"Le piégeage et le stockage du carbone ne sont toujours pas une option à retenir" par Jeffrey H. Michel

NDLR : Ceci est une mise à jour importante de notre évaluation précédente [1] Carbon Capture and Storage A False Solution (SiS 39) *
* Version en français intitulée "Piégeage et stockage du carbone : une mauvaise solution " par le Dr. Mae-Wan Ho, traduction, définitions et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://yonne.lautre.net/spip.php?article2933&lang=fr
On peut également se reporter à l’article "Les énergies renouvelables comparées au piégeage et au stockage du carbone " par le Dr. Mae-Wan Ho, traduction et compléments de Jacques Hallard : « Une étude, commandée par le gouvernement fédéral allemand, considère que le piégeage et le stockage du carbone émettent dix à quarante fois plus de gaz à effet de serre que les énergies renouvelables, comme le solaire et l’éolien, et qu’ils n’offrent aucune garantie contre la hausse du coût des combustibles fossiles. Voir sur http://yonne.lautre.net/spip.php?article2935

La version originale de l’article en anglais, avec toutes les références, est intitulée Capture and Storage : Still Not An Option ; elle est accessible par les membres de l’ISIS sur http://www.i-sis.org.uk/Carbon_Capture_Storage_Still_Not_An_Option.php
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Green Energies 100% Renewables by 2050 - By Mae-Wan Ho, Brett Cherry, Sam Burcher & Peter Saunders

Le plafonnement des émissions de CO2 à partir des sources ponctuelles importantes

Un consensus général qui prévaut est que les émissions de CO2 (dioxyde de carbone), provenant de la combustion des combustibles fossiles, sont la cause la plus importante du changement climatique. La hausse des concentrations anthropiques de CO2 dans l’atmosphère font également diminuer les niveaux du pH dans les océans, mettant en péril les chaînes alimentaires aquatiques.
Les équipements de chauffage et les véhicules automobiles sont les principaux responsables des émissions de CO2 (dioxyde de carbone), mais les émissions infinitésimales provenant de ces sources individuelles doivent encore être éliminées par des technologies alternatives. Par comparaison, les grandes centrales au charbon émettent collectivement des milliards de tonnes de CO2 (dioxyde de carbone) dans le monde entier, quantités qui pourraient être hypothétiquement capturées ou piégées à la source et stockées dans des dépôts de couches géologiques.

Des colonnes de lavage à base d’amines et des membranes de diffusion sélective sont déjà employées par l’industrie du gaz naturel pour éliminer le dioxyde de carbone provenant du gaz brut, afin de répondre aux exigences du marché. Ce CO2 récupéré peut être ensuite injecté dans les gisements de pétrole et de gaz pour augmenter les rendements d’extraction des gisements de ces matières fossiles. Plus de 6.000 kilomètres de pipelines ont été affectés à cela en Amérique du Nord depuis les années 1970, pour la distribution du CO2 à des têtes de puits existants, afin d’améliorer les taux de récupération du pétrole, et des hydrocarbures en général, qui sont en place dans les gisements. [Voir la rubrique ‘récupération assistée du pétrole’ dans la partie ‘Définitions et complément, in fine, à la suite de cet article].

Deux cent cinquante mille barils de pétrole sont extraits chaque jour dans les seuls États-Unis par les techniques de récupération assistée du pétrole, correspondant à environ 5% de la production nationale totale [2]. En moyenne, une ‘tonne courte’ [environ 907 kg] de CO2 injectée, permet un gain supplémentaire de 3,6 barils de pétrole à partir des réservoirs abandonnés après exploitation conventionnelle d’un forage [3].

Comme les prix du pétrole augmentent, des quantités encore plus grandes peuvent être récupérées en utilisant des techniques de production plus intensives. Jusqu’à 1,5 milliard de barils de pétrole pourraient finalement être produits par les champs pétroliers candidats pour une exploitation de ce type au Texas, avec 200 millions de tonnes de CO2 [4], réalisant un taux de récupération assistée du pétrole de 1 à 7,5. Au nord de la frontière canadienne à Weyburn, au Saskatchewan canadien, un ratio de production de 1,6 a été atteint à l’aide de dioxyde de carbone injecté avec des canalisations, à partir d’une usine de gazéification de lignite dans le Dakota du Nord, aux Etats-Unis.

