Construire un réseau national de tuyaux composites pour réduire les émissions de gaz à effet de serre

Dec 23, 2023

65 000 milles de pipeline : c'est la distance qui pourrait être nécessaire pour atteindre des émissions nettes nulles à l'échelle de l'économie d'ici 2050, selon une étude de l'Université de Princeton. Les États-Unis sont sur le point de construire un vaste réseau de pipelines pour transporter l'hydrogène et le dioxyde de carbone, encouragés par l'Infrastructure Investment and Jobs Act et l'Inflation Reduction Act. Pourtant, les émissions du cycle de vie générées par un pipeline en acier typique sont de 27,35 kg d'équivalent de dioxyde de carbone par pi1. Ce qui signifie que 65 000 milles se traduiraient par près de 9,4 millions de mégatonnes d'équivalent de dioxyde de carbone (l'équivalent de plus de 2 millions de voitures particulières par an) produites uniquement à partir de la seule infrastructure de pipelines en acier.

Les pipelines fabriqués à partir de matériaux composites offrent une voie pour réduire les émissions. Le tuyau composite est composé de plusieurs couches de matériaux différents, généralement un polymère thermoplastique comme couche structurelle principale avec des matériaux de renforcement tels que des fibres ou des charges particulaires pour augmenter la résistance et la rigidité. Certains types ont des émissions de cycle de vie qui sont près d'un tiers de moins que les pipelines en acier typiques. Selon l'application, les canalisations composites peuvent être plus sûres et moins coûteuses. Cependant, le processus sous la Pipeline and Hazardous Materials and Safety Administration (PHMSA) pour délivrer des permis pour les tuyaux composites prend plus de temps que l'acier, et pour l'hydrogène et le dioxyde de carbone supercritique, l'industrie manque complètement de normes réglementaires. La réautorisation de la Loi sur la protection de notre infrastructure de pipelines et l'amélioration de la sécurité (PIPES) offre une excellente occasion de revoir les politiques concernant les nouvelles technologies de pipeline moins émissives.

Les États-Unis sont sur le point de connaître un boom de la construction d'énergie propre, s'étendant bien au-delà de l'énergie éolienne et solaire pour inclure des infrastructures qui utilisent l'hydrogène et la capture du carbone. La pompe a été amorcée avec 21 milliards de dollars pour des projets de démonstration ou « hubs » dans la loi sur l'investissement et l'emploi dans les infrastructures et renforcée avec 7 milliards de dollars supplémentaires pour des projets de démonstration et au moins 369 milliards de dollars en crédits d'impôt dans la loi sur la réduction de l'inflation. Le Congrès a reconnu que les pipelines sont un élément essentiel et a fourni 2,1 milliards de dollars en prêts et subventions en vertu de la Loi sur le financement et l'innovation des infrastructures de transport de dioxyde de carbone (CIFIA).

Les États-Unis sont sillonnés par des pipelines. Environ 3,3 millions de kilomètres de pipelines principalement en acier transportent des billions de pieds cubes de gaz naturel et des centaines de milliards de tonnes de produits pétroliers liquides chaque année. Beaucoup moins de 5 000 miles sont utilisés pour transporter le dioxyde de carbone et seulement 1 600 miles sont dédiés à l'hydrogène. Les recherches suggèrent que le réseau de pipelines existant est loin de répondre aux besoins. Selon Net Zero America, environ 65 000 miles de pipelines seront nécessaires pour transporter le dioxyde de carbone capturé afin d'atteindre des émissions nettes nulles à l'échelle de l'économie aux États-Unis d'ici 2050. L'étude identifie également un besoin de plusieurs milliers de miles de pipelines pour transporter l'hydrogène dans chaque région.

La fabrication de tuyaux en acier est un processus à forte intensité de carbone, et la fabrication d'acier en général représente de sept à neuf pour cent des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Des efforts sont en cours pour réduire les émissions générées par l'acier (c.-à-d. « l'acier vert ») en étant plus éconergétique, en capturant et en stockant le dioxyde de carbone émis, en recyclant la ferraille d'acier combinée à des énergies renouvelables et en utilisant de l'hydrogène à faibles émissions. Cependant, le coût est un défi important avec bon nombre de ces stratégies d'atténuation. Le coût estimé de la transition des actifs sidérurgiques mondiaux vers des technologies compatibles avec le zéro net d'ici 2050 est de 200 milliards de dollars, en plus d'une moyenne de référence de 31 milliards de dollars par an pour simplement répondre à la demande croissante.

