Le stockage géologique du dioxyde de carbone en Europe : FAQ
Les technologies de captage et de stockage du carbone sont des outils essentiels pour réduire les émissions industrielles de dioxyde de carbone et joueront un rôle central dans la décarbonisation de l'économie mondiale. Pour que le captage du carbone soit efficace, le stockage des émissions captées doit être permanent. Le stockage géologique du dioxyde de carbone capté offre un moyen de stocker de façon permanente le dioxyde de carbone capté dans le sous-sol.
Le captage du carbone prend rapidement de l'ampleur en Europe, avec plus de 50 projets de captage du carbone déjà annoncés. Cet élan a suscité des questions sur les options de stockage géologique et la permanence relative du dioxyde de carbone séquestré. Dans ce blog, nous répondrons aux questions fréquemment posées afin d'illustrer comment le stockage géologique permet effectivement une réduction à long terme, à faible risque et permanente des émissions de dioxyde de carbone. Lorsqu'elle est effectuée correctement, il est extrêmement improbable que l'injection de dioxyde de carbone dans des formations géologiques profondes atteigne un jour l'atmosphère en quantités significatives ou présente un risque pour la santé publique.
Pourquoi stocker le dioxyde de carbone dans le sous-sol ?
Le stockage géologique du dioxyde de carbone capturé peut contribuer à faciliter la transition vers un niveau net zéro en stockant de manière permanente des émissions importantes provenant d'actifs existants dans des secteurs difficiles à réduire. L'industrie lourde est responsable d'environ 20 % des émissions totales dans l'UE et il n'existe que peu ou pas d'autres solutions que le piégeage du carbone pour réduire ces émissions. Des industries importantes comme la production chimique, le ciment et l'acier doivent être préparées à un monde neutre en carbone et le captage du carbone peut constituer une solution éprouvée et évolutive pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de ces industries. Pour que le piégeage du carbone soit efficace, le carbone capturé doit être stocké ou utilisé de façon permanente. S'il existe des moyens d'utiliser les émissions de carbone capturées en les transformant en produits, ces technologies sont pour la plupart expérimentales et n'ont pas encore fait leurs preuves à l'échelle requise pour une décarbonisation profonde. Le stockage géologique du dioxyde de carbone est mis en œuvre de manière sûre et efficace à grande échelle depuis près de 50 ans et, selon le rapport Net Zero by 2050 de l'EIA, environ 95 % du carbone capturé devra être stocké de manière permanente par le biais du stockage géologique.
Quelle quantité de dioxyde de carbone peut-on stocker en Europe ?
En termes de disponibilité de stockage géologique, l'Europe est bien placée pour déployer un stockage géologique à grande échelle afin de contribuer à la réalisation des objectifs climatiques. D'importantes ressources de stockage géologique existent en Europe dans de multiples bassins sédimentaires et chenaux de stockage. Selon le rapport de synthèse sur le stockage géologique duCO2 dans l'UE, établi par le Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) à l'aide des données CO2StoP, la capacité totale de stockage salin des unités géologiques potentielles en Europe est estimée à 482 gigatonnes (Gt), ce qui équivaut à plus de 300 ans d'émissions de l'UE provenant de sources fixes, au rythme actuel. Cette estimation a été établie à partir de 28 pays pour lesquels des données géologiques suffisantes étaient disponibles. La carte ci-dessous montre l'emplacement des zones de stockage et les capacités de stockage associées pour toutes les unités de stockage en Europe qui ont été prises en compte pour cette estimation (figure 1). Un résumé plus détaillé des ressources de stockage géologique de l'UE est disponible sur ce blogCATF .
Les ressources de stockage géologique étant inégalement réparties en Europe, tous les pays ne seront pas en mesure de stocker leur dioxyde de carbone à l'intérieur de leurs propres frontières. Par conséquent, le stockage du dioxyde de carbone nécessitera une coopération et une coordination transfrontalières. Il est peu probable que des grappes de stockage géologique soient développées dans chaque pays. En fonction de leurs ressources de stockage géologique salin, certains pays stockeront le dioxyde de carbone provenant d'autres pays.
L'Europe a la chance de disposer d'importantes ressources géologiques pour le stockage du dioxyde de carbone. Nous allons maintenant examiner comment fonctionne le stockage géologique du dioxyde de carbone.
