se combine également avec l'oxygène pour former de l'eau.

Mais l'air utilisé pour les combustibles contient essentiellement de l'azote. L'azote ne participe pas au processus de combustion. Il n'est pas transformé et passe directement dans la cheminée. Les émissions des centrales électriques, appelées gaz de carneau, contiennent généralement de 10 à 15 % seulement de CO2 dans une usine à charbon, et environ 5 % de CO2 lorsque l'on utilise du gaz naturel comme combustible. En principe, tous les gaz de carneau pourraient être stockés, mais alors la capacité de stockage serait monopolisée par l'azote qu'il est inutile de séquestrer. Le stockage efficace du CO2 nécessite sa séparation des autres gaz de carneau. Comment procède-t-on ?

Il existe trois stratégies :

1. séparer le CO2 après la combustion.
2. séparer le carbone du combustible avant la combustion de manière à brûler uniquement l'hydrogène pour ne produire que de l'eau.
3. brûler les combustibles fossiles dans de l'oxygène plutôt que dans l'air pour obtenir du CO2 concentré.

	Cliquez ici pour visualiser une animation sur la séparation du CO2 après la combustion.

On peut utiliser des solutions chimiques pour dissoudre le CO2 tout en libérant les autres gaz dans l'atmosphère. Cette technique, courante aujourd'hui, utilise un groupe de composés appelés amines. Celles-ci absorbent le CO2 en formant des liaisons chimiques, particulièrement sous haute pression et à basse température. Ce processus est appelé "purification". La solution chimique obtenue est ensuite chauffée en réduisant la pression pour libérer le CO2 concentré.

On utilise d'autres solvants pour dissoudre le CO2 sans liaison chimique. Dans ce processus d'absorption physique, le CO2 se dissout sous pression et est ensuite éliminé du solvant en réduisant la pression. On peut ensuite réutiliser ce solvant. La capture du CO2 peut également être réalisée en refroidissant les gaz de carneau jusqu'à ce que le CO2 devienne liquide. Dans ce processus, la réfrigération demande une énergie considérable. Elle présente par contre l'avantage considérable de permettre un transport routier ou maritime du liquide. Il est également possible de séparer les gaz à l'aide de films fins appelés membranes. Certains gaz passent plus rapidement que d'autres à travers les membranes. On peut ainsi séparer les différents gaz.

Extraction du carbone avant la combustion

	Cliquez ici pour visualiser une animation sur l'extraction du carbone avant la combustion.

Le combustible du gaz naturel est le méthane (CH4). Sa combustion produit du CO2 et de l'eau (H2O). Si on extrait le carbone avant la combustion, il ne reste que de l'hydrogène, qui produit uniquement de l'eau lors de sa combustion. Ce processus implique la mise à réagir du combustible avec de l'oxygène et/ou de la vapeur pour produire du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène. Ensuite, le monoxyde de carbone est mis à réagir avec une quantité de vapeur plus importante pour produire du CO2 et davantage d'hydrogène. Enfin, le CO2 est séparé et l'hydrogène est utilisé comme combustible dans les turbines à gaz.

Utilisation d'oxygène à la place de l'air pendant la combustion

	Cliquez ici pour visualiser une animation sur l'utilisation d'oxygène à la place de l'air lors de la combustion.

L'air est constitué d'azote à 78 %. Il est très peu altéré pendant le processus de combustion. Il s'agit du principal gaz ayant une action de dilution sur le CO2 dans le mélange des gaz de carneau. Si le combustible est brûlé dans de l'oxygène pur et non dans l'air, la concentration de CO2 dans le gaz de carneau peut augmenter jusqu'à plus de 80 %. Ce processus élimine la nécessité d'une concentration supplémentaire du gaz de carneau avant la séquestration du CO2. La question est alors de savoir comment séparer l'oxygène du reste de l'air, principalement constitué d'azote. Les stratégies sont similaires à celles utilisées pour la séparation du CO2. On peut refroidir l'air de manière à liquéfier l'oxygène. Des membranes qui laissent passer l'oxygène et l'azote à des vitesses différentes peuvent assurer la séparation. Il existe également des matériaux qui absorbent l'azote, en réalisant ainsi la séparation avec l'oxygène. On peut ensuite libérer l'azote à partir de ces derniers et les réutiliser.

