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Le stockage géologique du CO2 : Entreprise risquée ou solution prometteuse ?

16 décembre 2010

Chaque année, 36 milliards de tonnes de dioxyde de carbone (CO2) sont émises dans l'atmosphère dans le monde, dont 25 % proviennent de la production d'électricité. Bonne nouvelle : la technologie actuelle permet déjà de capter les émissions de CO2 des centrales à énergie fossile, de les injecter et de les enfermer de manière permanente dans des formations géologiques profondes. Ce processus s'appelle la séquestration géologique (SG). Mais quel est son degré de sécurité ?

Pour répondre à cette question, il faut d'abord comprendre que, depuis trois décennies, pour améliorer la production de pétrole, l'industrie pétrolière américaine injecte chaque année avec succès 35 millions de tonnes de CO2 - l'équivalent de huit centrales électriques au charbon - dans des formations rocheuses profondes, soit un total de près d'un demi-milliard de tonnes. La ville de Seminole, dans l'ouest du Texas, est située au-dessus de l'une des plus anciennes et des plus grandes installations de récupération assistée des hydrocarbures du pays, où les opérations de récupération du pétrole injectent actuellement un million de tonnes par an, sans rejet ultérieur nocif de CO2. En fait, dans le cadre de la récupération assistée du pétrole (EOR), les ingénieurs constatent que le CO2 coûteux d'origine naturelle qu'ils utilisent aujourd'hui à cette fin est difficile à recycler hors de la roche pour le réutiliser. La récupération assistée du pétrole est, en fait, la séquestration du carbone, le "S" de CCS (capture et séquestration du carbone dans les centrales électriques au charbon et au gaz naturel).

Le concept de captage et de séquestration du carbone (CSC) est assez simple : le dioxyde de carbone est "capturé" chimiquement et séparé des émissions d'une centrale électrique moderne. Le flux de CO2 presque pur qui en résulte est comprimé jusqu'à l'état presque liquide et pompé dans le sous-sol. Les couches de roches hôtes (généralement des grès) sont des pièges avérés, connus pour contenir des fluides géologiques et/ou des gaz. Ces roches hôtes doivent se trouver sous une "roche couverture" de mudstones denses (par exemple, du schiste) à travers laquelle le CO2 ne peut pas monter. Aux États-Unis, il existe d'importantes sources géologiques souterraines de CO2 dans des grès recouverts de schiste imperméable. Par exemple, dans le Mississippi, il existe une structure géologique souterraine vieille de 150 à 200 millions d'années qui contient un demi-milliard de tonnes de CO2. Si les gisements naturels de CO2, de pétrole et de gaz peuvent rester dans de telles structures souterraines sur des échelles de temps géologiques, il en va de même pour le CO2 créé par l'homme.

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Old Faithful : des badauds heureux alors qu'un mélange d'eau et de CO2 éclate dans l'air. On estime que 17 millions de tonnes de CO2 sont libérées chaque année à Yellowstone, sans que les visiteurs du parc n'en souffrent.

Comme il est difficile d'extraire le CO2 des roches une fois qu'il a été injecté, il est très peu probable qu'il s'échappe dans l'atmosphère en quantités susceptibles d'avoir des effets importants sur la santé ou l'environnement. Il est vrai qu'à des concentrations très élevées, le CO2 peut déplacer l'oxygène de l'air et présenter un risque d'asphyxie. Cela dit, les geysers tels que le Old Faithful dans le parc national de Yellowstone émettent d'importants flux d'eau et de CO2 mélangés, entourés de spectateurs heureux, sans aucun effet néfaste.

Malheureusement, certains opposants au piégeage et à la séquestration du carbone utilisent comme tactique de peur le spectre d'un incident survenu en 1986 au lac Nyos, au Cameroun, au cours duquel 1746 vies ont été perdues en raison d'un rejet naturel très inhabituel de CO2. Mais cet incident est une autre histoire, impliquant une situation géologique exceptionnelle, et ne concerne pas la séquestration géologique. Le lac Nyos remplit un cratère très récent (400 ans) dans une zone volcanique active. Dans ce contexte tropical, de très grandes quantités de CO2 sont libérées par les fissures volcaniques dans l'eau froide du fond du lac où, sur une longue période, le CO2 dissous se concentre en quantités énormes. En 1986, la couche d'eau froide au fond du lac Nyos a été perturbée par un glissement de terrain libérant d'un seul coup deux millions de tonnes de CO2, soit l'équivalent des émissions annuelles d'une petite centrale à charbon. Plus lourde que l'air, cette nappe de CO2 s'est déposée sur un village local et a asphyxié ses habitants. Les détracteurs de la séquestration du carbone attirent à tort l'attention sur la tragédie du lac Nyos - à tort car, selon les scientifiques, il s'agissait d'un scénario totalement différent, propre aux régions à la fois volcaniques et situées dans des climats tropicaux où le renouvellement naturel de l'eau du lac est faible.