Compte tenu du vaste réseau de pipelines requis pour atteindre un avenir net zéro, l'utilisation croissante des tuyaux composites offre aux États-Unis une opportunité importante de réduire les émissions de carbone. Les matériaux composites sont très résistants à la corrosion, pèsent moins et sont plus flexibles, et ont une capacité d'écoulement améliorée. Cela signifie que les canalisations en matériaux composites ont une durée de vie plus longue et nécessitent moins d'entretien que les canalisations en acier. Les tuyaux composites peuvent être quatre fois plus rapides à installer, nécessitent un tiers de la main-d'œuvre à installer et ont des coûts d'exploitation considérablement inférieurs.2 L'utilisation de tuyaux composites devrait continuer à croître à mesure que les progrès technologiques rendent ces matériaux plus fiables et plus rentables.

L'utilisation de tuyaux composites se développe également à mesure que l'industrie cherche à améliorer sa durabilité. Nous avons effectué une analyse du cycle de vie sur un tuyau thermoplastique, qui est fabriqué par un processus appelé extrusion qui consiste à faire fondre un matériau thermoplastique, tel que du polyéthylène haute densité ou du chlorure de polyvinyle, puis à le forcer à travers une filière pour créer un tube continu. Le tube peut ensuite être coupé à la longueur souhaitée et des raccords peuvent être fixés aux extrémités pour créer un pipeline complet. Nous avons constaté que les émissions du cycle de vie des tuyaux thermoplastiques étaient de 6,83 kg d'équivalent de dioxyde de carbone/pied et environ 75 % inférieures à celles d'une longueur équivalente de tuyau en acier, dont les émissions du cycle de vie sont de 27,35 kg d'équivalent de dioxyde de carbone/pied.

Ces estimations n'incluent pas les différences potentielles de fuites. Plus précisément, les tuyaux composites ont une structure continue qui permet la production de sections de tuyaux plus longues, ce qui réduit le nombre de joints et de soudures. En revanche, les tuyaux métalliques sont souvent fabriqués dans des sections plus courtes en raison des limitations du processus de fabrication. Cela signifie que davantage de joints et de soudures sont nécessaires pour relier les sections entre elles, ce qui peut augmenter le risque de fuites ou d'autres problèmes. De plus, environ la moitié des pipelines en acier aux États-Unis ont plus de 50 ans, ce qui augmente le potentiel de fuites et les coûts de maintenance.3 Un autre avantage des tuyaux composites est qu'ils peuvent être tirés à travers des pipelines en acier, réaffectant ainsi des pipelines en acier vieillissants pour transporter différents matériaux tout en réduisant le besoin de nouvelles emprises et de permis associés.

Malgré les avantages de l'utilisation de matériaux composites, les normes n'ont pas encore été élaborées pour permettre de transporter en toute sécurité du dioxyde de carbone supercritique4 et de l'hydrogène. Au niveau fédéral, la sécurité des pipelines est administrée par la Pipeline and Hazardous Materials Administration (PHMSA) du ministère des Transports5. Pour assurer le transport sûr de l'énergie et d'autres matières dangereuses, la PHMSA établit une politique nationale, établit et applique des normes, éduque et mène des recherches pour prévenir les incidents. Il existe des normes réglementaires pour le transport du dioxyde de carbone supercritique dans les tuyaux en acier.6 Cependant, il n'y a pas de normes pour les tuyaux composites pour le transport de l'hydrogène ou du dioxyde de carbone à l'état liquide supercritique, gazeux ou liquide sous-critique.

La réaffectation des infrastructures existantes est essentielle car l'emplacement des pipelines, quel que soit leur type, est souvent difficile. Alors que les gazoducs et certains oléoducs peuvent invoquer des dispositions de domaine éminent en vertu de la loi fédérale telles que la loi sur le gaz naturel ou la loi sur le commerce interétatique , aucune autorité fédérale de ce type n'existe pour les pipelines d'hydrogène et de dioxyde de carbone. Dans certains États, des lois spécifiques traitent du domaine éminent des pipelines de dioxyde de carbone. Ces lois établissent généralement les procédures pour engager une procédure de domaine éminent, déterminer le montant de l'indemnisation à verser aux propriétaires et résoudre les différends liés au domaine éminent. Cependant, des efforts sont actuellement en cours dans des États tels que l'Iowa pour restreindre l'utilisation des autorités de l'État pour accorder un domaine éminent aux pipelines de dioxyde de carbone en attente. Les défis avec un domaine éminent soulignent l'opportunité offerte par les technologies qui permettent de réaffecter le pipeline existant pour transporter le dioxyde de carbone et l'hydrogène.

Comment construire un vaste réseau de canalisations de dioxyde de carbone et d'hydrogène tout en utilisant des matériaux moins émissifs ?

