Évaluation du potentiel et optimisation des zones favorables pour le stockage géologique de CO2 dans des réservoirs charbonniers profonds

Pourquoi le stockage du carbone dans les veines de charbon compte

Réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) assez rapidement pour atteindre les objectifs climatiques nécessitera non seulement une énergie plus propre, mais aussi des endroits sûrs pour enfermer de grandes quantités de CO2 sous terre pendant des siècles. Les veines de charbon profondes et non exploitables sont une option prometteuse : elles peuvent adsorber le CO2 sur leurs surfaces internes et le maintenir piégé, tout en aidant à repousser du gaz naturel précieux. Cette étude examine une importante veine de charbon du bassin de Qinshui en Chine pour poser une question pratique : combien de CO2 ces couches de charbon profondes peuvent-elles réellement contenir, et où sont les meilleurs endroits pour l'injecter ?

Le cadre souterrain sous un bassin houiller

Le travail se concentre sur la veine de charbon n° 3 dans le sud du bassin de Qinshui, l’une des régions charbonnières et productrices de méthane de houille les plus importantes de Chine. Ici, des couches épaisses de charbon d’environ moyenne à haute qualité reposent à quelques centaines jusqu’à plus de mille mètres de profondeur, encadrées par des mudstones et des grès peu perméables qui font office d’étanchéités naturelles. Les eaux souterraines sont réparties en couches largement séparées, de sorte que les fluides ne circulent pas facilement entre elles. Le charbon de la veine cible est un anthracite dur et de haut rang, avec des pores très petits et une grande surface interne, ce qui le rend particulièrement apte à retenir les gaz par adsorption — des molécules qui adhèrent aux parois des pores — tandis que les roches encaissantes contribuent à prévenir les fuites.

Comment le CO2 se comporte lorsque les conditions changent avec la profondeur

Lorsque le CO2 est injecté en profondeur, la température et la pression augmentent avec la profondeur, poussant le gaz jusqu’à un état supercritique qui combine la densité d’un liquide et la mobilité d’un gaz. Les chercheurs ont recréé ces conditions en laboratoire en utilisant du charbon en poudre prélevé à environ 900 mètres de profondeur. Ils ont mesuré la quantité de CO2 que le charbon pouvait adsorber à trois températures (20, 30 et 40 °C) et à des pressions allant jusqu’à 20 mégapascals. À toutes les températures, le charbon adsorbait d’abord rapidement le CO2 à l’augmentation de la pression, atteignait ensuite un pic, puis montrait une légère diminution de la quantité « excédentaire » mesurée. Des conditions plus chaudes réduisaient la quantité de CO2 retenue à une pression donnée, ce qui signifie que les veines plus profondes et plus chaudes se comportent différemment des couches plus superficielles et plus froides.

Concevoir un modèle de stockage simple mais efficace

Pour transformer ces mesures en un outil de planification, l’équipe a testé trois descriptions mathématiques standard de l’adsorption et a constaté qu’une approche multilayer connue sous le nom de modèle BET captait le mieux le comportement du CO2, en particulier près et au-delà du point critique où le gaz devient supercritique. Ils ont ensuite combiné ce modèle d’adsorption avec des formules séparées pour le CO2 occupant l’espace poreux comme fluide libre dense et pour la petite fraction qui se dissout dans l’eau de formation. Les réactions minérales, qui enfermeraient le CO2 sous forme de carbonates solides sur des millions d’années, ont été jugées négligeables à l’échelle de temps de l’ingénierie pour cette veine de charbon. Le résultat est un jeu d’équations compactes qui estime le stockage total de CO2 par unité de masse de charbon en fonction de la profondeur, en utilisant des valeurs typiques de porosité, de teneur en eau, de densité du charbon et de pression et température in situ.

Quelle quantité peut être stockée et où sont les meilleurs sites

En intégrant des données géologiques régionales dans ce cadre, les auteurs ont calculé comment la capacité de stockage évolue entre environ 300 et 1300 mètres de profondeur. Dans les couches plus superficielles « subcritiques », l’adsorption sur les surfaces du charbon domine et augmente modestement avec la profondeur avant de se stabiliser. En dessous d’environ 800 mètres, où le CO2 devient supercritique, la part de stockage sous forme de fluide libre dense dans les pores augmente rapidement, et la capacité totale grimpe fortement jusqu’à environ 1100 mètres, puis croît plus lentement. Globalement, les principales veines de charbon du bloc étudié pourraient théoriquement contenir environ 575 millions de tonnes de CO2, environ les deux tiers de cette capacité se trouvant dans la zone profonde supercritique. La cartographie structurale détaillée montre que les zones les plus prometteuses, désignées Unités I et II, se situent dans la partie nord, structurellement simple du bloc, où se conjuguent charbon épais, bonnes roches d’étanchéité et peu de failles favorisant les fuites, ainsi qu’un fort potentiel de méthane de houille.

Ce que cela implique pour l’action climatique et l’usage de l’énergie

Pour les non-spécialistes, le message principal est que certaines veines de charbon profondes peuvent agir comme d’immenses éponges souterraines pour le CO2, en particulier lorsque la pression et la température poussent le gaz dans un état dense et supercritique. Dans l’exemple du bassin de Qinshui, l’adsorption sur le charbon et le CO2 dense libre dans l’espace poreux représentent ensemble plus de 99 % du potentiel de stockage, tandis que la dissolution dans l’eau et les très lentes réactions minérales ont peu d’importance à court et moyen terme. L’étude montre que la zone idéale pour la sécurité et l’efficacité se situe entre environ 800 et 1100 mètres de profondeur, et que les meilleurs sites d’injection chevauchent souvent des gisements et des puits de gaz existants. Cela ouvre la voie à des projets qui stockent simultanément du CO2 et augmentent la production de méthane, contribuant à financer le stockage tout en faisant progresser les objectifs chinois de « double carbone » de pic puis de réduction des émissions.

Citation: Xue, Z., Xu, X., Tian, L. et al. Potential evaluation and favorable zone optimization of CO₂ geological sequestration in deep coal reservoirs. Sci Rep 16, 12208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42680-z

Mots-clés: stockage du CO2, veines de charbon profondes, fluides supercritiques, méthane de houille, captage et stockage du carbone