Bien que certaines opportunités pour la récupération assistée du pétrole existent dans l’Union Européenne, la production offshore dominante permet des recettes pétrolières supérieures, qui ne rendent pas nécessaires la justification de lourdes dépenses d’investissement.

Toutefois, des programmes de six installations pilotes de capture, ou de piégeage et de stockage du carbone (en anglais CCS) sont actuellement subventionnés en Europe par le Plan stratégique des technologies énergétiques (plan SET) [5] afin de simplement réduire le fardeau de la réduction des émissions de CO2 (Emissions Trading Scheme (ETS).
Les technologies de capture du carbone, qui ne sont pas employées pour la purification du gaz naturel, sont de plus en pluq développées. Le processus d’oxycombustion brûle du carbone dans l’oxygène pur, pour produire un flux de CO2 qui peut être directement capturé et récupéré.

Les usines équipées d’un cycle combiné de gazéification intégrée (GICC) convertissent les combustibles fossiles en hydrogène et en dioxyde de carbone pour la séparation des gaz de pré-combustion.
Dans le processus du cycle du carbone et des carbonates, le CO2 effluant est combiné avec l’oxyde de calcium pour former du carbonate de calcium CaCO3, qui libère le dioxyde de carbone lorsqu’il est ensuite chauffé pour le recyclage de calcium.

Ces technologies à haute efficacité sont utilisées pour la construction d’une nouvelle usine. Pourtant, à moins que les revenus de la récupération assistée du pétrole ou que des subventions publiques soient disponibles, les frais de mise en œuvre du piégeage et du stockage du carbone ne peuvent pas être couverts par les coûts évités dans le cadre du négoce des émissions de carbone, et complétés si nécessaire par une augmentation des tarifs des services publics concernant l’électricité avec un objectif de réduction des émissions de CO2.

Les prix et la tarification concernant les ​​émissions de CO2

En Amérique du Nord, avec la récupération assistée du pétrole, une tonne de CO2 à un prix livré au gisement de moins de 30 $, ce qui peut générer des revenus de l’ordre de centaines de dollars. Le piégeage et le stockage du carbone (en anglais CCS) ne fournit pas des possibilités de profit comparables dans le cadre des stratégies de protection du climat de l’Union Européenne, car le prix du marché du dioxyde de carbone évité est essentiellement déterminé par des sanctions commerciales dans le cadre du Système d’échange d’émissions. A ce niveau, une infrastructure de piégeage et de stockage du CO2 axé sur des considérations climatiques, n’a pas de justification commerciale, et ceci est vrai n’importe où dans le monde.

Lors d’un symposium qui s’est tenu en 2009 à l’Institut de Technologie du Massachusetts, aux Etats-Unis, il a été estimé que les centrales électriques existantes en voie de modernisation, qui utilisent « la technologie actuelle et évolutive de capture à base d’amines », entraîneraient des dépenses d’équipement qui seraient « en général dans de l’ordre de 50 à 70 $ / tonne de CO2 pour la Nième usine » (c’est-à- dire avec des coûts des installations réduits par la construction d’usines standardisées, mais à l’exclusion des coûts de transport et de stockage [6].

Aux États-Unis, la dépense moyenne d’un processus d’une chaîne complète de piégeage et de stockage du carbone a été estimée à 125 dollars par tonne de CO2 [7].

L’US Department of Energy (DOE), le Ministère de l’Energie des Etats-Unis estime que « la capture du carbone va ajouter plus de 30 pour cent au coût de l’électricité pour les nouvelles centrales thermiques au charbon avec un dispositif de cycle combiné à gazéification intégrée (CCGI, en anglais IGCC) et plus de 80 pour cent au coût de l’électricité, si l’on procède à la modernisation des unités de centrales existantes et qui fonctionnent avec du charbon pulvérisé [8].

Dans une étude allemande publiée en Mars 2009, le cabinet McKinsey & Company suppose que les certificats de commercialisationdu CO2 dans l’Union Européenne pourraient s’élever à 35 € par tonne en 2020 et à 40 € / tonne en 2030 [9].

L’inexactitude potentielle de ces attentes est indiquée par la projection de 25 € / t attendue pour 2010, soit près du double des niveaux du Système d’échange d’émissions STE qui ont été effectivement atteints. Une étude européenne, publiée en août 2010, prédit que les prix des certificats n’augmenteraient que de 7 pour cent pour atteindre 16,5 € / t en 2020 et 18,7 € / t en 2030 [10]. Le cabinet McKinsey a misé sur une valeur beaucoup plus élevée, « un prix médian du carbone de 35 € par tonne de CO2 » [11] pour évaluer les perspectives du financement international des réductions de carbone.

