Simulations de l’Impact des Gaz Annexes (SOx, NyOx, O2 co-injectés avec le CO2 lors de son stockage géologique) sur la Réactivité des Roches-Réservoirs – SIGARRR

Les progrès des outils de modélisation numérique doivent permettre de simuler le comportement à long terme des gaz co-injectés dans les sites de stockage de CO2. À cet effet, nous recommandons d'élargir les banques de données thermodynamiques par l’acquisition de données expérimentales manquantes qui permettront de caler et de valider les équations d’état adaptées à ces systèmes. Une série d'expériences en présence de roche-réservoir et de mélanges de gaz, menées en conditions réalistes de pression et de température, sera confrontée aux résultats des simulations numériques, pour in fine, valider les codes nouvellement implémentés.
Notre programme de recherche se focalisera sur un nombre restreint de gaz d'intérêt (SO2, NO, O2) et nous évaluerons leur influence sur des roches-réservoirs (silicates + argiles) supposées offrir une réactivité spécifique (i.e. minéraux contenant du fer).

L’approche combinée simulation numérique (géochimique et moléculaire) et expérimentale en elle-même est un vrai plus pour le projet.
L’acquisition de nouvelles données expérimentales ou pseudo-expérimentales inédites, notamment concernant NO, les mélanges de gaz et les systèmes complets gaz-saumure-roche est et sera également un important résultat.
Le développement des codes de transport-réactif (Chess/Hytec et peut-être Tough2 dans le cadre du projet ou PhreeQc3 par ailleurs) permet une meilleure représentation des gaz et de leur comportement non-idéal à haute pression/haute température qui offre des perspectives dans le cadre du stockage géologique du CO2 mais également pour d’autres applications.
Dans le même esprit, le développement de la base de données thermodynamiques Thermoddem notamment concernant les propriétés des gaz, ouvre aussi d’intéressantes perspectives pour les modélisateurs.
Parmi les participants du consortium, deux propositions aux appels à projets suivants de l’ANR ont émergé dont un, FluidStory, porté par le BRGM et accepté cette année pour financement, a pour sujet la valorisation du CO2 pour le stockage de l’énergie éolienne.

Une première perspective intéressante réside dans la formulation attendue en fin de projet de premières recommandations en terme de concentrations des impuretés, potentiellement co-injectées avec le CO2, acceptables pour l’environnement. Ces résultats pourraient donc avoir une influence sur les techniques de captage retenues et les coûts induits et donc contribuer au déploiement de la filière.
Les divers développements expérimentaux, des différents modèles thermodynamiques ou codes de calcul, de la base de données Thermoddem ouvrent aux équipes de recherche concernées plusieurs perspectives d’applications dans le domaine du captage/stockage du CO2 mais également dans d’autres domaines.
Comme évoqué plus haut, un projet de valorisation du CO2 pour le stockage de l’énergie, FluidStory, a notamment été retenu pour financement par l’ANR et démarrera en 2016. Le BRGM, en tant que coordinateur et ARMINES/MINES ParisTech, entre autres, participeront à ce projet.

L’acquisition de données expérimentales, les simulations moléculaires (données pseudo-expérimentales), le développement des modèles thermodynamiques et géochimiques ainsi que les simulations numériques qui en découlent suivent leurs cours parallèlement pour le moment. Dans chaque domaine, les différentes équipes expérimentales et pseudo-expérimentales échangent entre elles sur leurs démarches/problèmes rencontrés/solutions trouvées… Les modélisateurs ont déjà commencé à comparer leurs résultats pour vérifier et valider les différentes options de modélisation choisies.
Plusieurs équipes ont présenté leur travail dans le cadre du projet à des congrès internationaux, dont le plus important congrès sur le sujet du captage, stockage, valorisation du CO2, GHGT.
Le travail du LRGP sur les modèles thermodynamiques a également déjà fait l’objet d’un papier accepté dans le journal Industrial & Engineering Chemistry Research. Tandis qu’une partie du travail expérimental du laboratoire GéoRessources va très bientôt être soumis pour publication dans le journal Fluid Phase Equilibria.

