Le jeudi 9 mai 2013
Le colloque abordera les différents types de séquestration du carbone (ou CO2). Il se focalisera sur l’option du stockage souterrain du CO2 dans un milieu géologique approprié. Il s’intéressera également aux autres formes de séquestration du CO2 dont la carbonatation minérale et les puits de carbone forestiers.
Une conférence de prestige sera donnée par M. Alain Bonneville (Pacific Northwest National Laboratory, États-Unis) sur le projet de démonstration industrielle de captage, de transport et de séquestration géologique du CO2 FutureGen 2.0.
Une invitée de marque du Bureau des changements climatiques du Ministère du Développement durable, de l'Environnement, de la Faune et des Parcs, Mme Kim Ricard, présentera le nouveau marché du carbone au Québec.
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Le développement de la filière du Captage et Stockage de CO2 repose sur la gestion et la maîtrise des risques (c'est-à-dire identification et évaluation des risques, surveillance et mesures correctives), qui permettent d'assurer la sécurité des hommes et de l'environnement. Cette filière pose des défis pour plusieurs raisons. Parmi celles-ci, on trouve principalement les incertitudes inhérentes au sous-sol, la durée exigée pour l'efficacité du stockage, le maintien de la sécurité sur le long terme ou encore la complexité des interactions situées au croisement de différents domaines scientifiques posées par l'injection du gaz dans le sous-sol. Depuis plusieurs années, le BRGM a développé une expertise et s'est doté d'outils pour répondre à ces défis à travers différents projets traitant spécifiquement de la connaissance et de la maîtrise des risques. Le BRGM a ainsi développé des compétences en identification des risques, en propagation des incertitudes lors de l'appréciation du risque, et modélisation d'évènements de risque spécifiques, en outils de surveillance innovants. Le BRGM travaille aussi à fournir des recommandations pour l'établissement des plans de gestion du risque réglementaires d'après la directive européenne sur le stockage de CO2.
Les aquifères salins sont reconnus comme l'un des principaux réservoirs favorables à la séquestration du CO2 ; ceci de par la capacité poreuse des formations qui les contiennent. À cause du contenu en saumure, l'eau présente dans les pores des formations fait croître la conductivité électrique de ces dernières. La sensibilité de la méthode magnétotellurique (MT) à la variation de la conductivité électrique des roches en fait un bon outil pour répertorier les formations conductrices. De plus, sa capacité à investiguer à des profondeurs supérieures à 800 mètres, permet de favoriser son utilisation pour détecter les aquifères salins ciblés pour le stockage. Les mesures MT peuvent être contaminées par des champs électromagnétiques provenant de sources anthropiques environnantes. L'utilisation de mesures bruitées peut biaiser l'estimation des conductivités électriques apparentes des formations. Une technique permettant de pallier à ce problème est de mesurer simultanément les signaux MT en une ou plusieurs stations supplémentaires et éloignées de la zone d'étude. Cependant, la qualité des mesures n'est pas toujours garantie. Des mesures MT ont été acquises le long de la ligne sismique M-2001 sur 40 km, allant de Sainte-Croix à Saint-Sylvestre. Des signaux identifiés comme un bruit transitoire ont été observés sur les mesures. La technique de déconvolution prédictive communément utilisée en traitement sismique est testée pour évaluer sa capacité à réduire ou à supprimer ces bruits.
La carbonatation minérale du CO2 dans les résidus miniers ultramafiques est une réaction qui se produit naturellement sous des conditions environnementales et qui permet de séquestrer de façon permanente le CO2 atmosphérique. Néanmoins, il n'existe pas encore de mesure expérimentale de la masse de CO2 qui peut être séquestrée dans les résidus miniers actuels.
Pour comprendre les facteurs qui influencent la réaction de carbonatation et sa cinétique, deux parcelles expérimentales ont été construites avec des résidus d'usinage provenant de la mine de LAB Chrysotile de Black Lake. Elles représentent un modèle réduit des piles de résidus miniers retrouvées dans la région de Thetford Mines. Les parcelles sont instrumentées afin de mesurer les variables déterminantes dans la réaction de carbonatation, soit : la teneur en eau des résidus, la vitesse et la direction d'écoulement de l'air dans la parcelle ainsi que les conditions atmosphériques ambiantes, la température des résidus minier, la concentration de CO2 dans la zone non saturée, la composition chimique des lixiviats et la teneur en C des résidus miniers de la parcelle.
