Stockage Geologique Du CO2 Les Solutions IFPEN (1)

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Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables Le stockage géologique du CO 2 Les solutions IFP Energies nouvelles pour un déploiement sécurisé

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Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables

Le stockage géologique du CO2

Les solutions IFP Energies nouvelles pour un déploiement sécurisé

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IFP Energies nouvelles est un organisme public de recherche, d’innovation industrielle et de formation intervenantdans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement.Sa mission est d’apporter aux acteurs publics et à l’industrie des technologies performantes, économiques, propres et durablespour relever les défis sociétaux liés au changement climatique, à la diversification énergétique et à la gestion des ressources en eau.Son expertise est internationalement reconnue.

Capter et stocker le CO2 pour lutter contre l’effet de serre

La lutte contre le réchauffement climatique, en grande partie dû aux émissions de CO2 liées à l’utilisation de l’énergie, est désormais un enjeu planétaire considérable. IFP Energies nouvelles, pour qui les problématiques environnementales ont toujours constitué une préoccupation majeure transverse à l’ensemble de ses recherches, a fait de ce défi l’une de ses priorités absolues.

Au-delà de l’effort de réduction des émissions de CO2, il est indispensable de capter le CO2 partout où cela est possible, c’est-à-dire principalement sur les sites industriels. IFP Energiesnouvelles est, depuis plusieurs années déjà, fortement engagédans le développement des technologies nouvelles — captage,transport et stockage dans le sous-sol — qui permettront de limiter les rejets de CO2 dans l’air. Il dispose d’atouts importants en la matière dans la mesure où les compétences nécessairespour conduire ces recherches sont celles mises en œuvre dans le cadre de l’exploitation pétrolière. IFP Energies nouvelles est aujourd’hui un chef de file important dans ce domaine, tant au niveau européen que national.

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La nécessité de réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES), et en premier lieu de CO2,s’impose progressivement à l’échelle internationale. Il s’agit de lutter contre le réchauffement climatiqued’origine anthropique, qui résulte en particulier de l’utilisation intensive des énergies fossiles (pétrole, gaznaturel et charbon) depuis les débuts de l’ère industrielle.

Le captage et stockage du CO2 (CSC) pourrait, selon l’AIE, contribuer à hauteur de 19 % à la réductionglobale des émissions de GES au niveau mondial, soit environ 5 Gt de CO2 par an en 2050. Il est l’unedes solutions qui permettra de renforcer les actions à développer par ailleurs pour améliorer l’efficacitéénergétique et la décarbonatation progressive de l’énergie, notamment en utilisant des ressources et des vecteurs énergétiques alternatifs (solaire, éolien ou hydrogène par exemple).

Seuls les champs matures ou les aquifères salins permettront destocker des quantités suffisantes à l’échelle du problème posé. Onestime ainsi le potentiel de stockagedu CO2 des champs matures àenviron 900 Gt, mais leur répartitionmondiale est très inégale sur laplanète. Les aquifères salins ont

une plus grande couverturegéographique, mais du fait de leurmanque d’intérêt économique à cejour, ils sont peu étudiés et doncencore mal connus. Leur potentiel de stockage de CO2 reste incertain,mais jugé largement supérieur àcelui des champs matures.

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Le captage et stockage du CO2 (CSC) pourrait contribuer à hauteur de 19 % à la réduction globale des émissions de GES au niveau mondial, soit environ

5 Gt de CO2 par an en 2050. Source : AIE.

Différentes zones géologiques sontenvisagées pour stocker le CO2 :

les aquifères salins profonds,les réservoirs d’hydrocarbures deschamps matures :- soit après exploitation dans les

réservoirs déplétés, - soit en cours de production avec

le bénéfice additionnel d’aider à drainer les hydrocarbures hors des réservoirs (procédésEOR/EGR),

les veines de charbon nonexploitables,un stockage sous forme minéraledans les roches ultrabasiques.

les centrales électriques, maiségalement les cimenteries, lesaciéries, etc.) pour ensuite le stockerdans le sous-sol.