Technologies de séquestration

Une fois le CO2 concentré capturé, l'étape suivante consiste à trouver un endroit où le stocker. Voici quelques options possibles :

Formations géologiques

Le stockage en formations géologiques est actuellement la solution la plus prometteuse pour une séquestration à long terme et à grande échelle du CO2. Certains projets ont déjà vu le jour. Pour réduire l'effet de serre et le réchauffement de la planète, il est nécessaire d'empêcher le CO2 de pénétrer dans l'atmosphère pendant des centaines, voire des milliers d'années. Il existe depuis des millions d'années des gisements de pétrole, de gaz, des aquifères salins profonds et des veines de charbon qui ont été peu altérés au fil du temps. Tout laisse à penser que si elles sont gérées correctement, ces formations pourraient permettre un stockage à long terme du CO2.

Gisements déplétés de gaz et de pétrole

Beaucoup de gens pensent que l'on trouve le pétrole et le gaz dans d'immenses grottes souterraines. Ce n'est pas le cas. On trouve plutôt ces hydrocarbures dans les roches perméables et poreuses telles que le grès. Ces roches contiennent des espaces microscopiques, appelés pores, qui se gorgent de fluide. Il peut s'agir d'eau, de pétrole ou de gaz. Un gisement de pétrole ou de gaz fonctionne plus sur le principe d'une éponge que sur celui d'une bouteille. Lorsqu'un gisement de pétrole ou de gaz a été exploité pendant une certaine durée, une partie significative des hydrocarbures est supprimée. On dispose donc d'espace pour stocker le CO2. La couche de roche perméable et poreuse contenant ces fluides est recouverte d'une couverture rocheuse imperméable (souvent du sel ou du schiste) qui les empêche de se répandre. En temps normal, le pétrole et le gaz ont tendance à migrer vers les roches perméables, car ils sont plus légers que l'eau, élément abondant dans ces formations rocheuses. Ils y sont piégés par la couverture. Puisque le pétrole et le gaz sont séquestrés dans ce type de formations depuis des millions d'années, tout porte à croire que le CO2 y restera également.

Récupération assistée du pétrole (EOR)

La plupart des technologies nécessaires au stockage du CO2 en champs pétrolifères sont déjà utilisées pour un processus appelé EOR (Enhanced Oil Recovery, récupération assistée du pétrole). Lorsqu'un nouveau réservoir est percé, le pétrole est généralement sous pression et jaillit librement vers la surface. Au fur et à mesure que le pétrole s'écoule, la pression chute et le pompage doit être intensifié. Il arrive un moment où le pompage coûte trop cher et doit être stoppé. On peut aussi recourir à de nouvelles techniques pour extraire davantage de pétrole. Une approche consiste à pomper du CO2 dans le réservoir. On peut ainsi augmenter la pression pour que le pétrole jaillisse facilement. En outre, le CO2 se dissout dans le pétrole et le rend moins visqueux, et donc plus fluide. Il subit également une expansion de volume, ce qui augmente davantage la pression. On pompe le CO2 dans le réservoir par le biais d'un "puits d'injection". Celui-ci pousse le pétrole vers un "puits de production" au niveau duquel il remonte à la surface.

La récupération assistée du pétrole (EOR) a pour effet que le CO2 reste séquestré dans la formation rocheuse. Si l'objectif est de stocker du CO2 et non de récupérer du pétrole, il devient possible d'utiliser les champs pétrolifères déplétés ou en fin d'activité pour la séquestration, même s'ils ne constituent pas des candidats idéals pour l'EOR.

