217 - La séquestration du carbone : solutions pour réduire et compenser nos émissions de CO2 dans l'atmosphère

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 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.

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.

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.

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.

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.