Comment fonctionne le stockage géologique du dioxyde de carbone ?
Le stockage géologique du dioxyde de carbone consiste à injecter le dioxyde de carbone capturé dans des réservoirs rocheux profonds et poreux recouverts de couches rocheuses étanches (c'est-à-dire des roches mères). Cela empêche le dioxyde de carbone de se retrouver dans l'atmosphère et le stocke de façon permanente dans le sous-sol.
Dans sa forme la plus simple, le dioxyde de carbone est injecté dans une roche poreuse recouverte d'une roche imperméable, ce qui le piège en place. Afin d'utiliser l'espace le plus efficacement possible, le dioxyde de carbone capturé est comprimé et rendu plus dense, ce qui réduit son volume et occupe donc moins d'espace dans la roche lors de l'injection. Avant de commencer les opérations d'injection, les géologues doivent localiser les formations géologiques appropriées capables de stocker le dioxyde de carbone de manière sûre et efficace. Les caractéristiques suivantes sont celles d'un système idéal de réservoir de stockage :
- Présence d'une formation rocheuse réservoir appropriée, très poreuse, comme une éponge, qui peut accueillir le dioxyde de carbone injecté.
- Roche réservoir dont les pores sont suffisamment interconnectés, ce que l'on appelle la perméabilité, pour permettre au dioxyde de carbone de circuler facilement dans et à travers le réservoir.
- Une "roche couverture" imperméable qui recouvre le réservoir et qui agit comme une barrière à l'écoulement des fluides, contenant le dioxyde de carbone injecté dans le réservoir sous-jacent.
- Un réservoir d'une profondeur suffisante, généralement ~800m, pour que les conditions naturelles de température et de pression du réservoir puissent maintenir le dioxyde de carbone injecté dense et en place.
- Un système de réservoir qui présente une excellente intégrité mécanique et qui est exempt de défauts majeurs par lesquels le dioxyde de carbone pourrait s'infiltrer
Les options de stockage candidates les plus idéales pour de grands volumes de dioxyde de carbone sont les formations salines profondes, c'est-à-dire toutes les formations rocheuses profondes remplies d'eau non potable et hautement saline (c'est-à-dire "salée"). Les gisements de pétrole et de gaz épuisés dont la production n'est plus rentable peuvent également constituer des réservoirs de stockage idéaux, à condition qu'ils aient une roche couverture établie. Les aquifères salins qui se prêtent au stockage géologique sont très profonds dans la subsurface et sont séparés de la surface par des centaines ou des milliers de mètres de formations rocheuses solides. La figure 2 illustre l'échelle de subsurface d'un projet typique de stockage salin.
Pour trouver des options de sous-sol permettant de stocker de grands volumes de dioxyde de carbone, les scientifiques doivent effectuer un travail de reconnaissance sous forme d'études de faisabilité afin de recueillir des données géologiques de sous-sol et d'identifier les zones susceptibles d'abriter des formations géologiques appropriées. Pour la plupart des projets de stockage, ce travail comprend la collecte et l'analyse des données géophysiques et géochimiques des puits existants, la création de modèles 3D de la géologie du sous-sol et la réalisation de simulations d'injection, le forage d'un puits de caractérisation pour recueillir de nouvelles données géophysiques et des échantillons de carottes de roche afin de confirmer la présence d'un réservoir, et la réalisation d'études géophysiques pour confirmer que les formations géologiques sont présentes dans toute la zone d'étude. Une fois qu'il a été déterminé qu'un site d'injection potentiel peut être utilisé pour injecter du dioxyde de carbone, l'installation d'injection peut être construite et les opérations d'injection peuvent commencer.
Les opérations de stockage du dioxyde de carbone suivent des protocoles d'ingénierie et de sécurité très stricts pour garantir un stockage sûr et efficace. Une explication plus détaillée à ce sujet est fournie dans la section suivante.
Le stockage géologique est-il sûr ?