Le CSC consiste à capter le CO2émis par les installationsindustrielles (principalement

Les enjeux du stockage

du CO2

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Le développement d’une filièreindustrielle du CSC comporte demultiples défis technologiques :

le principal concerne le captage et la réduction des coûts,actuellement de l’ordre de 60 à 80 €/t de CO2 capté,au niveau du transport, il s’agit demettre en place une infrastructureadaptée (réseau de conduites parexemple) et de prendre en comptel’impact d’autres gaz (oxygène,azote, etc.) ou des impuretésd’origines variées (NOx, SOx) que peut contenir le CO2,le stockage géologique du CO2est sans conteste le segment de la chaîne CSC qui focaliseral’acceptation par la société del’ensemble de la filière. Il devraêtre maîtrisé tant sur le courtterme (les quelques décenniesd’injection et de surveillance du stockage) qu’à plus longueéchéance (plusieurs centaines à plusieurs milliers d’années) de façon à en assurer la pérennité.

Le stockage du CO2 fait appel à destechnologies éprouvées depuis desdécennies dans l’industrie pétrolière.

Cependant, si les champs pétroliersont prouvé leur capacité à contenirdes fluides pendant des millionsd’années, il reste à démontrer qu’ilsne réagiront pas négativement àl’injection de CO2. Ce gaz, dissousdans l’eau, constitue en effet un acide faible qui peut affecter la minéralogie et la structure de la roche, et entraîner une éventuellemodification non seulement de ses propriétés mécaniques, mais aussi pétrophysiques.En ce qui concerne les aquifèressalins, les défis sont encore plusnombreux puisqu’il s’agit de couchesgéologiques mal connues. Denombreux travaux sont nécessaires

pour identifier les zones qui pourrontcontenir les quantités voulues de CO2 sur des échelles de temps deplusieurs centaines d’années.

Fort de son expertise acquise dans le domaine de l’exploitation desréserves pétrolières et gazières, IFP Energies nouvelles occupe uneplace privilégiée pour développer les technologies nécessaires à unemise en œuvre sûre du stockagegéologique du CO2. Son principalobjectif est de mettre au point deslogiciels industriels permettant lamodélisation et le monitoring desstockages, ainsi que l’optimisation du procédé d’injection et de stockage.

Le CO2 injecté dans un aquifère remonte en panache à travers le réservoirjusque sous la roche couverture, où il est piégé.

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Solutions de stockage.

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Sélection des sites de stockageet évaluation des risques (phase préopération - 3 à 5 ans)

IFP Energies nouvelles développe un workflow (schéma de processusmétier) de modélisation multiéchelle,du bassin au proche puits d’injection,complété par une analyse de risquesdont la mise en œuvre est indispen-sable au succès de la phase desélection d’un site.

Il comprend :une précontrainte régionale à l’aide d’une modélisation de bassin (fluides et pression avecTemisFlowTM, dépôts sédimentairesavec DionisosTM),une modélisation millénaire del’évolution d’un panache de CO2avec le logiciel CooresTM, quipermet de simuler les différentstypes de stockage envisagés et leurévolution sur de longues périodes.

CooresTM

Mis au point par IFP Energies nouvelles,le logiciel CooresTM est destiné àévaluer les effets à long terme dustockage du CO2 sur un sitegéologique. Après plusieurs années de développement, CooresTM estdevenu un outil de référence utilisédans différents projets, y compris en collaboration avec des partenaireseuropéens. Les laboratoires derecherche d’IFP Energies nouvellessont mis à forte contribution pourconstruire les modèles de donnéesgéochimiques nécessaires à lamodélisation des écoulements réactifs,pour étudier les effets du CO2 sur la résistance mécanique des roches,et pour valider CooresTM sur desexpériences à partir d’échantillons de roche.

Au sein du programme européenDynamis (2006-2009), qui a étudié la

faisabilité d’une centrale thermiquecouplée avec un système de captageet de stockage du CO2, lesscientifiques d’IFP Energies nouvellesont ainsi fait appel à CooresTM poursimuler l’injection du CO2 sur unepériode de 30 ans. Trois structuresgéologiques différentes ont servi decadre à ces modélisations, deuxaquifères et un ancien gisementpétrolier situés au large des côtesanglaises et danoises. Grâce aulogiciel, le comportement du CO2injecté dans les sites a pu être prédit,permettant d’assurer et d’optimiserson piégeage sur une période de 1 000 ans. L’influence du nombre depuits et de leur positionnement surl’augmentation de la pression lors del’injection ont, par exemple, pu êtresimulés avec CooresTM dans différentsscénarios. Ces travaux ont notammentmontré que le positionnement d’un

Stockage du CO2 : du modèle stratigraphique au processus d’injection.