Dans cette affiche, nous allons présenter les processus importants et le modèle conceptuel de carbonatation minérale du CO2 tel qu'observé dans la parcelle en relation avec les conditions environnementales. Ces résultats constitueront la base des travaux de modélisation numérique d'écoulement multiphase avec transport réactif qui seront entrepris par la suite.
Parmi les nombreuses options proposées pour diminuer les émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES) au Québec, le stockage géologique du CO2 dans le bassin sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent (BTSL) est l'option la plus prometteuse. Bien que les conditions y soient réunies pour permettre le stockage, les impacts environnementaux à l'échelle du bassin sédimentaire (migration des saumures vers des nappes d'eau douce et augmentation de la pression dans le système hydrogéologique entraînant la remontée de nappes environnantes) doivent être évalués.
Pour quantifier ces impacts, l'injection de CO2 sera simulée à l'aide d'un modèle numérique d'écoulement des fluides. Le modèle permettra de simuler l'écoulement de l'eau souterraine, le transport de solutés (chlorures), le transport de chaleur et les effets de densité à l'échelle du bassin sédimentaire.
Toutefois, le développement d'un modèle numérique nécessite l'utilisation d'un modèle hydrostratigraphique des BTSL. Puisqu'il n'existe pas de tel modèle pour l'instant, nous allons le développer à l'aide d'une compilation des données hydrogéologiques disponibles. Ces données sont majoritairement issues d'essais de puits, réalisés par des compagnies d'exploration gazière. Les données obtenues à partir de ces essais seront compilées pour créer le modèle hydrostratigraphique des BTSL, qui sera couplé au modèle géologique 3D des BTSL afin de pouvoir réaliser la modélisation en 3D de l'injection de CO2 dans les BTSL.
Le plan d'action du Québec (2013-2020) souligne son engagement à limiter les émissions de CO2. Il est donc important d'adapter des technologies, au sein des industries, pour réduire ces émissions. Dans ce cadre, le présent projet vise la revalorisation des déchets industriels et miniers dans la séquestration du CO2. Il se base sur la technologie de carbonatation minérale mimant le processus naturel. Il s'agit de la réaction des cations bivalents avec le CO2 des effluents gazeux industriels formant ainsi des carbonates solides. Actuellement, aucun procédé de ce type n'a été implanté au niveau industriel. Cela est attribuable aux coûts des étapes de prétraitement du matériel et des conditions opératoires de la carbonatation. Le but est de développer un procédé rentable pour son adoption dans l'industrie.
Les matières étudiées sont le béton usé et des roches calciques. Des essais en voie humide et sèche sont envisagés.Des expériences préliminaires ont été réalisées à température ambiante et faible pression en milieu aqueux pour évaluer le potentiel de carbonatation des matières. Le taux d'enlèvement de CO2 obtenu avec le béton usé est de 38% à 79%, et de 39% à 45% avec les roches calciques. L'optimisation des conditions opératoires du procédé par voies humide et sèche est nécessaire. La caractérisation des produits de la réaction permettra d'étudier leur potentiel de valorisation. La compréhension des mécanismes réactionnels servira ensuite de base pour modéliser la réaction.
Pour le Québec, l'une des mesures clés du plan d'action 2013-2020 sur les changements climatiques consiste en la mise en place d'un système de plafonnement et d'échange de droits d'émission de gaz à effet de serre (SPEDE) qui s'insère dans un marché nord-américain du carbone. Il induit un signal de prix associé au carbone dans l'économie, qui incite à la réduction des émissions de GES. La présentation portera principalement sur les modalités de fonctionnement du SPEDE, qui est en vigueur depuis 2012.