Si le dioxyde de carbone est un polluant dans l'atmosphère et dans l'eau potable, il ne l'est pas dans le sous-sol profond où il existe déjà naturellement. Le dioxyde de carbone peut être stocké dans le sous-sol profond de manière sûre et efficace en suivant des protocoles techniques et de sécurité stricts, avec un risque extrêmement limité de fuite de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ou dans les aquifères d'eau potable peu profonds. Des volumes importants de dioxyde de carbone sont déjà stockés en toute sécurité dans des formations géologiques profondes dans le monde entier.
Il existe plus de 20 installations de piégeage du carbone à l'échelle commerciale en service dans le monde, qui capturent et stockent de manière permanente environ 40 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an, soit l'équivalent des émissions annuelles de plus de 8 millions de voitures particulières. La sécurité et la permanence du stockage géologique sont assurées par un choix judicieux des sites et des protocoles d'ingénierie. Une modélisation et une simulation géologiques rigoureuses de la subsurface sont effectuées avant l'injection afin de démontrer que les formations géologiques peuvent supporter le dioxyde de carbone injecté et que le dioxyde de carbone injecté restera en place.
Les puits d'injection sont conçus selon des normes extrêmement strictes afin d'éviter toute fuite du dioxyde de carbone injecté. Les exploitants de puits d'injection sont tenus de ne pas dépasser une pression déterminée qui provoquerait la fracture de la roche, ce qui garantit la préservation de l'intégrité mécanique des formations géologiques. Pendant les opérations d'injection de dioxyde de carbone, le panache de dioxyde de carbone injecté est surveillé de près à l'aide de techniques de surveillance géophysique et géochimique sophistiquées afin de suivre l'emplacement et la taille du panache tout au long du projet. Cette surveillance permet de s'assurer que le panache ne se déplace pas là où il ne devrait pas, comme à proximité de failles. Après l'arrêt de l'injection, le panache continue d'être surveillé pour s'assurer qu'il s'est stabilisé et qu'il ne migre pas. Une fois que l'opérateur peut démontrer que le panache s'est stabilisé, le puits d'injection est bouché pour empêcher toute migration du dioxyde de carbone dans le trou ouvert.
Les processus rigoureux d'ingénierie et de conception résumés ci-dessus sont des mesures de routine prises dans le cadre de chaque projet de stockage de dioxyde de carbone pour garantir la sécurité, l'efficacité et la longévité du stockage géologique. La technologie et les méthodes d'injection, de stockage et de surveillance du dioxyde de carbone dans le sous-sol ont atteint leur maturité et sont pratiquées depuis 1972. De multiples projets de stockage de dioxyde de carbone à l'échelle commerciale dans le monde ont démontré avec succès que le dioxyde de carbone peut être stocké en toute sécurité dans des formations géologiques. Ces projets de stockage font l'objet d'une planification rigoureuse des risques et des mesures d'atténuation, de sorte qu'en cas de fuite de dioxyde de carbone, l'injection cesse immédiatement et que des techniques d'atténuation appropriées soient appliquées pour identifier le mécanisme de fuite et y remédier. En 2005, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat a publié un rapport sur le risque limité de fuite de dioxyde de carbone associé au stockage géologique.
Il existe également des réglementations dans l'UE pour garantir que les sites font l'objet d'une surveillance adéquate en matière de sécurité. La directive CSC de la Commission européenne est le principal paquet législatif qui détaille la manière dont le stockage du dioxyde de carbone peut être effectué dans l'UE. Elle prévoit des règles strictes pour garantir que les sites de stockage de dioxyde de carbone soient régulièrement contrôlés. En vertu de l'article 13 de la directive CSC, les États membres doivent veiller à ce que les sites de stockage soient surveillés, tandis que l'article 14 stipule que les exploitants des sites de stockage doivent rendre compte aux autorités compétentes, au moins une fois par an, du bon fonctionnement du site de stockage. En outre, l'article 15 prévoit que les États membres veillent à ce que les sites de stockage fassent l'objet d'inspections fréquentes.