Il modélise les écoulementsréactifs de plusieurs fluides, lesmodifications pétrophysiques liéesaux réactions chimiques et, par un couplage avec un logiciel degéomécanique, les impacts dus à l’augmentation de la pression et aux changements des propriétésmécaniques sur les élémentsconstitutifs et environnants dustockage : puits, couvertures etfailles,une analyse fine des interactionsfluides/roche, de l’échelle del’échantillon à celle du champ,une prise en compte desincertitudes à toutes ces échelles(logiciel CougarTM).

La maîtrise des risques de fuitenécessite également le contrôle de l’étanchéité des failles et descouvertures : IFP Energies nouvellesétudie dans ce cadre les lois depropagation de fractures dans les argilites et le comportementmécanique des failles.

L’application de ce workflow completdoit permettre de sélectionner des sites de stockage qui répondrontaux critères mis en place par lesautorités compétentes, et d’optimiserainsi l’évaluation des quantitésinjectables.

Modélisation avec CooresTM de l’évolution de la saturation en CO2 après 30 ans d’injection.À gauche un puits en haut de la structure, au centre quatre puits autour du sommet, et à droite un puits sur le flanc de la structure.

Modélisation avec CooresTM de l’évolution dela surpression dans les mêmes conditions.

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Les étapes dela vie du

stockage

seul puits en flanc de structurepermet de réduire l’augmentation de pression et donc de préserverl’intégrité de la couverture, tout enoptimisant les coûts.

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réservoirs et la résistance descouvertures et des ciments qui en assureront l’étanchéité. Parmi les recherches en cours, des testssur l’altération, en présence de CO2,des ciments Portland utilisésclassiquement dans l’industrie, ont permis d’étudier les effets dedissolution et de carbonatation quipeuvent conduire à leur altérationmécanique.

Réinjecter du CO2dans un champ de gaz naturel : le pilote d’In Salah

Exploité par une jointventure réunissant BP,la Sonatrach et Statoil,le complexe de champsgaziers d’In Salahcompte depuis 2005deux puits d’injectiondans la région de Krechba (Algérie). Utilisé pour injecter du CO2 dans un aquifèreà 1 800 m de fond, afin de maintenir le réservoir de gaz naturel sous pression, In Salah joue le rôle d’un véritable laboratoire souterrain : en interprétant les campagnes de mesures sismiques et gravimétriques menées sur place, les chercheurs d’IFP Energies nouvelles peuvent produire des modèles rendantcompte, par exemple, de la manière dont le CO2 se met en place lors de la phased’injection dans l’environnement souterrain.

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Dissolution et carbonatation en présence de CO2, mesurées en laboratoire

sur un échantillon de ciment.

Construction et injection (phase opération – 10 à 50 ans)

De multiples données additionnellessont récoltées dans les puits lors de la phase opérationnelled’injection. Les mesures recueilliessont utilisées pour améliorer lacaractérisation des réservoirs et des couvertures et mettre à jour lesmodèles, et ainsi optimiser l’injectionen réduisant les risques. La mise enœuvre d’une palette de technologiesde monitoring adaptées à chaque site permet de contrôler l’injection,l’intégrité des couvertures et despuits, et de suivre l’évolution dupanache. Elle permet égalementd’effectuer un bilan massique duCO2, de manière à certifier que les quantités injectées ont bien étépiégées et peuvent ainsi éventuel-lement faire l’objet d’allocation dequotas.

IFP Energies nouvelles mène desétudes expérimentales en laboratoireafin d’estimer l’injectivité des

Ils ont montré l’importance demaîtriser la tenue des interfacesciment/métaux. En parallèle, IFP Energies nouvelles a développéet breveté des formulations denouveaux ciments mieux adaptés au besoin de tenue à très long terme.

Schéma de processus métier du stockage.