Le Système d’échange d’émissions STE et d’autres moyens de réduction du CO2 ne peuvent finalement atteindre un prix plus élevé que le coût des détriments et des inconvénients écologiques qu’ils sont capables de prévenir. En 2002, le Ministère britannique de l’Alimentation et des Affaires Environnementales et Rurales (DEFRA) a sondé les estimations précédentes du coût social du carbone (CSC) qui exprime les effets complets des émissions de carbone sur la vie économique et sociale [12].

En 2007, un chiffre du coût social du carbone a été estimé a 42 € / t de CO2 pour l’année 2020 [13], ce qui est considérablement plus élevé que les projections du Système d’échange d’émissions STE.

Le prix alternatif fictif du carbone indique le coût des technologies et des politiques actuellement nécessaires pour assurer un niveau futur et ciblé de la concentration atmosphérique en CO2 [14]. En Grande-Bretagne, ce prix alternatif fictif du carbone a été fixé à 25 £ /tonne de CO2 eq en 2007, équivalent à environ 35 € / tonne de CO2 eq au taux de change en vigueur ; il a été jugé nécessaire à cette époque pour empêcher que les concentrations de CO2 ne s’élèvent pas au dessus de 450 à 550 ppm, et en faisant l’hypothèse d’une participation internationale équitable.

Ces estimations antérieures ont depuis été éclipsées par la croissance des niveaux d’émission de dioxyde de carbone provenant de l’utilisation mondiale de combustibles fossiles. Le Royaume-Uni a abandonné en 2009 tous les calculs relatifs au piégeage et au stockage du carbone, en se basant sur ses estimations du prix du carbone, plutôt que sur ​​les coûts d’atténuation des teneurs en CO2 [15] « dans une plage de 41 $ à 124 $ la tonne de CO2, avec un scénario central de 83 $ ».
Bien que, pour le carbone, l’augmentation des coûts sociaux puissent justifier des mesures d’évitement plus coûteuses, la dimension internationale du changement climatique exige que les technologies qui visent à réduire les émissions du CO2 soient également abordables pour les pays les moins nantis.
Les perspectives de solutions rentables en cours d’adoption en Europe restent cependant limitées, du fait des rendements insuffisants des capitaux qui sont nécessaires pour couvrir les dépenses d’investissements.

Le Conseil consultatif allemand sur l’environnement (SRU) cite des chiffres de différentes études qui varient de 30 à 64 € par tonne de CO2 évitée pour les nouvelles centrales et de 53 à 97 € / tonne pour les installations anciennes à rénover [16]. L’Institut allemand de recherche économique (DIW) calcule que les coûts de production de l’électricité devraient augmenter de 48 à 92% lorsqu’elle est produite par des centrales au charbon avec captage du CO2 [17]. Les marchés de l’électricité ne peuvent pas honorer ces projections, à l’exclusion d’une baisse des prix des alternatives possibles, qui vont de la production de la filière électro-nucléaire aux énergies renouvelables et aux techniques de gestion des charges.

Une enquête coordonnée par le Centre de recherche technique VTT de Finlande a déterminé qu’une réduction des émissions de dioxyde de carbone de ce pays de 10 à 30 pour cent « pourrait être réalisée avec la technologie du piégeage et du stockage CSC d’ici 2050 » seulement si, à ce moment là, « le niveau des prix des quotas d’émissions s’élèvaient à 70 - 90 euros par tonne de dioxyde de carbone » [18].

Le Fondation Norvégienne Bellona a justifié l’adoption du piégeage et du stockage du carbone avec des indemnités s’élevant à 50 € / tonne en 2030 et 90 € / tonne en 2050 [19] ; ​​ces prévisions sont supposées refléter « une politique climatique de l’Union Européenne relativement conservatrice dans le futur, qui impose une réduction lente et constante des émissions européennes de CO2 jusqu’en 2050 ».