Malgré les données écrasantes qui démontrent la sécurité du stockage géologique, des inquiétudes subsistent. Une préoccupation courante est le risque de tremblements de terre d'origine humaine. Lorsque des fluides sont injectés dans la roche à une pression qui dépasse la résistance de la roche, comme dans l'exploration du gaz de schiste, de petites fissures peuvent se former. Ce processus, communément appelé "fracking", entraîne parfois des microséismes - de petites secousses mesurables uniquement par des instruments extrêmement sensibles, à des niveaux rarement perçus par les humains. Cependant, contrairement à l'exploration gazière, les pratiques de stockage géologique sont conçues pour éviter la fracturation. En effet, les microfractures réduisent plutôt qu'elles n'augmentent les volumes de dioxyde de carbone qui peuvent être stockés dans la roche réservoir.
Comme indiqué ci-dessus, les exploitants de projets de stockage géologique surveillent en permanence les pressions du réservoir et les pressions d'injection et sont tenus de maintenir des pressions inférieures à celles qui pourraient fracturer la roche. Le projet Decatur du bassin de l'Illinois, aux États-Unis, a injecté avec succès plus d'un million de tonnes de dioxyde de carbone dans un réservoir salin profond et a réalisé une étude approfondie de surveillance microsismique pendant l'injection. Les résultats de la surveillance sismique ont montré que des événements microsismiques minimes se sont produits, bien inférieurs à ce qui serait nécessaire pour compromettre la roche mère ou être ressentis par les humains à la surface.
Une conception et des contrôles techniques appropriés garantissent que le stockage géologique peut être effectué en toute sécurité, ce que divers projets de stockage dans le monde ont démontré dans la pratique. Ensuite, nous verrons comment le dioxyde de carbone est effectivement piégé et stocké en toute sécurité dans les formations géologiques.
Comment le dioxyde de carbone injecté est-il piégé et combien de temps le dioxyde de carbone injecté peut-il rester stocké en toute sécurité ?
Les fluides anciens tels que la saumure et les hydrocarbures, ainsi que le dioxyde de carbone, sont présents naturellement dans les formations géologiques de subsurface et ont été piégés dans le sous-sol, dans certains cas, pendant des centaines de millions d'années. Ces fluides anciens et naturels constituent un analogue valable de la capacité des réservoirs géologiques de subsurface à retenir en toute sécurité le dioxyde de carbone sur des échelles de temps géologiques. Le pétrole et le gaz que nous extrayons des formations géologiques ont été piégés pendant des millions d'années dans le sous-sol et y resteraient pendant des millions d'années à l'avenir si nous ne les extrayions pas activement.
Alors, comment le dioxyde de carbone est-il piégé ? Continuons à utiliser les hydrocarbures comme analogie. Comme le dioxyde de carbone, les hydrocarbures sont moins denses que l'eau et ont donc migré vers le haut à travers les roches et les fractures au cours des temps géologiques suivant leur génération jusqu'à ce qu'ils rencontrent un "piège" géologique. En termes simples, un piège géologique est constitué d'une roche imperméable sus-jacente, que nous appelons roche couverture ou joint, et d'une formation rocheuse poreuse sous-jacente qui agit comme un réservoir de fluides. Les pièges géologiques peuvent se présenter sous la forme de structures géologiques comme les anticlinaux, qui sont des structures en forme de dôme, les failles qui ont été scellées par une minéralisation, et les pièges stratigraphiques (figure 3). Dans tous les cas, les pièges géologiques sont capables de "piéger" les fluides flottants, les empêchant de migrer vers le haut, où ils peuvent rester dans la subsurface sur des échelles de temps géologiques. Lors de la prospection de zones pétrolières et gazières, les géologues cherchent à identifier les zones du sous-sol où existent des pièges géologiques qui ont accumulé des hydrocarbures au fil du temps.
De même, lors de la planification d'un projet de stockage de dioxyde de carbone, un géologue " prospecte " soigneusement les pièges géologiques qui, au lieu de piéger les hydrocarbures, seraient capables de piéger structurellement le dioxyde de carbone injecté.
