Compte rendu de la journée - La Chaîne Énergétique du Carbone

Contexte
Compte-rendu du séminaire
« Chaîne énergétique du Carbone »
Les enjeux scientifiques et technologiques de la ressource de carbone fossile
à la gestion des effluents :
Ressource, Combustion, Capture et Stockage du CO 2 (RCCS)
Organisée par le PIE 2 et le GDR ORANGES du CNRS
Le 28 juin 2007
Espace Hamelin
17, rue de l’Amiral Hamelin, Paris 16è
Par Bruno Goffé et Jean-Michel Most
Le CNRS a montré sa détermination à se positionner dans le domaine de l’Energie en lançant en
2006, le second Programme Interdisciplinaire Energie (PIE2). Le premier Appel à projet a eu lieu en
mars dernier. Des programmes exploratoires (PE) et de recherche (PR, PRC) ont été financés en juin
2007 pour des durées allant de 1 à 3 années.
Désirant poursuivre sa politique de prospective et de programmation de la recherche, le CNRS met en
place une réflexion scientifique et technologique continue dans le domaine de l’Energie et se munit
d’outil de structuration. Dans ce but, le PIE2 et le GDR ORANGES ont organisé le 28 juin 2007 un
séminaire portant sur « Les enjeux scientifiques et technologiques de la ressource de carbone
fossile à la gestion des effluents, CO principalement : Ressource, Combustion, Capture et
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Stockage du CO (RCCS) ».
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Objectif du séminaire
L’objectif de ce séminaire était de réunir des acteurs de la recherche industrielle, publique et
académique afin de d’obtenir une vision globale et interdisciplinaire des enjeux dans les domaines de
la RCCS. Les problématiques de recherches amont présentant encore des verrous à la production
d’énergie avec réduction des rejets de gaz à effet de serre ont été identifiées et seront proposées aux
différents comités stratégiques en vu d’une programmation dans les futurs appels à projets.
Public participant
Cette réunion a rassemblé 69 personnes dont 9 conférenciers. Industriels ou universitaires ont présenté
leur vision des enjeux scientifiques et technologiques dans les domaines de la RCCS. Le public était
composé d’ingénieurs et de chercheurs désirant acquérir ou participer à une prospective scientifique
dans les domaines considérés. La liste et les coordonnées professionnelles des participants sont
accessibles sur ce site.
Ouverture du séminaire
Le séminaire a été ouvert par J.B. Saulnier : (le texte et les planches de cette introduction
sont accessibles sur ce site)
Dans son allocution d’ouverture, Jean-Bernard Saulnier, Directeur du Programme Energie 2

(PIE2) du CNRS a présenté un bilan et l’historique de ce programme. Il s’est appuyé sur le
cadre de la loi de 2005 sur l’énergie et a rappelé les objectifs de ce programme 2006-2009.
- Efficacité énergétique ;
- Produire sans émission de CO2 ;
- Promouvoir les vecteurs (diminuer les pertes par les transports, améliorer le
stockage).
La méthode employée par le programme pour financer la recherche s’appuie sur :
- la structuration de la communauté ;
- l’identification des attentes des industriels et des clients ;
- le positionnement du CNRS relativement à l’ANR et aux autres acteurs.
La matinée du séminaire a été consacrée à l’aspect géologique :
1 ère Partie : Les ressources en hydrocarbures et stockage géologique du CO2
Président de séance : Bruno Goffé, Directeur de Recherche au CNRS, INSU
1.1. Les enjeux de l’extraction pétrolière en conditions extrêmes, Arnaud Etchécopar
(Schlumberger)
- Les problèmes de l’exploitation de plus en plus extrême :
- Dans les réservoirs fracturés : où forer ?
- Estimation de leur productibilité ?
- Forages profonds : à HP-HT, contrôle des fluides, développement des
instruments de mesure résistants aux HP-HT
1.2. Les enjeux de l'imagerie sismique en milieu complexe, Gilles Lambaré,
(CGGVéritas)
- Problématiques de la visualisation des pièges à hydrocarbures cachés sous
des couvertures à fort contraste sismique ;
- Moyens techniques ;
- Problème de la propagation des ondes sismiques et de leur traitement ;
- Les enjeux résolution du problème inverse ;
- Traitements liés aux contrastes de vitesse et à la rugosité des réflecteurs,
persistance du « savoir faire humain » ;
- Développement des moyens de mesure à haute distribution et du traitement
de données en masse, explosion des moyens de calcul.
1.3. Discussion sur les enjeux dans la recherche des hydrocarbures
(Q = question dans la salle, R : réponse de l’intervenant)
Q : Maturation de la matière organique ? R. plus on va profond, plus on a de gaz ; la
cible devient la roche mère directement et non le piège.
Remarque : les développements en paléographie ont permis d’identifier les paléozones
de production de matière organique et de fort taux de sédimentation où la MO est
produite et accumulée (upwelling + cônes esturiens) => info a priori qui est prise en
compte dans le choix des cibles sur les marges continentales ;
Q : coût des extractions « extrêmes » ? R. le marché dicte sa loi (offre vs demande) ;
Q : quid des Hydrates ? R. Ils sont difficiles à exploiter, la ressource est diffuse tant en
sous-marin que dans les régions polaires, les risques d’exploitation sont difficiles à
maîtriser.

