Recherche:Pastech/243-2 Procédés Coal To Liquid

Début de la boite de navigation du chapitre

fin de la boite de navigation du chapitre

Introduction

Principe du procédé : transformation d'un combustible solide en combustible liquide

Cet article à pour vocation de fournir une brève étude technique, économique et historique des technologies Coal-To-Liquid (CTL) permettant de transformer du charbon en hydrocarbures comme des essences, gasoil ou encore du naphta. Il existe aujourd'hui une multitude de procédés CTL, plus ou moins rentables, populaires, ou mis en action. Nous nous pencherons ici principalement sur le procédé dit "Fischer-Tropsch" développé par Franz Fischer et Hans Tropsch en1922.

Par le passé, les ressources pétrolières ont évolué au sein des pays pour différentes raisons (guerres, embargos, pénurie, importations...) mais s'épuisent aujourd'hui de manière globale pour ce qui est des sources conventionnelles. Face à une demande qui ne cesse d'augmenter, les sociétés se tournent vers des alternatives de production énergétique. Les procédés CTL en représentent une, étant données les larges ressources de charbon disponibles dans le monde :

Carte des ressources mondiales de charbon, pétrole et gaz en exprimées Gtep

Par la suite, les principaux aspects techniques, environnementaux et sociaux sont décrits afin de fournir un support pour la compréhension de la trajectoire du développement des procédés CTL.

NB : (Vocabulaire) Le procédé Fischer-Tropsch (FT) est un des procédés Coal To Liquid (CTL). Ces procédés permettent de produire des hydrocarbures de synthèse, dont de l'essence, du diesel, du naphta et du gaz de pétrole liquéfié (GPL).

Préambule

Le pétrole représente actuellement 35% de la consommation énergétique mondiale. Les hydrocarbures sont plus utilisés aujourd’hui que jamais auparavant (30milliards de barils par an, RegardSurLeMonde, 2010).

La demande de pétrole continue de croître, principalement en raison de la croissance démographique rapide et du besoin d'un véhicule personnel. 96% des moyens de transports actuels utilisent le pétrole comme ressource énergétique.[WBCSD 2001]

Aujourd’hui, les villes fonctionnent autant autour des flux de communications et de déplacements, que sur des logiques historiques de proximité. Les déplacements et la voiture, au premier rang de ceux-ci, ont construit notre rapport aux territoires et à nos usages quotidiens.

Évolution du prix du pétrole dans le monde

Consommation et production du Pétrole en Chine

Le pétrole n’étant pas infini (les réserves de pétrole conventionnel sont estimées à 1200 milliards de barils, soit 40 ans de réserves « théoriques », RegardSurLeMonde, 2010), les carburants alternatifs suscitent un intérêt mondial du fait de leur avenir prometteur.

Les combustibles liquides issus du charbon fournissent une solution viable alternative aux produits pétroliers conventionnels.

Le charbon est abordable et largement disponible. Les réserves de charbon actuelles sont vastes (850 à 900 milliards de tonnes, soit des réserves pour un siècle, Planetoscope, 2015) et permettront un maintien de la consommation actuelle ne menaçant pas les préoccupations géopolitiques.

Les carburants CTL sont propres du point de vue de l’utilisation et du stockage. Un important captage des émissions carbone dans le processus de fabrication offre des avantages locaux pour la qualité de l’air, atténuant les risques pour la santé (pollution de l'air).

Les questions géopolitiques dominent les discussions sur la sécurité de l’approvisionnement pour le pétrole et le gaz. L’emplacement des ressources mondiales en pétrole et en gaz et leurs disponibilités pour les consommateurs est une préoccupation majeure, accompagnée de la dépendance à l'importation pour une grande partie des pays développés. Les pays et les gouvernements perçoivent un risque élevé si ils sont trop dépendants d’une source de carburant d’importations étrangères - en particulier d’une région instable. Une plus grande liberté commerciale et une interconnection des marchés permettraient de réduire les potentielles difficultés. Le charbon offre un certain nombre d’avantages du point de vue de la sécurité d’approvisionnement. L’étendue géographique large de ses ressources et les grandes réserves en font une énergie fossile intéressante pour l’avenir. Le charbon est présent dans plus de 70 pays et actuellement exploités dans 50 de ceux-ci [WEC 2004]. Les utilisateurs de charbon peuvent aussi bénéficier de l’utilisation de leurs propres ressources indigènes, ou accéder à un charbon abordable dans un marché établi par une grande variété de pays et de fournisseurs.

Bien entendu, la sécurité énergétique ne se limite pas uniquement aux préoccupations concernant les prix élevés du pétrole. C'est un complexe mélange de problèmes liés à l'accès aux ressources et à la disponibilité de l'infrastructure d’approvisionnement. L'évolution rapide des modes de production et de consommation, le climat politique et les tensions géopolitiques sont aussi des facteurs majoritaires.