La séquestration géologique ne serait jamais réalisée dans une géologie comme celle du lac Nyos et, de plus, la SG doit être soigneusement surveillée. Dans les projets de séquestration géologique, le CO2 est suivi dans le sous-sol car il est enfermé dans des pores microscopiques dans des formations rocheuses stables d'une profondeur d'au moins 800 mètres. Dans un champ GS, au premier signe de migration inattendue du CO2, un avertissement pourrait être relayé à une installation de contrôle grâce à un programme complet de surveillance du sous-sol. Un opérateur interromprait alors l'injection afin de réduire la pression et d'enrayer le mouvement du CO2, puis étudierait et remédierait au problème ou arrêterait les opérations dans cette zone.

Une autre préoccupation soulevée par les opposants au CSC est le risque de tremblements de terre d'origine humaine. Lorsque des fluides sont injectés dans la roche à une pression supérieure à sa résistance, comme dans l'exploration du gaz de schiste, de petites fissures peuvent se former. Ce processus, communément appelé "fracking", entraîne parfois des microséismes, c'est-à-dire des minitransmissions mesurables par des instruments extrêmement sensibles, mais à des niveaux rarement perçus par l'homme. Toutefois, contrairement à l'exploration gazière, les pratiques de CSC sont conçues pour éviter la fracturation. En effet, les microfractures réduisent plutôt qu'elles n'augmentent les volumes de CO2 pouvant être stockés dans la roche réservoir.

La sismicité provoquée par les injections profondes de fluides dans la roche a fait l'objet de recherches approfondies et ces études ont montré que la pratique de l'injection s'est poursuivie pendant de nombreuses décennies sans déclencher de séismes dommageables. Une étude récente sur la sismicité dans la région de Dallas-Fort Worth, productrice de pétrole et de gaz, réalisée par l'Université du Texas et la Southern Methodist University, indique que : "Il existe des milliers de puits d'injection au Texas, dont la grande majorité ne produit aucune sismicité ressentie ou enregistrée par des instruments. "En fait, plus de deux milliards de tonnes de fluides de toutes sortes, y compris des déchets dangereux, sont injectés chaque année dans les profondeurs des États-Unis, et ce n'est que dans quelques cas que les tremblements de terre liés à l'injection ont atteint des niveaux qui ont été ressentis dans et autour des communautés voisines. Dans l'une des plus grandes installations souterraines d'injection de CO2 au monde, le champ de Weyburn au Canada, 17 millions de tonnes ont été injectées depuis 2000 sans aucune sismicité attribuable.

Le véritable risque de GS est la contamination des eaux souterraines par le mouvement du CO2 souterrain vers un aquifère d'eau douce. Grâce à la nouvelle réglementation de l'EPA, un système complet de surveillance sera désormais nécessaire pour détecter ces mouvements (voir le blog du 22 novembre "Les nouvelles règles de l'EPA ouvrent la voie à la séquestration géologique du CO2"). Une fois encore, la réponse réside dans un choix de site et une conception de projet appropriés. La clé de la protection de l'aquifère consiste à situer les sites de séquestration géologique sous d'épaisses couches imperméables de roche qui se trouvent au-dessus de la zone d'injection. La surveillance de la chimie et de la pression des couches situées immédiatement au-dessus de cette barrière est une mesure du programme de l'EPA qui peut être adoptée pour fournir un avertissement précoce de la migration négative potentielle du CO2. Selon une étude indépendante de l'université du Texas, dans le champ pétrolifère SACROC de l'ouest du Texas, qui compte des milliers de puits, les exploitants ont injecté en toute sécurité 175 millions de tonnes métriques de CO2 (l'équivalent de la production annuelle de 20 grandes centrales électriques) depuis 1972 sans nuire aux aquifères d'eau douce situés au-dessus.

La demande mondiale d'énergie dépassant rapidement les efforts déployés pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, la séquestration du carbone est une technologie sûre que nous pouvons adopter dès maintenant pour réduire l'impact climatique de l'utilisation des combustibles fossiles. En utilisant les mêmes compétences que les géologues pétroliers pour produire du pétrole et du gaz, nous devrions être en mesure d'injecter et de stocker le dioxyde de carbone en toute sécurité pendant des millions d'années. Le champ Sleipner en mer du Nord de la société norvégienne Statoil Hydro est un autre projet de séquestration géologique, où environ 1 million de tonnes de CO2 sont injectées chaque année, pour une capacité cible de 20 millions de tonnes de CO2 sur la durée de vie du projet. Les ingénieurs prévoient un niveau de risque inférieur de plusieurs ordres de grandeur à la tolérance au risque de référence du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), qui est de 1 % de fuites en 1 000 ans. Sleipner est en service depuis 1996, sans aucun rejet perceptible.

Donc, la technologie est là. Maintenant, mettons-la à l'échelle.

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