Recommandation 1. Élaborer des normes de sécurité pour transporter l'hydrogène et le dioxyde de carbone supercritique à l'aide de conduites composites.

La PHMSA, l'industrie et les parties prenantes intéressées devraient travailler ensemble pour développer des normes de sécurité pour le transport de l'hydrogène et du dioxyde de carbone supercritique à l'aide de tuyaux composites. Sans normes, il n'y a pas de voie pour autoriser l'utilisation de tuyaux composites. Cette collaboration pourrait se produire dans le contexte de l'annonce récente de PHMSA de mettre à jour ses normes de transport de dioxyde de carbone, ce qui est fait en réponse à un incident en 2020 à Sartartia, MS.

Idéalement, les permis pourraient être délivrés en utilisant le processus normal de PHMSA plutôt qu'en tant que permis spéciaux (par exemple, 49 CFR § 195.8). Il faut plusieurs années pour développer des normes, il est donc essentiel de lancer le processus de normalisation afin que les tuyaux composites puissent être utilisés dans les centres d'hydrogène financés par le ministère de l'Énergie et les projets de démonstration de capture du carbone.

L'Europe est en avance sur les États-Unis à cet égard, car la société de classification DNV entreprend actuellement un projet industriel conjoint pour examiner les coûts et les risques liés à l'utilisation de tuyaux thermoplastiques pour transporter l'hydrogène. Ce travail informera les régulateurs de l'Union européenne, qui révisent actuellement les normes relatives aux infrastructures d'hydrogène. L'Alliance européenne pour l'hydrogène propre a récemment adopté une "Feuille de route sur la normalisation de l'hydrogène" qui recommande expressément de fixer des normes pour les conduites non métalliques. Dans la mesure du possible, il serait avantageux pour les marchés d'exportation des produits américains que les normes soient similaires.

Recommandation 2. Simplifier le processus d'autorisation pour moderniser les pipelines en acier.

Le Congrès devrait rationaliser la modernisation des tuyaux en acier en promulguant une exclusion législative catégorique en vertu de la National Environmental Policy Act (NEPA). La NEPA exige des agences fédérales qu'elles évaluent les actions susceptibles d'avoir un effet significatif sur l'environnement. Les exclusions catégorielles (EC) sont des catégories d'actions qui ont été déterminées comme n'ayant pas d'impact significatif sur l'environnement et ne nécessitent donc pas d'évaluation environnementale (EE) ou d'étude d'impact environnemental (EIE) avant de pouvoir être poursuivies. Les CE peuvent être traitées en quelques jours, ce qui accélère l'examen des actions éligibles.

Le processus CE permet aux organismes fédéraux d'éviter le temps et les dépenses liés à la préparation d'une EE ou d'un EIE pour des actions qui ne sont pas susceptibles d'avoir des effets environnementaux importants. Les CE sont souvent établis par l'élaboration de règles d'agence, mais peuvent également être créés par le Congrès en tant que «CE législatif». Les exemples incluent les activités de construction mineures, les activités d'entretien et de réparation de routine, les transferts de terres, la recherche et la collecte de données. Cependant, même si une action relève d'une catégorie CE, l'agence doit toujours procéder à un examen pour s'assurer qu'il n'y a pas de circonstances extraordinaires qui justifieraient une analyse plus approfondie.

Compte tenu de l'urgence de déployer une infrastructure de technologie propre, le Congrès devrait autoriser les agences fédérales à appliquer une exclusion catégorique lorsque les tuyaux en acier sont modernisés à l'aide de tuyaux composites. Dans de telles situations, le projet utilise une emprise de pipeline existante et il devrait y avoir peu ou pas d'impacts environnementaux supplémentaires. En cas de circonstances extraordinaires, telles que des changements substantiels dans le risque d'effets environnementaux, les organismes fédéraux seraient en mesure d'évaluer le projet dans le cadre d'une EE ou d'une EIE. Un CE n'évite pas l'examen des normes de sécurité et d'autres lois de fond applicables, mais redimensionne simplement l'analyse procédurale dans le cadre de la NEPA.

Recommandation 3. Explorer les possibilités d'améliorer le cadre stratégique pour les tuyaux composites lors de la réautorisation de la loi PIPES.

Les deux idées susmentionnées doivent être prises en compte alors que le Congrès entame sa réautorisation de la loi de 2020 sur la protection de nos infrastructures de pipelines et l'amélioration de la sécurité (PIPES). Entre autres améliorations de la sécurité des pipelines, la loi PIPES a réautorisé la PHMSA jusqu'à l'exercice 2023. Alors que le Congrès commence à travailler sur son prochain projet de loi de réautorisation pour la PHMSA, c'est le moment idéal pour examiner l'état de l'industrie, y compris le potentiel des tuyaux composites pour accélérer la transition énergétique.