Q : gisement HP-HT ça va jusqu’où (en terme de conditions)? R. La géochimie
organique donne pas mal d’info, mais manque d’info sur l’histoire P-T-t rencontrées
par les gisements ;
Q : imagerie sismique quelles relations avec le monde académique ? R.
Traditionnellement pour fortes les Sciences de la Terre avec des hauts et des bas en
fonction de l’activité industrielle (modulée par le cours du baril, dans le cas CGG).
Peut-être envisager plus de collaboration avec les Maths appliqués du CNRS.
Q : Les champs déplétés peuvent ils être réorientés vers la géothermie ? R : le BRGM y
travaille.
Q les capteurs ? R. pas mal de chose avec les autres industriels pour la HT ; le coté HP
est moins actif ;
Remarques conclusives de Bruno Goffé
Enjeux principaux d’ordre technologiques pour les outils et scientifiques pour
les processus et comportement des matériaux des milieux très peu poreux
pluri-phasiques.
Besoins de compréhension du milieu géologique profond tant dans ses
paramètres mécaniques que physique (T, P) et son histoire ;
Besoins dans les mécanismes d’évolution de la matière organique à haute
pression et haute température.
1.4. Stockage géologique du CO2 : besoins de recherche à court, moyen et long terme.
Christian Fouillac, BRGM, Orléans
- Le stockage géologique devra avoir prouvé sa fiabilité à l’horizon 2010-2015.
- Problèmes des coûts : la capture reste l’étape la plus chère. Les autres étapes
(transport, stockage) ne doivent pas rajouter de coût !
- Problème de la connaissance géologique des bassins européens : on connaît pas mal
les réservoirs à huile mais mal ceux à saumures or ce seront les principales cibles
pour stocker le CO2 : il faut avoir une meilleure connaissance des bassins
sédimentaires.
- Problèmes des Relations entre risques-modèle-vérification-monitoring
- Problèmes de la carbonatation minérale et du long terme
- Problèmes de la carbonatation minérales ex-situ et in-situ
- Valorisation économique des stockages souterrains.
1.5. Discussion de quelques objectifs de recherche amont concernant l’évolution du
CO2 en environnement profond, François Guyot, IMPMC, Jussieu
- A la recherche des facteurs limitant dans la carbonatation minérale ;
- Problèmes de la validation des modèles de prédiction : pour cela, il faut mettre en
relation l’expérimentation et les sites pilotes ;
- Validation des codes de chimie transport avec un site pilote d’injection du CO2
avec en particulier le recueil des fluides et roches autour d’un pilote (jamais encore
fait) ;
- Besoin de recherche au niveau le plus fin des processus (échelle de la maille
cristalline et du processus élémentaire) ;
- Besoin de considération de la biosphère profonde ;

1.6. L’acceptabilité sociale de la capture et du stockage du CO2, Minh HA DUONG,
CIRED, Nogent sur Marne
- Perception du stockage géologique sur la foi de sondage : CCS plutôt bien perçu
(comparé à des problématiques équivalentes) même dans des conditions de stockage
plutôt défavorables ;
- Nécessité d’implication des citoyens et cela dès le début a priori ;
- De la même manière, il faut un accompagnement des sites pilotes.
1.7. Discussion sur le stockage géologique du CO2
Q. Quelles sont les raisons de la faible communication d’EDF sur ses stockages de gaz
naturels qui pourraient être analogues au stockage de CO2 ? R. (représentant d’EDF) faible
implication de EDF dans le CCS en France du fait de la forte proportion de nucléaire dans
notre production d’énergie, mais c’est moins le cas à l’étranger (ex : filiale allemande)
S’ensuit une petite discussion dans la salle au sujet de la perception des actions selon qu’elles
sont faites par le CNRS ou par un industriel (le français a confiance dans le chercheur
(CNRS) mais peu dans l’industriel) ;
Q. Quelle qualité de CO2 qui pourra être injectée? Quelles impuretés ? R. : Une directive
européenne se prépare, des seuils trop élevés auront des conséquences néfastes (l’industrie ne
peut suivre). Des injections avec H2S sont réalisées au Canada ! … dans quelles conditions ?
Q. Qui va contraindre les autres (chinois, US) à séquestrer ? à ne pas accroître l’exploitation
de leurs mines de charbon ? Pas de réponses.
L’Après midi a été consacrée à la conversion chimique des hydrocarbures en énergie
2 ère Partie : Conversion chimique de l’Energie avec réduction des rejets de CO2
Président de séance : Jean-Michel MOST, CNRS, LCD, Poitiers
2.1. Conversion, valorisation des pétroles lourds et maîtrise du CO2, Luc Nougier, IFP
- Maîtrise des technologies de la conversion (intensification de l’outil de raffinage et
d’hydroconversion)
- Forte demande d’hydrogène pour faire des combustibles à fort rapport H/C à partir
de pétroles ayant un bas rapport H/C
- Pb clés et défis: Production d’H2, maîtrise du CO2. Maîtrise des réacteurs :
hydrodynamique/chimie/modèles ;
- Maîtrise captage CO2.
2.2. Nouvelles problématiques en combustion associées aux enjeux de la ressource en
carbone fossile, David Honoré, CORIA, Rouen
- Les enjeux de la ressource en carbone fossile (épuisement des ressources,
augmentation de la demande, réduction de l’impact environnemental)
- Le charbon : Cycle IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) pour les
centrales à charbon avec production et combustion de gaz de synthèse (CO et H2) ;
- Combustibles alternatifs (synthèse des biocarburants liquides après gazéification ;
- Oxycombustion de gaz de rejets industriels (cokerie, haut fourneau) et nouveaux
brûleurs : pb de stabilité des flammes ;
- La combustion sans flamme (combustion diluée (efficacité énergétique↑,
polluants↓) avec brûleurs régénératifs ;
- Principales voies de recherche en combustion :