Aspects Techniques

Explications techniques simplifiées

Les procédés Coat To Liquid sont des procédés chimiques qui permettent la conversion de charbon en pétrole brut de synthèse. L'un de ces procédés est le procédé Fischer-Tropsch (FT), dit "voie indirecte", cette appellation se justifiant par l'étape intermédiaire consistant à produit un gaz de synthèse, ou syngas. Ce procédé comprend plusieurs étapes résumées dans le schéma technique simplifié suivant :

Schéma technique simplifié du procédé FT, un procédé CTL

Le charbon subit tout d’abord une gazéification sous haute pression et température. Cette opération nécessite un ajout de vapeur et d’oxygène afin de contrôler la combustion. Les gaz produits sont ensuite lavés enfin d’éliminer la majeure partie des impuretés issues de la gazéification. Une première réaction va avoir lieu et permettre la production de gaz de synthèse. Cette réaction fait intervenir le méthane issu de la gazéification ainsi que du dioxygène directement introduit qui vont former ce gaz de synthèse composé de monoxyde de carbone (CO) et dihydrogène (H₂).

Ce gaz va ensuite subir un processus de catalyse, la réaction de FT en elle-même. Les catalyseurs les plus courants sont le fer, le cobalt ou le ruthénium, ainsi que le nickel, mais ce dernier aura tendance à former du méthane CH₄ (on parle alors de méthanation). Cette opération permet d’obtenir des chaines carbonées qui vont être cassées grâce a un processus d’hydrocraquage puis séparées à l’aide d’une distillation fractionnée. On obtiendra finalement des produits identiques à ceux de la filière pétrolière classique. L’opération nécessite tout de même des investissements lourds et ses étapes sont couteuses en termes de ressources et d’énergie. De l’eau sera également utilisée en grande quantité afin de refroidir le système.

L'intérêt de la conversion est de produire du pétrole brut de synthèse à partir de charbon mais il peut également être utilisé pour la convertir du gaz dans le cas du procédé Gaz To Liquid (GTL), et de la biomasse dans le cas du procédé Biomass To Liquid (BTL).

Quelques chiffres sur la production

Il est difficile de trouver des chiffres précis sur les rendements de la production des usines Coal to Liquid (CTL) d’un point de vue énergétique. Il cependant possible d’extrapoler des données sur les produits obtenus afin d’estimer des taux de retour énergétique. Pour cela, on peut commencer par présenter les produits que l’on peut obtenir dans certains cas, bien que les données varient selon les sources.

Conversion

Dans les parties à suivre, nous utiliserons les conversions suivantes :

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « http://localhost:6011/fr.wikiversity.org/v1/ » :): {\textstyle \ce{{{unité|1|baril}} <-> {{unité|0.14|tep}}}}

Échec de l’analyse (erreur de syntaxe): {\displaystyle \ce{1 tep <-> {{unité|11630|kWh}} <-> 1,43 tec}}

Échec de l’analyse (SVG (MathML peut être activé via une extension du navigateur) : réponse non valide(« Math extension cannot connect to Restbase. ») du serveur « http://localhost:6011/fr.wikiversity.org/v1/ » :): {\displaystyle \ce{1 tec <-> {{unité|8141|kWh}} <-> {{unité|0.7|tep}}}}

Avec pour unités :

• baril, le baril de pétrole (159 L)
• tep, la tonne équivalent pétrole
• tec, la tonne équivalent charbon
• kWh, le kilowatt-heure

Produits d’une usine CTL

D’après une étude européenne, le rendement global de la filière CTL via la voie indirecte, c’est-à-dire en passant par la production d’un gaz de synthèse (procédé Fischer-Tropsch, FT), est de 2,5 à 3 barils de liquides valorisables par tonne de charbon sec hors cendres, dont 70 à 80% de diesel au maximum. On définit par « liquides valorisables » les produits suivants : diesel, naphta, Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL). Par utilisation des conversions précédemment présentées, cela correspond à un rendement de 0,35 tep à 0,42 tep par tonne de charbon. Le taux de retour énergétique est calculé dans la partie suivante.