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IFP Energies nouvelles metégalement au point des techniquesde surveillance par écoutesismique à l’aide de capteurspermanents installés dans lespuits d’injection ; en particulier le système d’écoute permanenteSeisMovieTM développé avecCGGVeritas et GDF Suez, etcommercialisé par CGGVeritas. IFP Energies nouvelles poursuit en parallèle le développement du logiciel μsicsTM, dont l’objet estla localisation des événementsmicrosismiques.

Par ailleurs, IFP Energies nouvellesdéveloppe des méthodologies deremise à jour des modèles grâce aux données issues du monitoringpour améliorer les prédictions de ces modèles. Le risque zéron’existant pas, il faudra prévoir desinterventions de remédiation au casoù le monitoring indiquerait desmouvements de CO2 hors du réservoir.Sur ce sujet, IFP Energies nouvellesétudie des solutions novatrices telleque l’ajout d’éléments colmatants au flux de CO2 injecté.

Chambre à flux utilisée pour établir une ligne de base géochimique en phase

de préinjection.

7Sleipner

Installé en mer du Nord dans leseaux territoriales norvégiennes, lepilote de Sleipner est “la” référenceen matière de stockage géolo-gique de CO2. Ici, la compagnieStatoil a déjà injecté, depuis 1996,11 Mt de CO2 issu d’un gisementde gaz naturel, dans un aquifèresitué à 800 m sous le plancherocéanique. Les chercheurs d’IFP Energiesnouvelles et leurs partenaireseuropéens réalisent depuis 2008plusieurs études sur le site. L’uned’elles leur permet de vérifier que le CO2 reste confiné dans la structure de stockage, sous la couverture principale. Ils ontégalement élaboré, grâce à des données issues de deuxcampagnes sismiques menées par Statoil en 1994 et en 2006,des vues montrant, pour lapremière fois en 3D, la répartitiondu CO2 à l’intérieur de la structuregéologique. Cette étape estindispensable avant l’élaborationd’un modèle scénarisantl’évolution du CO2 dans un milieunaturellement complexe sur le plangéologique.

Surveillance du stockage (phasepostopération – 1 000 ans)

Après l’arrêt des opérations d’injec-tion, l’opérateur doit pouvoir prouveraux autorités de contrôle, quiprendront la responsabilité du site,que le stockage est dans un étatstable pour le futur. C’est à cette finqu’un monitoring environnementalatmosphérique et des aquifères seramaintenu. En raison de la cinétiquedes phénomènes de dissolution et de minéralisation du CO2, les risquesde fuites sont de plus en plus faiblesavec le temps.

IFP Energies nouvelles développe des méthodologies de suivi des sites utilisant en particulier des technologies sismiques,microsismiques, électriques,électromagnétiques, gravimétriqueset géochimiques, et des mesures de déformations de surface.

En monitoring géochimique, IFPEnergies nouvelles s’appuie surl’analyse des gaz rares en tant quetraceurs, qui permettent d’affirmerque le CO2 identifié a pour origine,ou non, le réservoir de stockage. La comparaison de mesuresrépétitives effectuées par rapport à une ligne de base enregistrée en phase de préinjection permet de distinguer une éventuelle fuitedu CO2 issu du stockage, grâce à l’étude du bruit de fond naturel.

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IFP Energies nouvelles,fédérateur de la R&D dans le domainedu stockage du CO2

Tête de puits utilisée pour l’injection de CO2 : le pilote de Total permet de tester dans le bassin de Lacq un projet intégré de captage et de stockage géologique du CO2.

Projet ANR SOCECO2

Dans le cadre du projet ANRSOCECO2, IFP Energies nouvellesa réalisé une étude sur le potentielet les scénarios de déploiementdes solutions de captage/stockage du CO2 en France sur la période2020-2050. L’évaluation technico-économique et environnementalede la filière CSC, menée au sein du projet, vise à tester l’adéquationentre le potentiel de captage desgrands émetteurs nationaux deCO2 et les capacités des sites de stockage disponibles à ce jour.Plusieurs scénarios sontenvisagés qui prennent en compteles contraintes liées au transport,à la nature des sites (onshore ouoffshore) et à l’acceptation destechnologies par les populations

