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

65 000 miles 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, encouragé 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 miles entraîneraient près de 9,4 millions de mégatonnes d’équivalent de dioxyde de carbone (soit plus de 2 millions de voitures particulières par an) produites uniquement à partir de l’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 primaire 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 sur leur cycle de vie inférieures de près d’un tiers à celles des pipelines en acier typiques. Selon l’application, les pipelines composites peuvent être plus sûrs et moins coûteux. Cependant, le processus de délivrance de permis pour les pipelines et les matières dangereuses et la sécurité (PHMSA) prend plus de temps que pour l’acier, et pour l’hydrogène et le dioxyde de carbone supercritique, l’industrie manque complètement de normes réglementaires. Le renouvellement de l’autorisation de la Loi sur la protection de l’infrastructure des pipelines et l’amélioration de la sécurité (PIPES) offre une excellente occasion de revoir les politiques concernant les nouvelles technologies pipelinières 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 utilisant l’hydrogène et la capture du carbone. La pompe a été amorcée avec 21 milliards de dollars pour des projets de démonstration ou des « hubs » dans la Loi sur l’investissement et l’emploi dans les infrastructures et renforcée par 7 milliards de dollars supplémentaires pour les 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 au dioxyde de carbone (CIFIA).

Les États-Unis sont sillonnés de pipelines. Environ 3,3 millions de milles 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. La recherche suggère que le réseau de pipelines existant est loin de répondre aux besoins. Selon Net Zero America, environ 65 000 miles de pipeline 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 kilomètres 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 de l’acier en général représente sept à neuf pour cent des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Des efforts continus sont déployés pour réduire les émissions générées par l’acier (c.-à-d. « l’acier vert ») en étant plus éconergétique, en captant et en stockant le dioxyde de carbone émis, en recyclant la ferraille d’acier combinée à de l’énergie renouvelable 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 la carboneutralité 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 occasion 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 meilleure capacité d’écoulement. Cela signifie que les pipelines fabriqués à partir de matériaux composites ont une durée de vie plus longue et nécessitent moins d’entretien que les pipelines en acier. Les tuyaux composites peuvent être quatre fois plus rapides à installer, nécessiter un tiers de la main-d’œuvre à installer et avoir des coûts d’exploitation nettement inférieurs.2 L’utilisation de tuyaux composites devrait continuer de croître à mesure que les progrès technologiques rendent ces matériaux plus fiables et rentables.

L’utilisation de tuyaux composites est également en expansion 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 matrice 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 / pi et environ 75% de moins qu’une longueur équivalente de tuyau en acier, qui a des émissions sur le cycle de vie de 27,35 kg d’équivalent de dioxyde de carbone / pi.

Ces estimations n’incluent pas les différences potentielles dans les fuites. Plus précisément, les tuyaux composites ont une structure continue qui permet la production de sections de tuyaux plus longues, ce qui réduit les joints et les soudures. En revanche, les tuyaux métalliques sont souvent fabriqués en sections plus courtes en raison des limites du processus de fabrication. Cela signifie qu’il faut plus de joints et de soudures pour relier les sections ensemble, ce qui peut augmenter le risque de fuites ou d’autres problèmes. De plus, environ la moitié des pipelines d’acier aux États-Unis ont plus de 50 ans, ce qui augmente le risque de fuites et les coûts d’entretien.3 Un autre avantage des tuyaux composites est qu’ils peuvent être tirés à travers des pipelines en acier, réutilisant ainsi des pipelines en acier vieillissants pour transporter différents matériaux tout en réduisant le besoin de nouveaux droits de passage et de permis connexes.

Malgré les avantages de l’utilisation de matériaux composites, les normes n’ont pas encore été élaborées pour permettre le transport sécuritaire de dioxyde de carbone supercritique4 et d’hydrogène. Au niveau fédéral, la sécurité des pipelines est administrée par la Pipeline and Hazardous Materials Administration (PHMSA) du ministère des Transports.5 Pour assurer la sécurité du transport 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’existe aucune norme pour les tuyaux composites destinés à transporter de l’hydrogène ou du dioxyde de carbone à l’état liquide supercritique, gazeux ou liquide sous-critique.

La réaffectation de l’infrastructure existante est essentielle parce que le choix de l’emplacement des pipelines, quel qu’en soit le type, est souvent difficile. Alors que les gazoducs et certains oléoducs peuvent invoquer des dispositions relatives à des domaines éminents en vertu de lois fédérales telles que la Loi sur le gaz naturel ou la Loi sur le commerce interétatique, il n’existe pas de telles autorités fédérales 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 à suivre pour engager des procédures relatives aux domaines éminents, déterminer le montant de l’indemnisation à verser aux propriétaires fonciers et résoudre les litiges liés aux domaines éminents. 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 liés au domaine éminent soulignent les possibilités offertes par les technologies qui permettent la réaffectation des pipelines existants pour transporter le dioxyde de carbone et l’hydrogène.

Comment pouvons-nous construire un vaste réseau de pipelines de dioxyde de carbone et d’hydrogène tout en utilisant des matériaux moins émissifs?

Recommandation 1. Élaborer des normes de sécurité pour le transport de l’hydrogène et du dioxyde de carbone supercritique à l’aide de tuyaux composites.

La PHMSA, l’industrie et les parties prenantes intéressées devraient travailler ensemble à l’élaboration de 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 permettant l’utilisation de tuyaux composites. Cette collaboration pourrait avoir lieu dans le contexte de l’annonce récente de la PHMSA de mettre à jour ses normes pour le transport du dioxyde de carbone, ce qui est fait en réponse à un incident survenu en 2020 à Sartartia, MS.