Afin d'atténuer l'impact des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de se conformer aux différentes réglementations visant à les contrôler, la capture et le stockage du carbone à la cheminée est présentement une option non-viable pour les industries présentant des rejets à faible concentration de CO2. Le boisement de territoires forestiers improductifs en zone boréale pourrait constituer une alternative. Les résultats issus de simulations effectuées à l'aide du modèle MBC-SFC3 révèlent que le boisement de peuplements improductifs boréaux peut-être une méthode d'atténuation efficace, particulièrement lorsque l'approche préconisée est la plantation sous-couvert. Avec cette approche, les superficies boisées présentent un bilan carbone positif de 8 à 12 ans après la plantation. Au Québec, une opération de boisement à grande échelle de territoires improductifs, au rythme de 20 k ha an-1 sur une période de 20 ans (400 k ha au total), pourrait fournir aux industries réglementées un potentiel d'atténuation significatif correspondant à près de 8% des émissions annuelles liées à des procédés industriels (chiffre de 2009), 45 ans après la première plantation. Malgré certaines incertitudes, abordées dans cette présentation, liées aux bénéfices économiques et environnementaux de cette approche, cette étude constitue une première évaluation sur la contribution du boisement de peuplements improductifs boréaux à l'atténuation des GES des grands émetteurs finaux.
Les projets de séquestration et de stockage de carbone sont typiquement évalués à l'aide de bilans de gaz à effet de serre où la quantité totale de CO2 stockée peut être utilisée pour compenser une émission équivalente. Or, ces bilans ne permettent pas de tenir compte des aspects temporels de ces projets. Par exemple, comment évaluer les bénéfices du stockage temporaire dans le cas où le CO2 est réémis à l'atmosphère un certain nombre d'années suivant la séquestration ? Ou comment évaluer l'impact du délai nécessaire à la séquestration du carbone par les arbres en croissance dans le cas des projets de séquestration en forêt ? Une méthode a été développée pour évaluer les impacts sur le réchauffement climatique en fonction du temps pour n'importe quel type de produit ou de projet. Cette méthode est appliquée à deux études de cas hypothétiques : un projet de séquestration en forêt boréale et un projet de séquestration géologique avec fuites. Les résultats montrent que pour un horizon de temps donné, le délai de séquestration du carbone par les arbres en croissance tend à diminuer les bénéfices sur le réchauffement climatique du projet. La méthode permet aussi de comparer de façon cohérente et rigoureuse l'impact sur le réchauffement climatique de différents scénarios de séquestration géologiques en termes de potentiel de fuites et de durée de stockage. L'impact du choix d'un horizon de temps sur l'analyse des résultats est aussi discuté.
La technologie du captage, du transport et de la séquestration géologique du CO2 représente une alternative nouvelle, particulièrement bien adaptée aux sources concentrées et fixes de CO2 pour réduire les émissions de CO2.
D'une part, 17 projets industriels de séquestration géologique du CO2, de par leur taille et leur viabilité économique, ont été recensés à travers le monde. Ces projets sont implantés en Amérique du Nord, en Europe, en Afrique du Nord et en Australie. Fin 2012, huit de ces projets industriels fonctionnaient déjà. Neuf autres étaient confirmés et leur construction avait débuté.
D'autre part, 17 projets pilotes de séquestration géologique du CO2, c'est-à-dire expérimentaux, ont été identifiés sur la planète. Ces projets ont lieu en Amérique du Nord, en Amérique latine, en Europe, au Moyen-Orient, en Asie et en Australie. Fin 2012, 14 de ces projets étaient en opération à travers le monde. Trois autres étaient en construction.
Les projets en phase de planification qui n'ont pas encore été confirmés, notamment par une décision finale d'investissement, ne sont pas retenus. En tout, plus de 70 projets industriels de séquestration géologique du CO2, à différentes phases (identification générale, construction, fonctionnement, etc.), existent dans le monde.
Au Québec, le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent a été identifié comme étant celui qui présente le meilleur potentiel de stockage géologique du CO2. Ce bassin contient d'excellents ensembles réservoir-couverture, plusieurs puits et données sismiques sont disponibles, l'accessibilité est facile et les infrastructures y sont bien développées. De plus, des aquifères salins sont présents en profondeur au sein de la séquence sédimentaire et constituent les cibles pour le stockage du CO2.