Quels sont les problèmes potentiels présentés par la séquestration de CO2 ? La grande question est de savoir si le CO2 va ou non fuir du réservoir. Une fuite serait problématique car elle renverrait le CO2 séquestré dans l'atmosphère et irait donc à l'encontre de l'objectif de ce projet.

Une fuite soudaine provoquerait de nombreuses morts. Le CO2 n'est pas un gaz toxique, mais s'il se substitue à l'oxygène disponible dans l'air, il peut provoquer l'asphyxie. Le CO2 étant plus lourd que l'air, il peut s'accumuler dans les endroits encaissés comme les caves ou les vallées. On connaît des cas de libération naturelle du CO2 ayant provoqué la mort de personnes. On peut citer à ce titre la catastrophe du lac Nyos au Cameroun. Dans cette région, des fuites de dioxyde de carbone provenant de volcans en activité polluent par en-dessous les eaux du lac. Le 21 août 1986, une fuite soudaine de CO2 a envahi les vallées entourant le lac en provoquant la mort de 1800 personnes des villages alentours. Rien ne laisse présager qu'il faille s'attendre à une fuite soudaine du CO2 séquestré dans un champ pétrolifère désaffecté. Par contre, des fuites plus lentes pourraient se produire. Ironiquement, ce sont les puits eux-mêmes qui présentent un problème potentiel.

Un champ pétrolifère peut compter des centaines de puits. S'ils sont anciens, il est possible que le ciment entourant le tubage soit détérioré, en permettant ainsi au CO2 de s'échapper. On peut toutefois recimenter les puits de manière à les rendre étanches au CO2 séquestré.

Le CO2 peut également s'échapper par les fissures de la couverture rocheuse. La séquestration de CO2 est uniquement proposée dans les régions géologiquement stables, peu susceptibles d'être touchées par un tremblement de terre. Malgré tout, une augmentation de la pression sous la couverture rocheuse, provoquée par la séquestration du CO2 même peut entraîner des fissures. Pour empêcher ce problème, il convient de surveiller la pression en prenant garde à ne pas dépasser les limites de la formation.

Aquifères

Il existe de nombreux "pièges" géologiques souterrains et étanches qui n'ont jamais contenu de pétrole ou de gaz. Leurs pores sont remplis d'eau. On les appelles aquifères. Les aquifères les plus adaptés au stockage du CO2 sont situés très profondément sous terre. Ils sont remplis d'eau salée, ce qui les rend inaptes à l'alimentation ou au stockage en eau douce destinée aux hommes. L'eau présente dans l'aquifère provoque une dissolution partielle du CO2. Dans certains types de roches, ce dernier peut réagir avec des minéraux pour former des dépôts de carbonate stables. Le CO2 est alors séquestré de manière permanente. Il convient donc d'entreprendre des études géologiques, comme on le fait régulièrement pour les réservoirs de pétrole et de gaz, afin de confirmer l'absence de fuite de CO2 dans l'aquifère.

Le premier programme d'injection de CO2 réalisé pour lutter contre les changements climatiques est situé au large de la Norvège dans un aquifère salin de la Mer du Nord baptisé Champ de Sleipner.

Filon houiller

On peut aussi stocker le CO2 dans les bassins houillers trop profonds pour être exploités. La houille est principalement composée de carbone. Elle absorbe le CO2 et le séquestre de manière permanente. Les bassins houillers contiennent généralement du méthane. Lorsque le CO2 est pompé dans la houille, il est absorbé de préférence dans le méthane, qui est libéré. La récupération assistée du pétrole (EOR) appliquée ici permet de produire des combustibles utiles tout en séquestrant le CO2.

Le problème de cette approche est que la houille gonfle lorsqu'elle absorbe le CO2. Ceci peut entraîner un rétrécissement des voies à travers lesquelles le gaz s'écoule. La capacité de stockage s'en trouve donc limitée.

Études de cas sur la capture et le stockage

On peut citer deux exemples de projets de capture et de stockage du CO2 en cours : le Champ de Sleipner en mer du Nord et le Champ de Weyburn au Canada.

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