Si l’on considère les chiffres publiés par l’usine de Yinshuan (Ningxia, Chine), qui représente le plus grand projet CTL au monde, on peut obtenir les valeurs réunies dans le tableau suivant :

Produits de l'usine CTL de Yinchuan (Ningxia, Chine)

Produit considéré	Production annuelle (tonne)	Production par tonne de charbon (kg)
Charbon consommé	20 000 000	1 000
Hydrocarbures	4 000 000	200
dont diesel	2 700 000	135
dont naphta	980 000	49
dont GPL	340 000	17
Produits dérivés	420 000	21
dont soufre	200 000	10
dont alcools	75 000	3,75
dont sulfate d’ammonium	145 000	7,25

Taux de retour énergétique

On peut calculer, en utilisant les conversions et les masses des produits précédemment évoquées, deux exemples de taux de retour énergétique d’une usine CTL (uniquement basés sur les liquides valorisables produits et le charbon consommé) :

• Dans le cas européen, ce taux est compris entre 0,5 et 0,6.
• Dans le cas chinois, il est d’environ 0,3.

La formule utilisée est la suivante :

Taux=(Masse de liquides valorisables pour une tonne de charbon x 1 tep (en kWh)) / (1 tec (en kWh))=Masse de liquides valorisables pour une tonne de charbon x 1,43

Aspects Environnementaux

Avant-propos

Mine de charbon à ciel ouvert dans le Wyoming, exemple d'un impact négatif sur l'environnement

Les impacts environnementaux des technologies de liquéfaction du charbon, dites Coal To Liquid (CTL), sont divers. Des aspects positifs, souvent mis en avant par certaines sociétés de production, existent et sont à prendre en compte : la qualité supérieure des produits de synthèse obtenus par cette voie permet de réduire les pollutions liées à leur utilisation. Cependant, la production des hydrocarbures de synthèse par les procédés tels que celui de Fischer-Tropsch (FT) implique une absence de changement de paradigme énergétique, l’exploitation et l’utilisation de ressources fossiles non renouvelables étant maintenues et encouragées, ainsi que des problèmes environnementaux plus spécifiques à la mise en œuvre de ces technologies. Notamment, la production massive de dioxyde de carbone (CO₂) qui est typique des usines CTL. Nous allons tenter de lister les effets que cette technologie possède globalement d’un poids de vue environnemental, en s’intéressant en particulier à la voie utilisant la synthèse FT.

Impacts négatifs pour l’environnement

• Les différentes étapes mises en œuvre dans les usines CTL nécessitent une grande consommation d’eau et d’énergie, en plus des ressources en charbon nécessaires. Ces consommations peuvent poser problème à des échelles locales (par exemple, zone géographique aride pour la consommation d’eau), ainsi qu’à des échelles globales (par exemple, problématiques de la pollution liée à la production d’électricité). En effet, si l’on prend par exemple le cas de la plus grande usine CTL au monde, celle de Yinchuan en Chine, 3,5 tonnes de charbon et 6,1 tonnes d’eau sont requis pour obtenir 1 tonne de produits pétroliers.
• Les produits issus de la synthèse FT sont composés d’un ensemble de paraffines, oléfines, naphtènes, alcools, acides, aromatiques, etc., en diverses proportions. Pour arriver aux spécifications du marché, une étape supplémentaire de raffinage est requise. Des étapes de traitement, et éventuellement de transport, supplémentaires s’avèrent alors nécessaires.
• L’exploitation des technologies CTL présente le défaut de ne pas chercher à changer de paradigme. En effet, les problématiques environnementales, sociales et économiques liées à l’exploitation du charbon comme au maintien encouragé de la production et de l’utilisation des hydrocarbures ne rentrent a priori pas dans le cadre d’un développement durable.
• La synthèse FT est un procédé catalytique nécessitant différentes ressources minières devant être exploitées. On retrouve essentiellement des catalyseurs à base de fer (Fe) et de cobalt (Co), mais aussi à base de nickel (Ni) voire de ruthénium (Ru). En fonction des techniques, des réacteurs et des conditions utilisées, ainsi que des produits désirés, on choisit un catalyseur différent, accompagné de différents supports et promoteurs de composition divers (pouvant contenir, entre autres, les éléments suivants : zinc (Zn), potassium (K), cuivre (Cu), aluminium (Al), sodium (Na), lithium (Li), rubidium (Rb), silicium (Si), … voire des métaux nobles). Cette utilisation demande une exploitation prolongée de ces ressources car l’usure des catalyseurs au sein des réacteurs entraînent leur renouvellement régulier. Des traitements chimiques de préparation sont de plus nécessaires, et sont sources de polluants.
• La problématique principale de la filière CTL est celle des gaz à effet de serre (GES). D’après une étude de cas européen, les émissions globales en ${\ce {CO2}}$ Well to Wheel (du puits à la roue) représentent 230 % des émissions liées à l’utilisation du diesel conventionnel (pétrolier). Sachant que dans la filière du pétrole, à peu près 85 % du carbone du brut est transféré au réservoir, cela signifie que moins de la moitié du carbone initialement présent dans le charbon parvient dans le réservoir du véhicule. Le reste est transformé en ${\ce {CO2}}$ à l’usine CTL (principalement dans l’étape de production d’hydrogène). Ce fait implique la nécessité de développer une solution de captage et de stockage géologique du carbone (CCS, dont le coût est compris entre 6 et 15 $ la tonne capturée mais l'installation de telles infrastructures implique une baisse de rendement de production d'au moins 10%) dans les pays signataires du protocole de Kyoto, ou bien d’utiliser un hydrogène issu de sources non émettrices de GES. Dans le cas de l’implémentation d’une solution CCS, on obtient un bilan global en ${\ce {CO2}}$ de :
  • 125 % des valeurs du pétrole conventionnel sans dispositif CCS en Europe ;
  • 102 % des mêmes valeurs aux États-Unis (charbon produit localement et non importé, filière de raffinage de référence plus émettrice en CO₂).