Pour mieux évaluer et analyser ce bassin, un modèle géologique 3D a été construit dans lequel 13 failles normales y sont incluses. Ainsi, un modèle volumique a été construit pour chacune des unités géologiques où la densité du CO2 est connue en tout point du modèle en fonction des gradients de température et de pression. Il est alors possible de calculer la capacité de stockage de CO2 en connaissant la porosité moyenne des deux unités réservoirs cibles du bassin des Basses-Terres du St-Laurent : les formations de Covey Hill et de Cairnside du Groupe de Potsdam.
Pour l'ensemble du bassin, la capacité effective de stockage de ces deux unités est estimée de 0,81 à 9,58 gigatonnes de CO2 en fonction de différents facteurs d'efficacité. Étant donné que les grands émetteurs (plus de 100 000 tonnes de CO2 par an) génèrent 20 millions de tonnes de CO2 par an dans la province de Québec, le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent pourrait alors stocker ces émissions pendant 41 à 429 années.
Après-midi
Depuis plusieurs années, les techniques de capture et de séquestration du CO2 ont suscité un grand intérêt de la part de la communauté scientifique. Parmi elles, la carbonatation minérale, basée sur la réaction entre le CO2 et un oxyde métallique, principalement de magnésium et de calcium, afin de former des carbonates, stables et inertes. Le Québec, de part son activité minière, possède une quantité considérable de résidus riches en Mg (20-40% MgO) de composition proche de la serpentine. Ainsi, des études ont été réalisées afin d'évaluer le potentiel de ces matériaux pour traiter un gaz de combustion contenant en moyenne 18% de CO2.
La réaction est réalisée en phase aqueuse, à basse température et basse pression dans un réacteur agité. Les résultats ont montré un taux d'enlèvement en CO2 de 80%. Par ailleurs, afin de réduire les coûts liés aux besoins énergétiques du prétraitement du matériel (broyage et activation thermique), l'accent a été mis sur l'obtention d'un carbonate de magnésium ayant un potentiel de revente. Par conséquent, la précipitation des carbonates est réalisée hors du réacteur, offrant un produit quasi pur.
Le procédé ainsi développé offre un taux d'enlèvement de CO2 élevé dans des conditions douces. De plus, la possible revalorisation des sous produits permet un bilan économique favorable rendant l'implantation à grande échelle de cette technologie avantageuse.
L'utilisation des résidus miniers (RM) pour soustraire le CO2 de l'air est une alternative récemment envisagée comme solution permanente pour la séquestration du CO2. La carbonatation implique d'abord et avant tout le magnésium d'origine brucitique (Mg(OH)2) présent dans les RM dont la teneur est variable suivant de l'origine des RM. De ce fait, la détermination précise de la quantité de brucite native contenue dans les RM constitue une étape cruciale pour l'estimation de leur capacité potentielle pour la capture du CO2 et pour l'évaluation des temps caractéristiques des cinétiques de carbonatation.
Les serpentines et la brucite sont deshydroxylables à température élevée. Ceci permet d'envisager une possibilité de quantification de la teneur en brucite basée sur la quantification de l'eau libérée lors de leur décomposition thermique. Nous avons donc mis en œuvre une combinaison de techniques thermogravimétriques et de spectrométrie de masse afin de suivre la dynamique de décomposition de la brucite et de diverses serpentines constituant les RM. Les résultats ont fourni une approche fiable, rapide et précise pour la quantification de la brucite. Les marges d'erreur sur l'estimation de la fraction massique en brucite sont aussi basses que ~0,05% pour les RM et ~0,02% pour les agrégats de serpentines et font de cette méthode un outil prometteur pour la quantification de la brucite native.
Le BRGM est l'établissement public français spécialiste des applications des sciences de la Terre pour gérer les ressources et les risques du sol et du sous-sol.
Le BRGM fait partie des pionniers au niveau international dans le domaine du stockage géologique du CO2. Ses activités de recherche ont commencé en 1993 avec le projet Joule et incluent désormais le travail sur des analogues naturels, sur les sites de Sleipner, Lacq, Weyburn, In Salah et Ketzin ainsi que sur la création de démonstrateurs en France.