La plupart des pays industrialisés ont maintenant entrepris de réduire de façon significative leurs émissions de gaz à effet de serre. Les procédés de captage et de stockage géologique du CO2 sont entrés dans une phase opérationnelle avec l'émergence de plusieurs sites-pilotes où différentes technologies sont testées.
La majeure partie du coût total induit intervient pendant la capture, lors de l’étape de séparation lors de laquelle le CO2 est dissocié des autres constituants gazeux. La composition du mélange gazeux peut varier considérablement, qualitativement et quantitativement, suivant l’origine du CO2, le procédé de captage retenu et le secteur industriel concerné. Outre le CO2, plusieurs composants peuvent être présents à divers niveaux de concentrations ; par exemple O2, N2, SOx, H2S, NyOx, H2, CO et Ar dans le domaine de l’énergie. Ces impuretés peuvent avoir un impact sur la réactivité chimique avec l’eau, les minéraux constituant les réservoirs et les couvertures, et les matériaux formant les puits d’injection ou de monitoring présents sur les sites. De plus, quelques impuretés (SOx, H2S, NyOx, CO) sont toxiques pour la santé humaine et l’environnement, même à de faibles concentrations.

Le rôle de ces impuretés sur le comportement géochimique des sites de stockage est aujourd’hui assez peu documenté (quelques résultats expérimentaux sur le mélange CO2-H2S et des simulations géochimiques sur CO2-H2S/SO2). En 2006, deux projets financés par l’ANR, « Puits-CO2 » et « Gaz Annexes », ont démarré et se sont principalement focalisés sur la caractérisation expérimentale de l’impact des mélanges de gaz sur la réactivité de minéraux et matériaux mis en jeu dans le stockage géologique du CO2. L’Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) a dirigé le second projet, qui s’est terminé en mai 2011 et a conduit à d’importants résultats expérimentaux et de modélisation sur les constituants gazeux pris individuellement et même à une première investigation sur le système eau-mélange de gaz-roche.

Grâce à l’expérience et au matériel acquis de ces précédents efforts de recherche, il semble approprié de proposer un nouveau projet pour étudier le comportement des mélanges de gaz co-injectés dans les conditions du stockage. Pour cette investigation, notre équipe de recherche concentrera sur la modélisation numérique du système eau-gaz-roche. L’objectif principal sera alors de réaliser des simulations géochimiques pour modéliser le comportement à long terme des gaz co-injectés dans les sites de stockage de CO2. Nous allons, en conséquence, nous intéresser :
- à l’impact du CO2 et des gaz co-injectés sur les minéraux et la géochimie du réservoir, et
- aux possibles inférences sur l’environnement en cas de fuite.
À cet effet, nous recommandons d'élargir les banques de données thermodynamiques par l’acquisition de données expérimentales manquantes qui permettront de caler et de valider les équations d’état adaptées à ces systèmes. Une série d'expériences en présence de roche-réservoir et de mélanges de gaz, menées en conditions réalistes de pression et de température, sera confrontée aux résultats des simulations numériques, pour in fine, valider les codes nouvellement implémentés. Notre programme de recherche se focalisera sur un nombre restreint de gaz d'intérêt (SO2, NO, O2) et nous évaluerons leur influence sur des roches-réservoirs (silicates + argiles) supposées offrir une réactivité spécifique (i.e. minéraux contenant du fer). Pour de tel échantillons de roches-réservoirs, les connaissances acquises sur le devenir des impuretés dans le réservoir amèneront quelques conclusions sur la composition de fuites accidentelles et leurs impacts sur l’environnement et la santé.
Finalement, en intégrant l’ensemble des résultats du projet, quelques premières recommandations en terme de composition du flux de CO2 injecté seront formulées de manière à minimiser les risques environnementaux.