• Avec un dispositif CCS avancé, la filière CTL se rapproche donc des émissions de ${\ce {CO2}}$ d’une filière pétrolière qui sont considérées acceptables depuis des années.

Impacts positifs pour l’environnement

• Les carburants obtenus sont de meilleure qualité et sont plus purs, le procédé FT impliquant des étapes de purification. Par comparaison à la filière classique de production de carburants à partie de pétrole brut, on observe après combustion du diesel obtenu par FT des réductions approximatives de :
  • 60 % d’hydrocarbures imbrûlés ;
  • 20 % de monoxyde de carbone (CO) émis ;
  • 20 % d’oxydes d’azote (NO_x) émis ;
  • 10 % de particules fines émises.

• On remarque également :
  • l’absence d’émission de dioxyde de soufre (SO₂) ;
  • une plus faible teneur en aromatiques, d’environ 5 % ;
  • un taux très faible de benzène.

• En effet, les étapes de purification permettent de produire un diesel sans soufre ni métaux lourds, limitant l’émission de polluants lors de la combustion. L’impact environnemental, en particulier atmosphérique, s’avère alors positif dans les lieux déjà pollués où le carburant est utilisé, notamment dans les villes.

• Dans le cadre d’une diversification des sources d’énergie dans le mix énergétique mondial, les recherches dans le domaine des technologies CTL, notamment via le procédé FT, peuvent être considérées comme un progrès. En effet, ce carburant présenté comme plus vert permettrait de réduire la part du pétrole dans le mix énergétique tout en assurant le développement d’une énergie sûre, efficace, propre et décarbonée.
• La filière CTL n’est qu’une des branches de la filière XTL (Anything To Liquid) utilisant le procédé FT. Deux autres sources peuvent être utilisées : le gaz naturel (filière GTL, Gas To Liquid) et la biomasse (filière BTL, Biomass To Liquid). Ces méthodes permettent la réduction des émissions totales de GES par rapport à l’utilisation du charbon, et même par rapport au pétrole naturel dans le cas de la biomasse (en excluant l’impact lié au changement d’utilisation des sols). De plus, cette utilisation du gaz naturel au niveau des sites d’extraction de pétrole permettrait d’éviter le torchage massif et quasi systématique du gaz naturel en sortie de puits (près de 1 % des émissions mondiales de CO₂).
• La synthèse de FT est très exothermique. Cette chaleur produite peut être utilisée, par exemple afin de produire une partie de l’énergie nécessaire aux autres étapes du procédé (notamment, la gazéification du charbon). Le gaz produit peut également servir à produire de l’électricité via une turbine à gaz de cogénération.
• L’écotoxicité des carburants issus des procédés XTL, dont CTL, semble être moindre que celle des carburants issus de la filière classique utilisatrice de pétrole. En effet, le diesel issu de ces procédés présente un plus grand taux de paraffines linéaires, leur permettant de se dégrader très vite dans un milieu aquatique oxygéné. Certains tests indiquent qu’ils seraient alors biodégradables et non toxiques pour l’environnement aquatique.

Aspects sociaux

Grève des mineurs à Londres en 1984

D'un point de vue économique, l'extraction du charbon crée de nombreux emplois nécessaires à la survie de nombreuses personnes. Cependant ces emplois portent à de multiples débats par la Société et les mineurs eux-même. En effet, le métier de mineur comporte des risques sanitaires, pouvant provoquer l'apparition de maladies telle que la fièvre charbonneuse (à cause des poussières, gaz toxiques), mais également des risques d'éboulement, d'explosion, d'incendies, d'inondation... Par exemple, en 2010 aux États-Unis, une explosion minière a causé la mort de 29 mineurs. Un cas semblable a eu lieu en Chine à la même période tuant 23 travailleurs. Malgré certains progrès techniques (création d’arrêts-barrages afin de réduire les effets d'une explosion, mise en place d'efficaces moyens d'aération...), les bilans humains restent trop élevés dans les pays sous-développés ou émergents faute d'argent et de compétence. Ceci entraîne alors de nombreuses grèves des mineurs dénonçant un salaire trop bas (par exemple en Inde en 2015), des manifestations, et des mouvements d'associations environnementales et sociales.