Idéalement, les permis pourraient être délivrés selon le processus normal de la PHMSA plutôt que comme des permis spéciaux (par exemple, 49 CFR § 195.8). Il faut plusieurs années pour élaborer des normes, il est donc essentiel de lancer le processus d’établissement de normes 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 visant à examiner le coût et le risque de l’utilisation de tuyaux thermoplastiques pour transporter l’hydrogène. Ces travaux informeront les régulateurs de l’Union européenne, qui révisent actuellement les normes relatives aux infrastructures hydrogène. L’Alliance européenne pour un hydrogène propre a récemment adopté une « Feuille de route sur la normalisation de l’hydrogène » qui recommande expressément d’établir des normes pour les tuyaux non métalliques. Dans la mesure du possible, les marchés d’exportation pour les produits américains seraient avantageux si les normes étaient similaires.

Recommandation 2. Simplifier le processus de délivrance de permis 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 Loi sur la politique environnementale nationale (NEPA). La NEPA exige que les agences fédérales évaluent les actions susceptibles d’avoir un effet significatif sur l’environnement. Les exclusions catégoriques (EC) sont des catégories de mesures qui n’ont pas d’impact environnemental important et qui, par conséquent, ne nécessitent pas d’évaluation environnementale (EE) ou d’étude d’impact environnemental (EIE) avant de pouvoir aller de l’avant. Les EC peuvent être traitées en quelques jours, ce qui accélère l’examen des actions éligibles.

Le processus d’EC permet aux organismes fédéraux d’éviter le temps et les dépenses liés à la préparation d’une EE ou d’une EIE pour des mesures qui sont peu susceptibles d’avoir des effets environnementaux importants. Les CE sont souvent établis par le biais de l’élaboration de règles par les agences, mais peuvent également être créés par le Congrès en tant que « CE législatif ». Les exemples comprennent les activités de construction mineures, les activités d’entretien et de réparation courantes, les transferts de terrains, la recherche et la collecte de données. Toutefois, même si une mesure relève de la catégorie CE, l’organisme doit quand même effectuer 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 pipelinière existante, et il devrait y avoir peu d’impacts environnementaux supplémentaires, voire aucun. S’il y avait des circonstances extraordinaires, comme des changements importants 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 se contente de rectifier l’analyse procédurale en vertu de la NEPA.

Recommandation 3. Explorer les possibilités d’améliorer le cadre stratégique pour les tuyaux composites pendant le renouvellement de l’autorisation de la Loi sur les pipes.

Les deux idées susmentionnées devraient être prises en compte alors que le Congrès entame sa réautorisation de la loi de 2020 sur la protection de notre infrastructure de pipelines et l’amélioration de la sécurité (PIPES). Entre autres améliorations apportées à la sécurité des pipelines, la Loi sur les pipes a réautorisé la LSMP 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. Tenez compte des émissions intégrées des matériaux de construction lors du financement de projets de démonstration.

Le Bureau des démonstrations d’énergie propre devrait tenir compte des émissions intégrées des matériaux de construction lorsqu’il évalue les projets en vue d’obtenir du financement. Les demandeurs 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 de matériaux composites.

Les matériaux composites offrent des avantages dans de nombreuses autres applications, pas seulement les pipelines. L’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE) devrait soutenir la recherche visant à améliorer davantage 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 stimulera la construction de la prochaine génération d’infrastructures d’énergie propre, et le financement crée également une occasion de déployer des matériaux de construction avec des émissions de gaz à effet de serre plus faibles tout au long du cycle de vie. C’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 loi. Cependant, le code réglementaire reste un obstacle en ne fournissant pas une voie d’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 de la 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 de l’hydrogène et du carbone, la réautorisation de la loi PIPES offre une excellente occasion de réduire considérablement les émissions.

Nous avons comparé deux types de tuyaux : le tuyau métallique API 5L X42 de 4 po et le tuyau flexible thermoplastique non métallique de nouvelle génération de Baker Hughes de 4 po. L’analyse a été réalisée 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.

À l’instar des tuyaux en acier, le transport de l’hydrogène et du dioxyde de carbone à l’aide de tuyaux composites présente certains risques pour la sécurité qui doivent être soigneusement gérés et atténués :

Pour atténuer ces risques pour la sécurité, des procédures appropriées d’essai, d’inspection et d’entretien doivent être mises en place. De plus, des protocoles de manutention et de transport appropriés doivent être suivis, y compris le strict respect des limites de pression et de température et des précautions pour prévenir les sources d’inflammation. Enfin, des plans d’intervention d’urgence devraient 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 les règlements de la PHMSA.

La spécification API 17J, Specification for Unbonded Flexible Pipe, couvre l’utilisation de tubes composites flexibles dans des applications offshore. Comme le 15S, il ne traite pas du transport du dioxyde de carbone et n’a pas été incorporé dans les règlements 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 à ceux des 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 les tuyaux en acier en tant que revêtement selon API SPEC 15LE.

Les tuyaux en PEHD ont été approuvés par la PHMSA pour le transport du gaz naturel en vertu de la partie 192 du 49 CFR. Cependant, les pressions de service typiques (par exemple, 100 psi) sont nettement inférieures à celles des tuyaux composites. Comme pour les tuyaux composites, il n’existe pas de normes pour le transport de l’hydrogène et du dioxyde de carbone, bien que les limites de pression inférieures des tuyaux en PEHD les rendent moins adaptés à une utilisation dans le captage et le stockage du carbone.

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