. adaptabilité à la variation des caractéristiques du combustible (flexibilité),
. variation des caractéristiques du comburant (O2, N2, CO2, H20) ;
. nouveaux régimes de combustible fortement diluée.
2.3. La combustion du charbon et la maîtrise des émissions de CO 2 , Michel Vandycke,
Responsable R&D / CO2 Capture Démonstrateurs, Alstom Power Boilers
Oxy-combustion : oui mais comment produire de l’O2 autrement que par des systèmes
cryogéniques? Les autres procédés sont actuellement incapables de produire les quantités
journalières (VSA : 150t O2/jour – Cryogénique : 4000 t O2/jour) en rapport avec le besoin ;
consommation d’une chaudière de 450MWe : 275t/h). Les coûts sont mal établis.
La technique du chemical looping n’est qu’au stade de pilote. L’avantage est de pas à avoir à
séparer l’air, l’oxygène est apporté pour la combustion par un oxyde métallique. L’O2
s’échange donc via un couple métal/oxyde. Ex : Ni/NiO ; CaS/CaSO4… d’où en principe un
coût très réduit. Le problème reste la dégradation rapide du métal, d’où un coût élevé pour le
Nickel. Il faudrait effectuer un Chemical Looping avec du fer. Dans ces cas, ce procédé
deviendrait le meilleur marché en réduisant le coût énergétique de la capture du CO2.
->Besoin de normes sur la composition des rejets (compositions, impuretés).
2.4. Recherches sur les procédés de Capture du CO2 : perspectives, défis et enjeux,
Eric Favre, LSGC, Nancy
Discussion sur la capture du CO2 en post-combustion.
Les impuretés (nature mais aussi quantité) déterminent essentiellement le choix de la
technique de captage : traditionnellement on parle d’un CO2 pur à 90% : pourquoi ?
Pourquoi pas 85% ? ou 95% ? Cela a un grand impact sur la technique a utiliser. On n’a pas
non plus défini quel pourcentage de CO2 on souhaite récupérer (traditionnellement, on
admet 90%). On n’a pas exploré grand chose sur les conséquences de la variabilité des
fumées. La technique du lavage aux amines, bien connues par ailleurs, est très idéalisée pour
le captage du CO2 dans les fumées.
De nombreux procédés de fabrication d’air enrichi en O2 et de capture existent, le problème
est leur coût respectif. Une solution aujourd’hui optimale peut être supplantée par une autre
technique si les règlementations changent (degré d’impuretés exigé, coût, …). Les efforts de
recherche doivent se concentrer même sur des procédés actuellement non retenus ou plus
chers.
2.5. Discussion sur la production d’énergie avec réduction des rejets de CO2
L’Europe : flagship ZEP, 10 démonstrateurs en cours, plus ou moins avancé, de montage
Remarque : manque de vision cohérente entre les ≠ acteurs de la chaîne, chaque communauté
bosse sur son maillon
Q. Le CNRS ne devrait-il pas se concentrer sur les ruptures technologiques, ex : que doit-on
préparer pour 2050, plutôt que de tenter d’améliorer des procédés déjà pas mal établis ? R. Le
CNRS a vocation à faire les 2. Les chemins qui mènent à la rupture technologique sont
multiples.
Q Combustion, quels problèmes sont encore à résoudre? R. Alstom a des besoins sur la
production d’O2, les transporteurs d’O2, les turbines à H2 pur; des actions de recherche sont
menées avec des académiques en Europe et aux US.
Q. Les émissions de CO2 diffuses représentent aussi beaucoup … que fait on de ce coté là ?
Sujet important, quelques équipes y réfléchissent mais pas de demande actuelle.

Q la combustion a-t-elle un avenir en recherche en France, R. Oui il reste des problèmes de
matériaux car pour augmenter les rendements il faut accroître la température et la pression
dans les chambres, d’où tenue en température et de corrosion et connaître les informations sur
la cinétique chimique ; Edf n’est pas très actif car n’a pas beaucoup de projets de centrales
charbon en France mais il s’appuie sur de la recherche en Europe pour ses filiales en europe.
L’ensemble des présentations est accessible sur ce site.