Des scientifiques de l'Université de Stanford ont mis au point une nouvelle solution pour relever le défi de s'assurer que lorsque le dioxyde de carbone (CO₂ ) est injecté sous terre, il reste en fait en place.

Pendant des décennies, les modèles climatiques ont prédit que les vagues de chaleur extrême du type de celles subies par des millions de personnes cet été deviendraient beaucoup plus courantes aux niveaux de gaz réchauffant la planète actuellement présents dans l'atmosphère terrestre. Alors que les émissions et les températures continuent d'augmenter, il existe un consensus scientifique croissant sur le fait que les pays devront éliminer et gérer activement le CO₂ pour que le monde évite un réchauffement au-delà du seuil de 1,5 degré Celsius au-dessus des niveaux préindustriels.

Une méthode largement étudiée pour garder le carbone éliminé hors de l'atmosphère à long terme consiste à injecter du CO₂ dans des formations rocheuses profondément souterraines. Mais il reste encore des questions à résoudre.

"L'injection de dioxyde de carbone dans les formations de stockage peut conduire à des réactions géochimiques complexes, dont certaines peuvent provoquer des changements structurels dramatiques dans la roche qui sont difficiles à prévoir", a déclaré Ilenia Battiato, chercheuse principale de l'étude et professeure adjointe d'ingénierie des ressources énergétiques à École des sciences de la terre, de l'énergie et de l'environnement de Stanford (Stanford Earth).

Réactions en chaîne

Pendant des années, les scientifiques de la Terre ont simulé l'écoulement des fluides, les réactions et la mécanique des roches pour essayer de prédire comment les injections de CO₂ ou d'autres fluides affecteront une formation rocheuse donnée.

Les modèles existants, cependant, ne prédisent pas de manière fiable l'interaction et les conséquences complètes des réactions géochimiques, qui produisent souvent des joints plus étanches en bouchant efficacement les voies avec des minéraux dissous, mais peuvent également conduire à des fissures et des trous de ver qui peuvent permettre au dioxyde de carbone enfoui d'affecter l'eau potable. ou s'échapper dans l'atmosphère, où cela contribuerait au changement climatique. "Ces réactions sont omniprésentes. Nous devons les comprendre car elles contrôlent l'efficacité du sceau", a déclaré Battiato.

L'un des principaux défis de la modélisation porte sur le large éventail d'échelles temporelles et spatiales sur lesquelles des processus en interaction se déroulent simultanément sous terre. Certaines réactions disparaissent en moins d'une seconde, tandis que d'autres continuent pendant des mois, voire des années. Au fur et à mesure que les réactions progressent, l'évolution du mélange et de la concentration de divers minéraux dans une parcelle de roche donnée, ainsi que les modifications de la géométrie et de la chimie de la surface de la roche, influencent la chimie des fluides, qui à son tour affecte les fractures et les voies possibles de fuites.

Laboratoire sur puce

La nouvelle solution, décrite le 1er août dans Actes de l'Académie nationale des sciences , utilise un appareil microfluidique, ou ce que les scientifiques appellent souvent un "laboratoire sur puce". Dans ce cas, les chercheurs l'appellent une "roche sur une puce", car la technologie consiste à intégrer un minuscule éclat de roche de schiste dans une cellule microfluidique.

Pour démontrer leur appareil, les chercheurs ont utilisé huit échantillons de roche prélevés dans le schiste de Marcellus en Virginie-Occidentale et le schiste de Wolfcamp au Texas. Ils ont coupé et poli les éclats de roche en morceaux pas plus gros que quelques grains de sable, chacun contenant des quantités et des arrangements variables de minéraux carbonatés réactifs. Les chercheurs ont placé les échantillons dans une chambre en polymère scellée dans du verre, avec deux minuscules entrées laissées ouvertes pour les injections de solutions acides. Des caméras à grande vitesse et des microscopes leur ont permis de voir étape par étape comment les réactions chimiques provoquaient la dissolution et la réorganisation des grains minéraux individuels dans les échantillons.

L'idée de miniaturiser la recherche qui nécessitait autrefois de grands laboratoires recoupe les sciences de la Terre, la biomédecine, la chimie et d'autres domaines, a déclaré le co-auteur de l'étude Anthony R. Kovscek, professeur Keleen et Carlton Beal à Stanford Earth et chercheur principal à l'Institut Precourt de Stanford. pour l'Energie. "Si vous pouvez le voir, vous pouvez mieux le décrire. Ces observations ont un lien direct avec notre capacité à évaluer et à optimiser les conceptions pour la sécurité", a-t-il déclaré. Aujourd'hui, Kovscek dit que les géologues sur les sites de forage peuvent examiner les roches au microscope, mais aucune technologie actuelle n'approche le niveau de détail possible avec ce nouvel appareil :"Rien de ce genre n'existe pour vraiment regarder comment les formes des grains changent."

Optimisation pour la sécurité

L'amélioration des modèles de transport réactifs est une question de plus en plus urgente, compte tenu du rôle de l'élimination du carbone dans les plans gouvernementaux de lutte contre le changement climatique et des centaines de millions de dollars qui sont actuellement versés à la technologie naissante par des investisseurs privés. Projets existants pour éliminer le CO₂ directement depuis l'atmosphère ne fonctionnent qu'à l'échelle pilote. Ceux qui captent les émissions à la source sont plus courants, avec plus de 100 projets en développement dans le monde et le gouvernement américain se prépare maintenant à dépenser 8,2 milliards de dollars via le projet de loi bipartite sur les infrastructures pour le captage et le stockage du carbone des installations industrielles.

Tous les plans de stockage du carbone n'impliquent pas l'enfouissement du carbone sous terre. Cependant, ceux qui impliquent un stockage géologique pourraient être aidés et éventuellement rendus plus stables et sécurisés grâce à la nouvelle technologie de Stanford. "Les chercheurs doivent intégrer ces connaissances dans leurs modèles pour faire de bonnes prédictions sur ce qui va se passer une fois que vous injectez du CO₂ , pour s'assurer qu'il reste là et qu'il ne fasse pas de choses étranges", a déclaré Battiato.

Pour l'avenir, Battiato et ses collègues prévoient d'utiliser la même plate-forme pour étudier les réactions géochimiques déclenchées par les injections d'eaux usées provenant de la production de pétrole, des usines de dessalement ou de l'industrie, ainsi que l'hydrogène, qui figure dans les plans américains et européens de réduction des émissions d'ici 2050. Bien que le stockage souterrain de l'hydrogène soit souvent cité comme une solution prometteuse au défi ardu et persistant d'assurer un stockage sûr du gaz hautement inflammable à grande échelle, le tester même à l'échelle pilote nécessitera de meilleurs outils de dépistage et une meilleure compréhension des réactions biogéochimiques. + Explorer plus loin

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