De plus, plusieurs gisements miniers se trouvent à proximité d'habitations et forcent des populations à se déplacer, sans même leur proposer une relocalisation légitime et une compensation juste (témoignage d'un homme dans la province du Mpumalanga, en Afrique du Sud ). Les habitants perdent alors directement leurs terres et leur travail, ou doivent abandonner leur économie (agriculture, pêche, chasse) à cause de la pollution et de la raréfaction de l'eau. Ils sont également touchés par la pollution de l'air entraînant des maladies surtout chez les enfants. Ces personnes manquant à l'origine d'eau, voient leur accès à cette ressource vitale réduire ou se polluer au profit de la création d'une énergie (électricité, carburant...) qu'ils ne pourront pas utiliser.

Chronologie

Voici en annexe la chronologie des procédés CTL.

Trajectoire de développement

Avant-propos

Étant donné l'histoire des procédés CTL, nous avons fait le choix d'analyser leur trajectoire en fonction des différents pôles géographiques leur ayant manifester un intérêt. Ainsi nous nous intéressons d'abord à l'Allemagne qui est le berceau historique de ces technologies puis nous étudions séparément les trois cas de l'Afrique du Sud, des États-Unis et de la Chine, ayant chacun leurs spécificités propres.

Premières Recherches et Développement : Allemagne 1920-1945

En 1917 l’Allemagne est en manque de pétrole à cause du blocus mené par les alliés à la fin de la guerre, cette situation ne s’améliore pas suite à la défaite de l'Empire. Ceci mène l’Allemagne à investir dans la recherche et le développement d’industrie de substitution (qu’ils nomment « Ersatz »).

Basée sur les travaux de Mittasch et Schneider datant de 1913 sur la conversion de monoxyde de carbone et d’hydrogène ; deux chimistes Allemands Hans Tropsch et Franz Fischer développent une première voie de CTL.

En 1923 les premiers résultats concrets de Fischer et Tropsch sont obtenus, ce qui engendre le premier développement industriel de ce procédé. En 1927, grâce aux travaux du chimiste allemand Friedrich Bergius, une autre voix dite « directe » est aussi développée.

Ce n’est qu’à partir de l’arrivée de Hitler au pouvoir que l’on voit un réel développement : il voit dans ce procédé une source d’énergie rêvée pour alimenter son armée, l'avantage stratégique potentiel de cette technologie est immense. Entre 1934 et 1936 sont construites les premières usines. En 1938 on compte 9 usines en activité avec une production combinée de 68 000 tonnes par an. L’usine la plus importante est implantée à Leuna. En 1939 la production atteint 450 000 tonnes de pétrole par an à partir de ce procédé.

Bombardement stratégique sur la raffinerie de Ploiesti en Roumanie, 1er août 1943

Pendant la guerre, entre 1939 et 1944, les Allemands n’ont plus accès au pétrole et se tourne vers la Roumanie pour s’approvisionner mais leurs raffineries sont ensuite bombardées, ce qu’on appelle les bombardements stratégiques qui commencent dès le début de la guerre en 1939. Par exemple le 1^er août 1943 la raffinerie de Ploiesti en Roumanie est bombardée par une unité américaine. C’est donc le pétrole issu du procédé Fischer-Tropsch qui va prendre le relais et approvisionner la Wehrmacht. En 1943 la production monte à 5,7 millions de tonnes par an (produit dans 27 usines à travers l’Allemagne), ce qui représente 90% des besoins de la flotte aérienne et 50% des besoins du pays.

À la fin de la guerre, les alliés se partagent le pays et son administration et prévoient le démantèlement de l’industrie allemande. Seulement 3 usines Fischer-Tropsch continue de fonctionner après la guerre qui servent essentiellement à la consommation civile et militaire soviétique. Enfin, à partir des années 45, la production de pétrole conventionnelle dans le monde est multipliée par 7, le procédé ne présente donc plus d’avantage économique. Ce procédé ne sera plus du tout utilisé en Allemagne ensuite.