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concernées. L’étude privilégie unscénario qui prévoit le stockagedes émissions de la région PACAdans des réservoirs souterrainssitués en mer Méditerranée, et le stockage des émissions desrégions Lorraine, Île-de-France,Nord-Pas-de-Calais et Haute-Normandie dans l’aquifère duBassin parisien, si la populationl’accepte. Dans le cas contraire, le stockage est prévu soit dansdes champs pétroliers déplétés,soit dans des aquifèressouterrains en mer du Nord. Le projet SOCECO2 a réuni, auxcôtés d’IFP Energies nouvelles, les plus grands acteurs nationauxde la filière CSC dont Alstom,Apesa, le BRGM, le Cired, GDF Suez, l’Ineris et Total.

Un acteur français

IFP Energies nouvelles est impliquédans un certain nombre de projets en cours de montage sur le territoirefrancais. Le projet à Lacq dirigé par Total consiste en une unitéd’injection pilote dans le champdéplété de Rousse dans le sud de la France.

Le projet France Nord, soutenu parl'Ademe, et qui regroupe six grandsgroupes industriels français et cinq organismes européens derecherche (dont trois français), vise à sélectionner un site géologiqueapproprié pour le stockage de CO2en aquifères salins profonds dans le bassin de Paris.

Un acteur européen

Depuis les années 2000 et tout au long de la montée en puissancedes efforts de R&D dans le domainedu CSC, IFP Energies nouvelles s’estpositionné comme un expert deréférence en participant à la plupart

des initiatives de rechercheeuropéennes, souvent en tant queleader (projets Castor, Coach, InCA-CO2, etc.).

Ainsi le projet européen Castor,piloté par IFP Energiesnouvelles, qui visait à proposerdes technologies permettant

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le captage et le stockage de 10 % du CO2 émis en Europe, s’est achevéen 2008. Il figure parmi les sixsuccess stories du 6e PCRDsélectionnées par la Commissioneuropéenne.

Par ailleurs, IFP Energies nouvelless’est fortement impliqué dans les projets européens de stockageEcco et GeoCapacity. Il est égalementpartie prenante au projet CO2ReMove,

Le transport du CO2 par bateau est plus rentable qu’une conduite offshore pour des trajetsdépassant 500 km et qu’une conduite onshore pour des distances supérieures à 1 000 km.

Le pilote industriel installé en 2006 dans le cadre du projet Castor sur la centrale deDong Energy à Esbjerg (Danemark) est unepremière mondiale.

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destiné à prédire l’évolution d’un sitede stockage de CO2.

Enfin, IFP Energies nouvelless'engage dans trois nouveaux projetseuropéens : CO2Care, CGS Europe et SiteChar. Ce dernier projet, qui est coordonné par IFP Energiesnouvelles, devra fournir deséléments clés sur la caractérisationde sites potentiels dans laperspective du déploiementindustriel du CSC.

Un acteur international

IFP Energies nouvelles est égalementtrès présent au niveau des réseauxd’actions internationaux liés au CO2 ;il assure par exemple la vice-présidence de la plate-formetechnologique européenne ZEP (ZeroEmission Fossil Fuel Power Plants).

En raison de son expérience et deses compétences dans le domainedu CSC, IFP Energies nouvelles est de plus en plus sollicité pourapporter son savoir-faire lors de la mise en place d’infrastructures etde projets pilotes à travers le monde.

Bahia

Le bassin du Recôncavo compteparmi les régions productricesd’hydrocarbures les plus importantesdu Brésil. Après 50 ans d’exploitation,la compagnie nationale Petrobras est amenée à recourir à la techniquede récupération assistée du pétrolepar injection de CO2. Or, ce dispositifintéresse la recherche dans ledomaine du CSC, car il représenteun laboratoire pour comprendre le comportement à moyen terme du CO2 stocké dans le sous-sol. Le programme Bahia, qui a associéIFP Energies nouvelles à Petrobrasentre 2007 et 2009, a permis de mieux comprendre quel effet a eu,sur le site, l’injection durant 18 ansde 600 000 t de CO2. Au sein du projet, IFP Energies nouvelles a évalué, sur la base d’échantillonsprovenant de différents forages,l’évolution dans le temps de l’étatdes roches souterraines et vérifié si les gaz contenus dans ceséchantillons provenaient de la surfaceou étaient remontés depuis le sous-sol. Par ailleurs, grâce auxinformations fournies par Petrobras,IFP Energies nouvelles a pu identifier,dans les données géophysiques, les éléments montrant la répartitiondu CO2 dans le gisement. Dessimulations ont été réalisées à partirdu logiciel CooresTM, indiquant la manière précise dont ce gaz y a évolué au cours du temps.