Le BRGM fait porter ses efforts de recherche sur :
- l'évaluation des capacités de stockage des aquifères profonds ;
- la sélection et la caractérisation des sites de stockage ;
- la modélisation prédictive des sites à différentes échelles ;
- l'analyse de risque, l'évaluation des impacts potentiels de fuites et la définition de critères de sécurité ;
- le développement d'outils et méthodes de surveillance, autant géophysiques que géochimiques ou microbiologiques ;
- le développement de plans et de méthodes de mitigation-remédiation en cas de comportement anormal du stockage.
Le BRGM est un acteur majeur de la dynamique académique européenne, par le réseau CO2GEoNet, l'action de coordination CGS Europe et la plateforme technologique Zero Emission Fossil Fuel Power Plant (ZEP).
La présentation s'attachera à présenter ses diverses activités au travers de projets phare.
Le stockage géologique de CO2 est une des solutions envisagées pour la réduction de l'augmentation de la concentration du CO2 atmosphérique (e.g. Gale, 2004 ; Hepple and Benson, 2005). Les réservoirs appauvris de pétrole et de gaz sont considérés comme de bons sites de stockage potentiels. La surveillance d'un site de stockage géologique de CO2 est indispensable et ce, pour deux raisons principales : la qualification de l'intégrité du stockage et l'acceptation sociétale.
L'objectif ici est de présenter une méthodologie combinant la composition en gaz majeurs, en gaz rares et l'isotopie du carbone et ce, pour les pôles purs représentés par (i) l'Air, (ii) le gaz présent initialement dans le Réservoir, et (iii) le gaz injecté (CO2). L'ensemble de ces analyses couplées à celles des gaz des sols et des aquifères présents permettent d'identifier sans ambigüité une fuite éventuelle au sein de ces compartiments.
L'exemple concret de la mise en application de cette méthodologie pour la surveillance d'un site de stockage en réservoir appauvri de gaz sera présenté (Garcia et al., 2012). La signature géochimique de chacun des compartiments présents a été déterminée permettant l'élaboration de courbes de mélange attendues en cas de fuite du gaz injecté vers un compartiment hôte.
Gale, J., 2004. Energy, 29, 1330-1338. Hepple, R.P., Benson, S.M., 2005. Environ. Geol., 47, 576-585. Garcia, B., et al., 2012. OGST, 67, 341-353.
Suivant le gradient géothermique, la densité du CO2 va augmenter avec la profondeur jusqu'à atteindre, à environ 800 mètres ou plus, la phase supercritique (GIEC, 2005). La profondeur où le changement de phase s'effectue peut être déterminée en utilisant le diagramme de phase du CO2 (Atkins, 1982) où la température et la pression sont les paramètres qui déterminent la phase. À l'échelle d'un bassin sédimentaire, tel les Basses-Terres du Saint-Laurent, le gradient géothermique n'est pas uniforme. Divers facteurs peuvent influencer les variations locales et régionales, tels les intrusifs et les diverses lithologies.
Lors des activités d'exploration pétrolières et gazières, des levés de température sont effectués dans les puits. Les mesures de température sont généralement associées aux diagraphies de fin de forage. Cependant, la condition du puits lors des levés de températures affecte les mesures (Hasen et Kabir, 2002).
Junex présente les résultats de ses levés de température dans les puits. Ils ont été effectués à différents moments et dans différentes conditions. Les levés ont permis de déterminer : 1) le degré de répétabilité des lectures, 2) déterminer les gradients géothermiques selon les lithologies, 3) observer une variabilité régionale, 4) mettre en évidence les erreurs associées aux méthodes d'acquisitions de données et 5) établir la profondeur pour atteindre la température nécessaire pour le CO2 en phase supercritique.