Si le piégeage structurel, tel que décrit ci-dessus, est le mécanisme de piégeage le plus dominant, d'autres mécanismes de piégeage existent également dans les formations géologiques et offrent une sécurité supplémentaire (figure 4). Ces mécanismes comprennent le piégeage par solution, le piégeage résiduel et le piégeage minéral. Lors de l'injection dans des aquifères salins, une partie du dioxyde de carbone injecté se dissout lentement dans la saumure présente dans l'espace interstitiel de la roche et est piégée de façon permanente par le piégeage de solution. Une partie du dioxyde de carbone injecté sera piégée dans les petits espaces interstitiels sous forme de dioxyde de carbone résiduel immobile, comme l'eau dans une éponge qui reste après l'essorage. Ce mécanisme est appelé piégeage résiduel. Le dernier mécanisme de piégeage du dioxyde de carbone se produit lorsque le dioxyde de carbone dissous réagit avec la roche réservoir pour former un nouveau minéral, ce qui est appelé piégeage minéral. Ce mécanisme de piégeage piège effectivement le dioxyde de carbone de façon permanente sous la forme d'un minéral solide.
Si l'on utilise les gisements d'hydrocarbures naturels comme analogie, le dioxyde de carbone, lorsqu'il est correctement injecté dans des pièges géologiques, peut rester stocké dans le sous-sol pendant bien plus longtemps que l'existence de la civilisation moderne sur cette planète (c'est-à-dire des millions d'années).
Les failles et les fractures peuvent-elles permettre au dioxyde de carbone injecté de migrer vers la surface ?
Les failles et les fractures peuvent présenter un risque pour le dioxyde de carbone stocké si elles permettent de contourner les pièges jusqu'à la surface. Dans les roches plus anciennes, cependant, les failles et les fractures existantes peuvent être remplies de minéraux, ou minéralisées, de sorte qu'elles constituent en fait d'excellents pièges lorsque des formations imperméables ont été tectoniquement juxtaposées à des formations perméables. Ainsi, lorsqu'une faille apparaît dans un examen géologique en vue d'un projet de stockage, il est important de déterminer de quel type de faille il s'agit. Une réglementation solide exigeant une étude géologique détaillée est essentielle pour identifier ces caractéristiques et déterminer si elles sont transmissibles ou imperméables dans les conditions d'injection prévues.
Si la perméabilité est probable, ou s'il existe un risque sismique à proximité, un site ne peut pas - et ne doit pas - être admissible à un permis de stockage. La réglementation prévoit ces protections, en exigeant l'identification et la surveillance de toutes les failles et fractures potentiellement transmissibles. Nous examinerons comment le stockage sûr du dioxyde de carbone est réglementé en Europe dans la section suivante.
Comment le stockage sûr du dioxyde de carbone est-il réglementé en Europe ?
Pour garantir une bonne gouvernance, avec des règles et des responsabilités claires pour le stockage sûr du dioxyde de carbone, tout en assurant la suppression des obstacles juridiques, un cadre juridique solide est nécessaire. Heureusement, un cadre juridique pour le stockage géologique sûr du dioxyde de carbone existe déjà en Europe. En 2009, l'Union européenne a adopté la directive sur le captage et le stockage du carbone (directive CSC) dans le cadre du paquet climat-énergie 2009. La directive CSC fournit un cadre juridique pour garantir le stockage géologique sûr du dioxyde de carbone sur le plan environnemental et crée la sécurité juridique nécessaire pour que les investisseurs construisent des sites de stockage du dioxyde de carbone à grande échelle (y compris le captage et le transport). Comme décrit dans le rapport 2019 de la Commission européenne sur la mise en œuvre de la directive CSC, ce cadre vise à garantir que, pour tout projet de stockage géologique donné ; 1) il n'y a pas de risque important de fuite de dioxyde de carbone du réservoir géologique, 2) il n'y a pas de risque important de dommage à la santé publique ou à l'environnement, et 3) il n'y a pas d'effets négatifs sur la sécurité du réseau de transport ou des sites de stockage. La directive CSC porte essentiellement sur la sélection des sites de stockage du dioxyde de carbone ainsi que sur les obligations en matière de surveillance, d'autorisation, de fermeture et de post-fermeture. La directive CSC a été transposée en droit national par tous les États membres de l'UE et de l'EEE, bien qu'à des degrés divers. Certains États membres l'ont directement transposée dans leur législation nationale et d'autres, comme l'Allemagne et les Pays-Bas, ont mis en œuvre des mesures supplémentaires et plus strictes.
Qui décide où le dioxyde de carbone doit être stocké ?
Bien que la directive CSC prévoie un cadre juridique pour le captage, le transport et le stockage du dioxyde de carbone dans l'UE et l'EEE, il appartient aux États membres de décider de la manière de procéder.