Cependant, la fondation Bellona note que l’augmentation des prix des émissions au niveau requis pour les investissements en vue du piégeage et du stockage du carbone, s’est avéré être un objectif politique « incroyablement difficile »[20].
Des complexités dans la planification et des dépassements importants des coûts ont entraîné des révisions, des reports et des annulations de projets dans plusieurs pays européens ainsi qu’aux Etats-Unis et en Australie.
Les obstacles à la mise en œuvre du piégeage et du stockage du carbone
Dans une chaîne du processus de piégeage et de stockage du carbone (en anglais CCS), jusqu’à un tiers de la production d’une centrale électrique peut être nécessaire pour la séparation, la compression et le transport du CO2.

Une pression du gazoduc à haute intensité énergétique, jusqu’à 200 atmosphères (atm), est nécessaire pour éviter que des changements de phase ne se produisent avant que le dioxyde de carbone comprimé n’ait atteint le site de stockage géologique où il est injecté à une profondeur excédant 800 mètres, afin de maintenir une pression supercritique de 72,9 atm pour une pénétration maximale.

Des capacités de production d’électricité supplémentaires sont donc nécessaires, souvent à partir d’une deuzième centrale électrique, pour restaurer l’énergie électrique qui est perdue dans le but de réaliser le piégeage et le stockage du CO2.

Une quantité d’eau, de l’ordre de deux fois supérieure par kilowatt-heure livré, doit être finalement retirée des rivières ou des nappes aquifères locales, afin de produire la vapeur d’eau à fournir, d’une part, et pour dissiper la chaleur résultant de la compression, d’autre part [21].

Des restrictions locales dans l’utilisation de l’eau peuvent donc exclure la rénovation d’une ancienne centrale électrique en vue de l’équiper pour le piégeage et le stockage du carbone. La génération d’électricité conventionnelle sans contrôle du CO2 peut se révéler tout aussi compétitive, même sous un régime très limité d’émissions de carbone, en raison des plus faibles bersoins en combustibles et en eau.

Au début, les propositions en vue du piégeage et du stockage du carbone supposaient que les rénovations en vue d’une post-capture du CO2 pourraient être facilement réalisées sur des centrales existantes et alimentées par du charbon. Toutefois, l’équipement de séparation des gaz de combustion, de la taille d’un hangar d’avion, et les retraits intensifs d’eau ne sont pas possibles sur les sites de nombreuses centrales. La plupart des installations ont déjà utilisé une partie importante pour leur fonctionnement normal et elles sont impropres pour subir une coûteuse reconfiguration.

La mise en œuvre commerciale des systèmes de piégeage et de stockage du carbone n’est prévue qu’après 2020. Des centaines d’usines déjà en construction ou en phase finale de planification, et toutes les centrales au charbon existantes pour générer de l’électricité dans le monde entier, sont des installations qui ont été conçues sans intention de procéder au captage du CO2 et à son stockage géologique.

Un programme complet de piégeage et de stockage de carbone, capable de modérer et d’atténuer les impacts climatiques négatifs, ne serait donc seulement possible qu’après que les centrales électriques actuelles aient été retirées du système de production.

En ce moment, toutefois, les fournitures adéquates de combustibles ne peuvent pas être garanties pour des capacités de remplacement des centrales à base de charbon, comme on le verra ci-dessous.

L’augmentation des revenus provenant de l’extraction du pétrole avec l’aide du dioxyde de carbone CO2

L’amélioration des technologies de séparation du CO2 bénéficient à l’industrie pétrolière. Au Canada, le Conseil pour le développement du captage et du stockage de l’état de l’Alberta a estimé qu’avec un prix du pétrole de 75 dollars le baril et un prix de 20 $ la tonne de CO2 livrée sur le terrain, « les techniques de récupération éprouvées ont le potentiel d’ajouter 1,4 milliards de barils supplémentaires de pétrole et de séquestrer 450 Mt de CO2 » [22].

Les technologies de récupération assistée du pétrole peuvent ainsi offrir plusieurs fois le chiffre d’affaires résultant de l’approvisionnement en CO2 , même après déduction des dépenses d’énergie associées à ces technologies.
Le CO2 pressurisé peut également être utilisé comme un agent de fracturation pour l’extraction, à la fois de manière conventionnelle et pour une exploitation des gaz de schiste piégés dans des formations géologiques denses et compactes.
Dans l’industrie du gaz naturel en Allemagne, plusieurs milliers de tonnes de dioxyde de carbone ont été injectés par Exxon dans 26 sites entre 2007 et 2010, avec un fluide de fracturation comprenant 30 à 70 pour cent de CO2 [23].

