Optique CO2 : Capteurs infrarouges à fibres optiques pour le monitoring du stockage géologique du CO2

Mesure précise du CO₂ par l’infrarouge

La principale difficulté pour obtenir une mesure précise du CO₂ injecté et des fuites éventuelles par les forages et/ou les drains naturels, est de détecter un signal faible profond et donc d’évaluer la limite de détection par rapport au bruit de fond géochimique, d’où la nécessité d’avoir des appareils présentant le meilleur rapport signal/bruit possible.

Ces mesures sont le plus souvent réalisées par infrarouge. Le CO₂ a en effet la caractéristique particulière de présenter des bandes d’absorption dans l’infrarouge en dessous de 5 µm, ce qui explique que la plupart des systèmes utilisés pour sa détection dans l’air ambiant soient fondés sur l’analyse infrarouge. Le choix des bandes d’absorption est établi en fonction du degré de concentration attendu : des bandes d’absorption élevées vers 4 µm, par exemple, permettent de détecter de très faibles concentrations de CO₂.

La limite des instruments de mesures actuellement utilisés est qu’ils requièrent une phase préalable de pompage vers la surface, susceptible d’entraîner une modification du milieu.

Test de conditions limites d’usage d’un capteur optique infrarouge innovant (projet ANR Optique CO₂). Application à la mesure de la concentration en CO₂ à une centaine de mètres de profondeur dans un sondage.

Différentes voies de détection expérimentées dans le cadre du projet ANR Optique

Pour envisager un transfert de technologie vers les sites de stockage de CO₂, il importe donc de répondre à cette problématique. C’est ce à quoi s’est attaché le consortium du projet ANR Optique CO₂ coordonné par l’équipe Verres et Céramiques de l’Université Rennes 1, avec la mise au point d’un type de capteur spécifique implanté directement dans le milieu surveillé afin de détecter et de quantifier en continu les fuites de CO₂.

Différentes voies de détection ont été expérimentées avant la réalisation du prototype : détection par transmission, par ondes évanescentes ou par source fluorescente. Puis les performances en tant que capteur à CO₂ gazeux de nouveaux matériaux et de nouvelles fibres optiques afin d’améliorer le rapport signal/ bruit et d’élargir la fenêtre optique vers le moyen infrarouge ont été explorées.

Innovation et développement de fibres optiques infrarouges comme système de mesure du CO₂

Le développement de fibres optiques infrarouges innovantes appliquées au monitoring du stockage géologique du CO₂ a ainsi permis la réalisation d’un capteur opto-électronique testé, étalonné et calibré au laboratoire, ouvrant la voie à un transfert de technologie vers les sites de stockage de CO₂. Le capteur mis au point est un système réversible de mesure du CO₂ de 500 ppm à 100 % qui permet une analyse in situ, en temps réel et de façon continue. Ne requérant ni pompage, ni prélèvements gazeux, il ne provoque aucune modification du milieu.

La méthode a été testée avec succès au cours de trois campagnes d’essais sur des sites naturels à Sainte- Marguerite (Drôme), Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin) et Merlebach (Moselle).

La valorisation de ce projet s’est traduite par de nombreuses publications et deux brevets.