La solution intermédiaire : Afrique du Sud 1930 à aujourd'hui

Une abondance de charbon

L'exploitation du charbon débute en Afrique du Sud en 1850, afin de satisfaire son besoin de développement industriel et de fournir un développement économique et énergétique au pays par le secteur minier. Jusqu'à aujourd'hui l'Afrique du Sud reste un grand pays producteur de charbon. Ses réserves de charbon s’élèvent encore de nos jours à 9,89 milliards de tonnes, soit 0,9% des réserves mondiales estimées en 2016. Elle se classe en 2017 au 7e rang mondial des producteurs de charbon et au 6e rang des exportateurs de charbon. Jusqu'à 32% de sa production est exportée en 2016. Mis à par le charbon et certains autres minerais comme le fer, le platine ou l'or, elle ne possède pas ou très peu d'autres sources d'énergie fossile.

Une solution prometteuse

Les bénéfices économiques du charbon ne deviennent plus suffisants, car dans les années 1920 l’État sud-africain se rend compte de sa grande dépendance aux ressources pétrolières étrangères, du fait de l’importation majoritaire de fuel en provenance d'autres pays. Mais pour adhérer à cette course au développement que le monde est entrain de vivre, l’accès au pétrole devient indispensable. Afin de réagir à cette problématique un « white paper » est publié en 1927 afin de discuter d’un procédé valable permettant la production d’essence (oil) à partir de charbon. Et ceci entame l’histoire du procédé Fischer-Tropsch (FT) en Afrique du Sud.

(Un White paper est un rapport ou un guide gouvernemental, généralement publié sous forme de « Command Paper » exposant la politique ou les actions proposées sur un sujet d'actualité, indiquant clairement l'intention du gouvernement d'adopter une nouvelle loi.)

Le Gouvernement invite donc son État à trouver des solutions afin de diversifier les utilisations du charbon, notamment en créant une source potentielle de production de pétrole de synthèse. C’est en 1930 que la compagnie minière Anglovaal entreprend, en coopération avec The British Burmah Oil Company, l’extraction de pétrole de schiste en créant la société South African Torbanite Mining and Refining Company (Satmar), mais celle-ci a ferme très vite à cause de l’épuisement rapide des ressources. L’idée de raffinage évolue donc pour devenir une idée de production de pétrole à partir de charbon. Le pays ne perd pas de temps pour se procurer les droits et les licences et débute les recherches afin d’utiliser le procédé Fischer-Tropsch. À la fin des années 1930 le procédé se développe notamment grâce à d’importants ingénieurs chercheurs et à la coopération entre les États-Unis et l’Allemagne. Mais avec l’arrivée de la Seconde Guerre mondiale, ce lien collaboratif s’arrête, et en 1937 les prix du pétrole baissent et les entreprises sud-africaines, très dépendantes des États-Unis, doivent donc suspendre temporairement le développement du procédé par manque de financement. Durant la guerre, les États-Unis continuent à développer leurs propres recherches sur les procédés CTL, et mettent en place différents brevets.

La source parfaite

Après la guerre l’État sud-africain retrouve un intérêt à développer ce procédé, dû aux ressources toujours abondantes de charbon. En 1946, de nouvelles négociations avec le gouvernement et des chercheurs sont faites pour mettre en place un système oil from coal, mais cela reste très compliqué à cause du manque de financement car le projet est considéré comme étant à hauts risques. Enfin, l’IDC (Industrial Development Corporation) une corporation gérée par l'état, permet de financer les entreprises en Afrique du Sud considérées comme étant à haut risque, Anglovaal décide donc de s’associer avec le gouvernement sud-africain en lui transférant tous les accords de licences et les droits du charbon le 25 mai 1950. Un comité intérimaire le 2 juin 1950 donne vie à SASOL (South African Synthetic Oil Limited), une entreprise publique indépendante financée par l’État. Tout d’abord, elle développe son premier test à partir du procédé américain. Mais très vite, séduite par l’originalité des développements allemands, elle se lance dans des négociations de procédés. C’est en 1955 que le complexe Sasolburg est mis en place.

Très vite, l’Afrique du Sud se retrouve confrontée à un embargo international mis en place contre l’État sud-africain durant l’apartheid. Elle subit des pénuries d’importations, de ressources et notamment de pétroles ce qui argumente l’idée d’une indépendance en ressource pétrolière (ex: RAPPORT DU COMITÉ SPÉCIAL CONTRE L'APARTHEID 1981). À partir de 1970, on voit une hausse significative du chiffre d’affaire de SASOL notamment soutenue par deux choc pétrolier en 1973 et 1979. C'est dans ces situations que le procédé gagne en valeur dans le pays. À partir de cette date, on voit le chiffre d’affaire de la compagnie exploser. De plus, deux autres complexes furent construits : Sasol II de 1976 à 1980 et Sasol III en 1982, multipliant les productions. Son développement lui permet d'attendre une production de 160 000 barils par jour (58 400 000 barils/an), dépassé en 2006, ce qui correspond à 8 176 000 tonne d'équivalent pétrole par an. Le prix du baril dépend de différents facteurs, notamment la qualité du charbon, le prix des installations, les prix des activités environnantes et bien sûr le prix du pétrole brut. Dans un article, Bernadette Mérenne-Schoumaker présente une synthèse sur les défis énergétiques et miniers en Afrique du Sud. Elle y souligne le fait que pour produire du pétrole à partir de charbon « La transformation est rentable avec un pétrole compris entre 60 et 100 dollars le baril ». Mais des études américaines suggèrent que la production de certains combustibles liquides en conjonction avec une production électrique pourrait faire descendre les prix, et permettre une rentabilité lorsque le coût du baril de pétrole est compris entre 27 et 45 dollars.