Le piégeage et le stockage du carbone constituent un obstacle à la protection du climat

Le piégeage et le stockage du carbone (en anglais CCS), présentés ensembles comme une technologie d’avenir corrective, sert de prétexte pour continuer l’utilisation déjà ancienne du charbon. En outre, l’amélioration des moyens de captage du CO2 peuvent contribuer à augmenter la production pétrolière et gazière.

Cette capacité contredit les efforts de réduction des émissions de gaz à effet de serre en introduisant des hydrocarbures supplémentaires dans la biosphère qui seraient sinon restées inaccessibles géologiquement. À cet égard, le plan SET de l’Union Européenne renforce les infrastructures des combustibles fossiles, plutôt que de les remplacer.

Lorsque tous les facteurs contribuant à l’extraction, au traitement et à la combustion de pétrole brut sont combinés, les émissions moyennes du cycle de vie [bilan énergétique] du pétrole (hors transport de produits pétroliers) en Amérique du Nord, sont d’environ 500 kg de CO2 eq par baril [24].

En Alberta, l’injection d’une tonne de CO2 entraîne donc 0.625 tonne nette du cycle de vie des émissions de gaz à effet de serre ((3,25 x 0,5) - 1). La moyenne actuelle pour les opérations de récupération assistée du pétrole aux Etats-Unis est de 0,8 tonnes, tandis que le ratio correspondant dans l’état du Texas peut s’élever jusqu’à 1 - 2.75 tonnes de gaz à effet de serre.

Les réserves de charbon diminuent sous la pression de la demande qui est en croissance rapide

La consommation mondiale de charbon a largement dépassé les niveaux prévus il y a seulement quelques années. Une étude de l’industrie chinoise publiée en 2003 avait prédit une utilisation du charbon domestique de 1.720 millions de tonnes en l’an 2010 et de 1.950 à 2.100 millions de tonnes en 2020 [25].

Depuis, la trajectoire de la demande réelle a dépassé à deux reprises ces montants et distancé les prévisions antérieures pour la consommation mondiale. Il est maintenant prévu que la production de charbon chinois puisse atteindre quatre milliards de tonnes en 2015 [26].

Cette quantité sera, néanmoins, encore inférieure à la moitié de la demande mondiale. Avec la hausse des importations, la Chine et l’Inde ont commencé à acheter des installations pour des opérations minières étrangères, afin de sécuriser, à long terme, leurs approvisionnements en charbon [27].

Si les tendances actuelles d’utilisation du charbon se poursuivent, toutes les réserves de charbon qui ont été estimées et publiées, de l’ordre de quelque 800 milliards de tonnes, [28] seraient mathématiquement taries d’ici 60 ans, même sans compter les besoins en énergie qui seraient ajoutés pour les filières de piégeage et de stockage du carbone.

En outre, les pays exportateurs de charbon peuvent donc imposer des mesures très restrictives en fournissant le marché mondial, en limitant fondamentalement les disponibilités en combustibles avec l’objectif de réduire la génération et les émissions de CO2.

Dans ces circonstances, le piégeage et le stockage du carbone pourrait rester un sujet de préoccupation dans les pays dotés de réserves de charbon, en particulier lorsque ce dernier est utilisé pour améliorer la récupération du pétrole. Certains coûts résultant du piégeage et du stockage du carbone seraient ainsi assumés, mais au détriment d’autres inconvénients environnementaux.

Les projections climatiques mondiales, qui prédisent une grande disponibilité des ressources en charbon d’ici la dernière partie de ce 21ème siècle, restent des promesses intenables.

Les modèles de changement climatique devraient donc être révisés en conséquence, en particulier du fait qu’il est actuellement émis deux fois plus de CO2 à partir du charbon, qu’il avait été précédemment estimé et supposé.

Jeffrey H. Michel, d’origine américaine et vivant à Hambourg en Allemagne, est un chercheur dans le domaine de l’énergie. Ses thèmes de recherches incluent les questions de politique allemande en matière de lignite, ainsi que ce qui concerne le piégeage et le stockage du carbone (CCS), la mesure du comptage électronique de la puissance électrique, ainsi que le déploiement des énergies renouvelables. Il est un collaborateur régulier auprès Secrétariat de la pollution atmosphérique et du climat à Göteborg, en Suède.

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Définitions et compléments

Traduction, définitions et compléments :

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
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