La consommation mondiale d’´energie a beaucoup augment´e au cours des dix derni`eres ann´ees et on estime la croissance de cette demande `a 70% entre 2000 et 2030 (IEA, 2009). Dans ce contexte, les ´energies fossiles telles que le p´etrole, le gaz et le charbon, continuent `a jouer un rˆole important et dominant. Cette croissance conduit `a une augmentation des ´emissions de gaz
`a effet de serre, qui sont les grands responsables du r´echauffement climatique.
Face `a cette situation, plusieurs solutions sont envisag´ees pour parvenir `a une r´eduction sensible des ´emissions de CO2 : la maˆıtrise de l’´energie, le d´eveloppement d’´energies avec un meilleur bilan carbone, en particulier les ´energies renouvelables, et le d´eveloppement de la fili`ere capture/stockage du CO2. D’importants travaux sont actuellement conduits sur la fili`ere capture/stockage g´eologique du CO2 en raison des importantes possibilit´es de stockage dans le sous-sol, notamment dans les bassins s´edimentaires (Bradshaw et al., 2007).
Dans le cadre d’un stockage g´eologique, le CO2 est inject´e sous forme supercritique dans une roche r´eservoir. Le stockage du CO2 doit ˆetre pr´evu sur des dur´ees suffisamment longues pour couvrir au minimum la p´eriode pendant laquelle les concentrations de gaz `a effet de serre demeureront critiques. Le stockage g´eologique pose des probl`emes complexes, en particulier pour garantir la fiabilit´e des stockages sur le tr`es long terme et pour appr´ecier son impact environnemental.
Les r´eservoirs potentiels de stockage du CO2 doivent r´epondre `a de nombreux crit`eres, notamment :
• une porosit´e, une perm´eabilit´e et une capacit´e de stockage suffisantes ;
• la pr´esence d’une couche ´ecran imperm´eable, appel´ee couverture, empˆechant le CO2 de remonter vers des aquif`eres d’eau potable et `a terme vers la surface ;
• la pr´esence de structures pi`eges, comme une couverture en forme de dˆome, contrˆolant la migration lat´erale du CO2 dans la formation de stockage ;
• une profondeur de plus de 800 m`etres, o`u la pression et la temp´erature sont suffisamment
´elev´ees pour permettre le stockage du CO2 sous forme de fluide dense et maximiser ainsi la quantit´e stock´ee ;
• l’absence d’eau potable : le CO2 ne doit pas ˆetre inject´e dans les eaux propres `a la consommation et aux activit´es humaines.
1.1.1 Options de stockage du CO
2Le stockage g´eologique est envisag´e selon trois options (cf. Figure 1.1) :
• le stockage dans des gisements de p´etrole et de gaz naturel ;
• le stockage dans des gisements de charbons inexploit´es ;
• le stockage en aquif`eres profonds.
Figure 1.1 – Stockage g´eologique du CO2 (IFPEN) 1.1.1.1 Stockage dans des gisements de p´etrole et de gaz naturel
Dans ce type de stockage, le CO2 est inject´e dans des roches o`u le p´etrole et le gaz ont
´et´e exploit´es ou sont en voie d’´epuisement. Cette option est a priori la plus facile `a mettre en oeuvre puisque ces structures ont retenu du p´etrole et du gaz pendant des millions d’ann´ees et que ce milieu g´eologique est bien connu.
Figure 1.2 – Processus d’am´elioration de r´ecup´eration du gaz naturel (GDF., 2005) Les techniques d’injection de CO2 sont bien maˆıtris´ees dans le monde p´etrolier et utilis´ees comme des techniques avanc´ees de r´ecup´eration de p´etrole et de gaz. Cependant, les volumes de stockage concern´es sont relativement faibles par rapport aux autres options. La figure 1.2 pr´esente le processus d’am´elioration de r´ecup´eration du gaz naturel par injection de CO2. 1.1.1.2 Stockage dans des gisements de charbons inexploit´es
Le charbon est un excellent absorbant de gaz. La majorit´e du gaz est absorb´ee dans la microporosit´e et une partie reste libre dans la macroporosit´e.