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De la recherche à l’industrie

IFP Energies nouvelles a mis enplace depuis de nombreuses annéesune grande variété de partenariats technologiques afin de valoriser ses travaux de R&D à l’échelleindustrielle.

Ainsi, IFP Energies nouvellesdéveloppe activement descollaborations industrielles, à traversnotamment sa participation à desprojets pilotes, qui lui permettent de tester les technologies novatricesqu’il développe, mais également depréparer la mise sur le marché desoutils logiciels et des équipementsqu’il met au point.

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Geogreen

Le transport et le stockage du CO2 constituant un secteurindustriel émergent, IFP Energies nouvelles, Géostock et leBRGM ont créé en 2007 la société Geogreen, qui propose aux industriels un éventail très large de services sur l’ensemblede la chaîne, du transport au stockage géologique du CO2, de l’expertise amont à l’ingénierie et au développement deprojets. À plus long terme, Geogreen proposera des prestationsd’exploitation, de contrôle et de maintenance des sitesd’injection, ainsi que des services de suivi liés à la fermeture de sites de stockage.

IFP Energies nouvelles se positionne en leaderdes projets de recherche nationaux eteuropéens dans le domaine du stockage du CO2. Son expertise reconnue lui permet de développer rapidement des collaborationsavec les industriels à l’échelle internationale.

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

SACS2 / CO2 STORE

Stockage CO2

PICORE

PICOREF

NGCAS

CO2NET

CASTOR

InCA-CO2

CO2GeoNet

DYNAMIS (1re phase Hypogen)

EU GeoCapacity

CO2ReMoVe

Géocarbone Monitoring

Géocarbone Injectivité

Géocarbone Intégrité

Géocarbone Carbonatation

Géocarbone Picoref

COACH

Hétérogénéités - CO2

Puits CO2

SOCECO2

COSMOS 2

SHPCO2

PROCHE-PUITS

SENTINELLE

EMSAP CO2

ECCO

Lacq

Bahia

Carbosulcis

COCATE

CGS Europe

SiteChar

CO2CARE

France Nord

Porto Tolle

Projet de recherche européencoordonné par IFP Energies nouvelles

Projet de recherche européenauquel IFP Energies nouvelles participe

Projet de recherche ANRcoordonné par IFP Energies nouvelles

Projet de recherche RTPGcoordonné par IFP Energies nouvelles

Projet de recherche ANR (ou FUI)auquel IFP Energies nouvelles participe

Projet de recherche collaboratif

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IFP Energies nouvelles 1 et 4, avenue de Bois-Préau – 92852 Rueil-Malmaison Cedex – FranceTél. : +33 1 47 52 60 00 – Fax : +33 1 47 52 70 00

IFP Energies nouvelles – Centre de résultats RessourcesTél. : +33 1 47 52 60 85 – Fax : +33 1 47 52 70 [email protected]

Centre de résultats Ressources

IFP Energies nouvelles a pour ambition de développer de nouvelles méthodes et technologies permettant de repousser les limites actuelles des réserves d’hydrocarbures et de donner accès à de nouvelles ressourcesénergétiques. Ces travaux sont menés dans le respect de l’environnement, notamment en limitant les émissions de CO2 et en protégeant les ressources en eau.

Les programmes de recherche portent sur :le captage, le transport et le stockage géologique du CO2 ;les logiciels et technologies pour l’exploration et la production d’hydrocarbures ; la gestion éco-efficiente de l’eau ;les activités liées aux énergies marines et à l’éolien offshore.

Établissement de LyonRond-point de l’échangeur de Solaize – BP 3 – 69360 Solaize – FranceTél. : +33 4 37 70 20 00

www.ifpenergiesnouvelles.fr

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