Sasol, au fil des années, se fait de plus en plus connaitre dans le pays. Tout d'abord il devient l'un des principaux fournisseurs d'essence dans le pays et remporte même en 1990 un prix de la meilleure publicité, vantant leur essence de bien meilleure qualité que les autres. De plus Sasol devient sponsor du Sasol Racing Rally Car, vantant leur performance de raffinage.

L’histoire de FT en Afrique du Sud nous en apprend beaucoup quant aux conditions d’utilisation de ce procédé. Trois idées principales se distinguent : la disponibilité du charbon et donc son prix très faible et stable, la sécurité énergétique face aux crises (notamment celles du pétrole) et les coûts d'investissement initiaux.

Évolution du prix (en $) de la tonne équivalent pétrole pour le gaz, le charbon et le pétrole

Tout d’abord sur le plan géologique, avec une abondance de charbon, le procédé FT a permis l’approvisionnement de l’Afrique du Sud et donc une sécurité énergétique dans le secteur pétrolier. Le charbon a une étendue géographique particulièrement large de distribution des ressources, il est présent dans plus de 70 pays dans le monde et actuellement exploité dans 50. Ceci permet d'avoir des prix d'achat du charbon faibles et un accès relativement stable au marché international du charbon, ce qui peut permettre aux pays de minimiser leur exposition à la volatilité des prix du pétrole.

On peut constater que le désir de sécuriser la disponibilité et l'approvisionnement en ressources énergétiques est au cœur des problèmes d'aujourd'hui et peut être une cause d’instabilité politique, afin de réagir aux préoccupations concernant les prix élevés du pétrole et à l'évolution rapide des modes de production et consommation. On peut citer en exemple le phénomène d'augmentation des prix de l’essence

Enfin le coût d’investissement peut être un frein au développement de cette technologie. Comme on a pu voir avant pour l’Allemagne, avec une politique financière de guerre elle a pu investir afin de financer à perte le développement de nouvelles technologies et infrastructures. De même, la mise en place d'une entreprise à moitié privée et publique en Afrique du Sud (SASOL) nous fait comprendre que les partenariats public / privé présenteraient dans ce cas un certain avantage. Par exemple aujourd'hui, afin de faire face à ces fluctuations, l’État sud-africain a mis en place un système qui permet de stabiliser la rentabilité de son entreprise, par l’intermédiaire de subventions gouvernementales qui sont, par la suite, remboursées par l'entreprise. Il maintient l’activité de cette entreprise car elle prend une place importante dans l’industrie pétrochimique mondiale, mais aussi car elle est l’une de leurs principales sources de pétrole. Depuis son ouverture l'entreprise a produit au total 1,5 milliard de barils de pétrole et de produits chimiques. Sur lesquels l'état a gagné beaucoup d'argent. Les gouvernements peuvent donc prendre des mesures pour partager les risques et promouvoir davantage de résultats technologiques rapides, ce que le secteur privé pourrait avoir du mal à supporter seul. De plus le procédé est très dépendant des fluctuations du coût du pétrole.

Mais tout ceci cache la misère causée par l’extraction du charbon et les autres impacts nocifs de ce procédé. Il délivre d'un coté une idée de solution rêvée pour une société avec un désir de croissance toujours grandissant dans un monde où les ressources viennent à manquer. Mais comme nous l’avons déjà précisé, elle regorge de tout un tas d'inconvénients, et ne s'avère pas être LA solution, mais plutôt une solution permettant la diversification des sources de pétrole, comme on peut le remarquer en se penchant sur les cas des États-Unis et de la Chine.

L'intérêt stratégique des procédés CTL aux États-Unis

L'arrivée du procédé Fischer-Tropsch aux États-Unis

Le procédé Fischer-Tropsch arrive aux États-Unis via les savants allemands suite à la Seconde Guerre Mondiale. Ainsi de 1945 à 1948 des laboratoires sont créés avec un budget de 30 millions de dollars pour faire des recherches sur ce procédé. En 1948 le programme de recherches est allongé de huit ans et obtient un budget de 60 millions de dollars. Une usine de production d'hydrocarbures sera alors construites en Louisiane en 1951, mais elle ne produira que 150 mètres cubes de carburant. Toutes les recherches seront arrêtées à cause du prix beaucoup trop élevé du carburant produit par cette méthode par rapport à ceux produits via d'autres procédés pétrochimiques.