L'article 4 de la directive CSC indique clairement qu'il appartient aux États membres de décider si le stockage du dioxyde de carbone est autorisé sur une partie ou sur l'ensemble de leur territoire. Cette décision sera fondée sur des évaluations qui considèrent que certaines zones conviennent au stockage du dioxyde de carbone, comme le rapport de synthèse sur le stockage géologique du dioxyde de carbone de l'UE décrit ci-dessus. En vertu des articles 5 et 6, si une zone est jugée propice au stockage, les États membres peuvent alors autoriser certaines parcelles pour l'exploration et le stockage, ce qui donne au titulaire des droits exclusifs pour explorer et stocker le dioxyde de carbone dans ces zones désignées. L'article 7 prévoit des règles strictes quant à la manière dont ces permis doivent être accordés aux opérateurs de stockage, y compris la démonstration de l'expertise technique et de la capacité à répondre aux exigences financières qui sont décrites plus en détail dans les sections suivantes. En fin de compte, c'est l'autorité compétente - généralement un ministère de l'environnement ou du climat - qui décide qui peut explorer et stocker le dioxyde de carbone dans une zone terrestre particulière et quelles sont les conditions de ces permis.
Qui est responsable des fuites éventuelles de dioxyde de carbone provenant des sites de stockage ?
En cas de fuite potentielle de dioxyde de carbone d'un site de stockage, il est nécessaire d'établir des règles claires concernant la responsabilité en cas de violation de la réglementation sur le stockage du dioxyde de carbone ainsi que les dommages potentiels pour l'environnement et le climat. La directive CSC, ainsi que la directive sur la responsabilité environnementale (ELD) et la directive sur le système d'échange de quotas d'émission (directive SCEQE) prévoient trois types de responsabilité : la responsabilité des mesures correctives, la responsabilité des dommages environnementaux et la responsabilité des dommages climatiques résultant d'une fuite.
L'article 16 de la directive CSC décrit ces formes de responsabilité. L'exploitant doit prendre des mesures correctives en cas de fuites et d'irrégularités importantes. De même, l'exploitant doit prendre des mesures préventives ou correctives en vertu de la directive ELD lorsqu'il existe une menace imminente ou un dommage réel à l'environnement. En outre, les quotas d'émission doivent être restitués conformément à la directive SCEQE pour toute fuite de dioxyde de carbone.
Si les opérateurs de stockage doivent se conformer aux règles prévues par la directive CSC et sont responsables des fuites de dioxyde de carbone sur les sites de stockage en exploitation, ces responsabilités sont finalement transférées à l'État après la fermeture du site de stockage et l'écoulement d'un certain temps. L'article 18 de la directive CSC prévoit que ces responsabilités sont transférées à l'État après qu'un minimum de 20 ans se soit écoulé depuis la fermeture du site de stockage. Ce transfert de responsabilité est assorti d'exigences strictes, notamment que toutes les preuves disponibles indiquent que le dioxyde de carbone stocké sera complètement et définitivement confiné. En outre, les exploitants du stockage doivent également fournir une contribution financière, à utiliser pour la surveillance et toute autre dépense liée à l'entretien du site de stockage, qui est prévue à l'article 20.
En somme, les caractéristiques inhérentes à la formation rocheuse et aux analogues du stockage du carbone, accompagnées des exigences réglementaires en matière de planification, d'injection, de stockage et de surveillance du dioxyde de carbone injecté, suggèrent fortement que le stockage géologique bien situé présente un faible risque à long terme, et qu'il est permanent. Les fuites liées au projet seront une exception rare et leur ampleur sera limitée en raison de ce que nous savons de la physique du piégeage géologique du dioxyde de carbone injecté, des décennies d'expérience de l'injection de dioxyde de carbone et d'autres analogues, et des exigences réglementaires existantes pour la sélection et l'exploitation des sites d'injection et de stockage du dioxyde de carbone, y compris les exigences relatives à la construction des puits d'injection et à l'intégrité mécanique. C'est la permanence nécessaire pour atteindre les objectifs de réduction du dioxyde de carbone que le stockage géologique offre pour les émissions de dioxyde de carbone capturées.