Le bassin sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent est reconnu comme la meilleure cible pour le stockage géologique du CO2 au Québec. L'étanchéité de la roche-couverture est un enjeu majeur dans le cadre du stockage du CO2. Les failles préexistantes ou les systèmes de fractures naturelles au sein de la roche-couverture (Shale d'Utica, Gr. de Lorraine) pourraient servir de chemins de fuite pour le CO2 injecté dans les grès de réservoir (Fm de Covey Hill). Une approche quantitative et la modélisation numérique sont utilisées afin d'évaluer les propriétés mécaniques de la masse rocheuse, l'étanchéité et la stabilité mécanique des failles et des fractures en tenant compte de l'orientation et de la magnitude du stress actuel SHmax et de l'augmentation de la pression des fluides suite à l'injection du CO2. Les données de terrain et de sous-surface sont utilisées afin d'estimer l'étanchéité des failles en appliquant la méthode d'évaluation de la proportion du shale entrainé dans le plan de faille. Les résultats obtenus supportent que les failles étudiées sont étanches (SGR > 21%) au-dessus des grès de réservoir. Les deux systèmes de fractures établis dans la roche-couverture sont peu favorables à la circulation des fluides, les fractures étant soit courtes et discontinues, soit sub-orthogonales à l'orientation du SHmax. Le respect de la pression d'injection maximale permet d'éviter la fracturation de la roche-couverture et de préserver la stabilité mécanique des failles.
Les méthodes géostatistiques sont utilisées pour optimiser l'analyse de données de sismique-réflexion pour la caractérisation structurale et pétrophysique de sites pour le stockage géologique du CO2. Deux exercices virtuels sont effectués à partir des données de sismique-réflexion acquises sur des sites québécois : le krigeage par dérive externe (KDE) est utilisé pour modéliser les unités stratigraphiques de la plate-forme du Saint-Laurent à Bécancour ; et les simulations gaussiennes séquentielles (SGS) sont appliquées selon une approche Bayésienne pour modéliser la porosité du réservoir du Groupe de Beekmantown à Saint-Flavien. Afin d'optimiser les données éparses disponibles à Bécancour, les toits de formations géologiques identifiés à 11 puits sont krigés en utilisant des horizons modélisés à partir de 100 km de lignes sismiques 2D comme dérive externe. Les horizons géologiques ainsi krigés montrent un bon compromis entre la structure spatiale globale exprimée par les variogrammes évalués aux puits et les variations spatiales exprimées par la dérive externe évaluée sur les horizons modélisés à partir des lignes sismiques 2D en temps. À Saint-Flavien, l'intégration des données sismiques 3D en amplitude et en impédance acoustique avec des diagraphies de forage par SGS permet une évaluation réaliste du volume de pores disponibles pour le stockage géologique du CO2, ainsi qu'une estimation de la variabilité sur les distributions de porosité modélisée.
Le changement climatique est avéré et causé par les émissions de gaz à effet de serre dont le CO2 est la principale contribution. Présentement, le CO2 augmente avec la croissance de l'utilisation des combustibles fossiles. Plutôt que de laisser les émissions de CO2 se faire dans l'atmosphère, il est possible de le capturer et de le séquestrer dans des aquifères salins profonds. Il s'agit d'une technique prometteuse qui permettrait de réduire le réchauffement global. Cette présentation aborde l'étude de la faisabilité de l'injection de CO2 à l'état supercritique dans les aquifères salins de la région de Bécancour du bassin sédimentaire des Basses Terres du St. Laurent. Des simulations numériques de l'injection du CO2 ont été effectuées en utilisant le simulateur TOUGH2/ECO2N. L'injectivité a été évaluée en analysant la sensibilité des résultats pour une gamme représentative des propriétés hydrogéologiques et pétrophysiques. La capacité de stockage a été estimée par différentes approches dynamiques / statiques pour trois sous-réservoirs de Bécancour. Aussi, on a comparé les résultats obtenus de cette estimation à l'échelle régionale ainsi qu'à l'échelle du bassin. Les résultats des simulations montrent que le débit d'injection pourrait atteindre jusqu'à 20 kg/s avec des périodes d'injection intermittentes, sans que les roches réservoirs ne soient fracturées. La capacité de stockage estimée pour les sous-réservoirs NE, NO et SE sont de 10-21, 7-20 et 68-110 Mt de CO2, respectivement.