Le m´ethane est naturellement pr´esent dans la microporosit´e du charbon. L’injection de CO2
est capable de faire sortir le m´ethane de la microporosit´e et d’augmenter l’exploitation du gaz naturel. Pourtant cette option est limit´ee par la faiblesse de la porosit´e et de la perm´eabilit´e du charbon ainsi que par la difficult´e `a maˆıtriser ce processus.
1.1.1.3 Stockage en aquif`eres profonds
Les aquif`eres salins profonds repr´esentent le plus gros potentiel en mati`ere de capacit´e de stockage. Ce sont des r´eservoirs d’eau sal´ee non potable, situ´es `a de grandes profondeurs. Ils sont mieux r´epartis `a la surface du globe que les gisements d’hydrocarbures. La grande difficult´e de cette option est que ces structures sont peu connues, ce qui implique donc des campagnes lourdes et longues de v´erification de la faisabilit´e du pi´egeage. Dans la suite de ce travail, nous nous int´eresserons en priorit´e `a cette option de stockage.
1.1.2 M´ ecanismes de pi´ egeage
Lorsqu’il est inject´e dans un r´eservoir, le CO2 p´en`etre dans les pores de la roche, qui, dans le cas d’un aquif`ere profond, sont d´ej`a remplis d’eau sal´ee. Au fur et `a mesure de l’injection du CO2, les m´ecanismes d´ecrits ci-dessous commencent `a entrer en action. Le premier est consid´er´e comme le plus important, car il empˆeche le CO2 de remonter `a la surface. Les trois autres tendent `a am´eliorer l’efficacit´e et la s´ecurit´e du stockage au fil du temps (BRGM, 2007).
1.1.2.1 Accumulation sous la roche couverture (pi´egeage structurel)
Comme le CO2 dense est plus l´eger que l’eau, il commence `a remonter. Ce mouvement s’arrˆete quand le CO2 rencontre la couverture de roche imperm´eable. G´en´eralement compos´ee d’argile ou de sel, cette couverture agit comme un pi`ege, bloquant la remont´ee du CO2 qui s’accumule alors en dessous de celle-ci.
1.1.2.2 Immobilisation dans les pores (pi´egeage r´esiduel)
Le pi´egeage r´esiduel se produit quand les pores de la roche r´eservoir sont si ´etroits que le CO2 ne peut plus remonter, malgr´e la diff´erence de densit´e avec l’eau environnante. Ce m´ecanisme se produit principalement pendant la migration du CO2 et conduit g´en´eralement `a l’immobilisation d’un faible pourcentage du CO2 inject´e en fonction des propri´et´es de la roche r´eservoir.
1.1.2.3 Dissolution (pi´egeage par solubilit´e)
Une petite partie du CO2 inject´e se dissout dans l’eau sal´ee pr´esente dans les pores. L’eau contenant du CO2 dissous est plus lourde que celle qui n’en contient pas et a tendance `a descendre vers le bas du r´eservoir. La vitesse de dissolution du CO2 dans la saumure d´epend de la surface de contact avec l’eau sal´ee. De plus, la quantit´e qui va se dissoudre est limit´ee : elle ne peut pas d´epasser la concentration `a saturation du CO2 dans l’eau sal´ee. Toutefois, suite au mouvement descendant de l’eau contenant du CO2, l’eau sal´ee est continuellement renouvel´ee, ce qui augmente donc la quantit´e de CO2 qui peut ˆetre dissoute. Ces m´ecanismes sont relativement lents car ils ont lieu dans l’´etroitesse des pores. Dans le cadre du projet Sleipner, le CO2 supercritique a ´et´e inject´e dans la formation de gr`es peu consolid´es d’Utsira.
Des estimations r´ealis´ees indiquent qu’environ 15% du CO2 inject´e est dissous au bout de 10 ann´ees d’injection (Chadwick et al., 2006).