Recommandation 4. Tenir compte des émissions intégrées des matériaux de construction lors du financement de projets de démonstration.

L'Office of Clean Energy Demonstrations devrait tenir compte des émissions intégrées des matériaux de construction lors de l'évaluation des projets pour le financement. Les candidats qui ont un plan pour tenir compte des émissions intégrées des matériaux de construction pourraient recevoir un poids supplémentaire dans le processus de sélection.

Recommandation 5. Soutenir la recherche et le développement des matériaux composites.

Les matériaux composites offrent des avantages dans de nombreuses autres applications, pas seulement dans les pipelines. L'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE) devrait soutenir la recherche pour améliorer encore les propriétés des tuyaux composites tout en améliorant les émissions du cycle de vie. En plus des efforts en cours pour réduire l'intensité des émissions de l'acier et du béton, l'EERE devrait soutenir l'innovation dans les matériaux composites alternatifs pour les pipelines et d'autres applications.

Une législation récente déclenchera la construction de la prochaine génération d'infrastructures d'énergie propre, et le financement crée également une opportunité de déployer des matériaux de construction avec des émissions de gaz à effet de serre réduites tout au long de leur cycle de vie. Ceci est important, car la construction de vastes réseaux de pipelines à l'aide de processus hautement émissifs va à l'encontre des objectifs de la législation. Cependant, le code réglementaire reste un obstacle en ne fournissant pas de voie pour l'utilisation des matériaux composites. La PHMSA et l'industrie devraient entamer des discussions pour créer les normes de sécurité requises, et le Congrès devrait travailler avec l'industrie et les régulateurs pour rationaliser le processus NEPA lors de la modernisation des pipelines en acier. Alors que l'Amérique commence la construction de réseaux de captage, d'utilisation et de stockage d'hydrogène et de carbone, la réautorisation de la loi PIPES offre une excellente occasion de réduire considérablement les émissions.

Nous avons comparé deux types de tuyaux : un tuyau métallique 4" API 5L X42 contre un tuyau flexible thermoplastique non métallique Baker Hughes de 4" de nouvelle génération. L'analyse a été effectuée à l'aide de FastLCA, une application Web exclusive développée par Baker Hughes et certifiée par un examinateur indépendant pour quantifier les émissions de carbone de nos produits et services. Les facteurs d'émission pour les différents matériaux et procédés sont basés sur la base de données ecoinvent 3.5 pour les moyennes mondiales.

Comme pour les tuyaux en acier, le transport d'hydrogène et de dioxyde de carbone à l'aide de tuyaux composites pose certains risques de sécurité qui doivent être soigneusement gérés et atténués :

Pour atténuer ces risques de sécurité, des procédures d'essai, d'inspection et d'entretien appropriées doivent être mises en place. De plus, des protocoles de manipulation et de transport appropriés doivent être suivis, y compris le strict respect des limites de pression et de température et des précautions pour éviter les sources d'inflammation. Enfin, des plans d'intervention d'urgence doivent être élaborés et mis en œuvre pour faire face à tout incident pouvant survenir pendant le transport.

La spécification API 15S, Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe, couvre l'utilisation de tuyaux composites flexibles dans les applications terrestres. La norme ne traite pas du transport du dioxyde de carbone et n'a pas été incorporée dans la réglementation de la PHMSA.

La spécification API 17J, Specification for Unbonded Flexible Pipe, couvre l'utilisation de tuyaux composites flexibles dans les applications offshore. Semblable au 15S, il ne traite pas du transport du dioxyde de carbone et n'a pas été incorporé dans la réglementation de la PHMSA.

Les tuyaux en PEHD, couramment utilisés dans des applications telles que l'approvisionnement en eau, les systèmes de drainage, les gazoducs et les processus industriels, présentent des avantages similaires aux tuyaux composites en termes de flexibilité, de facilité d'installation et de faibles besoins d'entretien. Il peut être assemblé pour créer des joints sans soudure, réduisant ainsi le risque de fuites. Il peut également être utilisé pour moderniser des tuyaux en acier en tant que revêtement selon API SPEC 15LE.

Les tuyaux en PEHD ont été approuvés par la PHMSA pour transporter du gaz naturel en vertu de la norme 49 CFR Part 192. Cependant, les pressions de fonctionnement typiques (par exemple, 100 psi) sont nettement inférieures à celles des tuyaux composites. Semblable au tuyau composite, il n'y a pas de normes pour le transport de l'hydrogène et du dioxyde de carbone, bien que les limites de pression inférieures du tuyau en PEHD le rendent moins adapté à une utilisation dans la capture et le stockage du carbone.

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