Un développement hésitant suite aux chocs pétroliers

Suite au choc pétorlier de 1973, l'armée américaine expérimente et développe la production de carburants à base de pétrole de schiste sans s'intéresser au procédé Fischer-Tropsch ou aux autres procédés CTL. Avec le choc pétrolier de 1979 est voté le Energy Security Act, qui prévoie un budget de 88 millions de dollars pour la recherche et le développement de production de carburants synthétiques. Néanmoins, parallèlement à cela, le département américain de l'énergie crée des programmes pour promouvoir la production de pétrole de schiste à grande échelle, auxquels sont alloués 2,16 milliards de dollars. Cependant ces véléités cessent en 1985 quand Ronald Reagan met un terme aux programmes de développement de la production de carburants synthétiques suite au contre choc pétrolier.

Un renouveau stratégique du CTL, qui reste cependant en retrait

Depuis les années 2000, des considérations économiques et géopolitiques remettent les carburants synthétiques au goût du jour. En effet, l'armée américaine veut réduire sa dépendance énergétique, notamment en cas de conflit majeur ; de plus, le prix du baril de carburant synthétique se rapproche de 60 dollars, tandis que celui du brut se rapproche de 70 dollars. Plusieurs des plus grands producteurs de pétrole brut sont hostiles aux États-Unis, et malgré le fait qu'ils soient les premiers producteurs de pétrole au monde, leur consommation dépasse le double de leur production. Ainsi l'accès au pétrole brut et son prix sont des armes politiques et stratégiques importantes. Depuis 2005, le Energy Policy Act and Transportation Bill crée un programme de prêts pour les technologies CTL innovantes. En 2007, le congrès vote un nouvel Energy Independence Act qui confirme la stratégie de diversification de la production de carburants aux États-Unis. Des recherches sont donc menées par l'armée américaine sur l'optimisation et l'utilisation des carburants synthétiques dans l'ensemble des engins motorisés de l'armée. De plus, depuis 2004, l'armée de l'air américaine réalise des essais de vols avec des mélanges de carburants synthétiques et non synthétiques avec succès. On peut par exemple citer le mélange à 50% de JP-8 et à 50% de carburant synthétique.

Néanmoins, avec le développement important de l'utilisation du pétrole de schiste aux États-Unis, les procédés CTL semblent y rester en retrait. Ainsi, un des seuls exemples disponibles est le suivant. En 1999 le département américain de l'énergie dépose un appel d'offre pour construire des usines CTL à cogénération EECP (Early Entrance Coproduction Plant) sur le territoire américain. Un contrat commun est accordé à Texaco, Waste Management, Inc., Shell, Sasol, Uhde GmbH et Nexant Inc. L'usine est implantée en Pennsylvanie et traite 4700 tonnes de charbon par jour pour une production journalière de 3 732 barils de gazole et 1 281 barils de naphta.

Ci-après un tableau des différents coûts de revient du pétrole brut en fonction des aires géographiques et des techniques d'extraction :

La Chine et les technologies CTL

Contexte historique et énergétique

Depuis la mort de Mao en 1976 et surtout l'arrivée au pouvoir de Deng Xiaoping en décembre 1978, la Chine rompt avec son isolement et transforme son économie en économie de marché. Dès lors le pays connaît sans interruption une croissance économique spectaculaire (14,2 % du PIB en 2007). Pour soutenir cette croissance, la Chine a besoin de quantités astronomiques d'énergie et notamment de pétrole et ses réserves sont relativement limitées. Pour illustrer la chine a importé 506,5 millions de tonnes de pétrole en 2017, soit 15,2% des importations pétrolières mondiales, alors qu'elle n'en a produit "que" 191,5 Mt. Ainsi il est aisé de se rendre compte que les importations pétrolières du pays sont vitales et représentent une réelle préoccupation du gouvernement. Les compagnies pétrolières publiques (CNPC, CNOOC et SINOPEC) développent ainsi de nombreux projets en Afrique pour sécuriser et pérenniser de nouvelles sources d'approvisionnement. Le pays lorgne également sur les ressources énergétiques de l'Arctique.

Depuis 2010 le pays est le premier consommateur mondial d’énergie primaire mais également premier émetteur mondial de ${\ce {CO2}}$ depuis 2007, le charbon est responsable d'environ 75% de ces émissions. En effet à l'inverse du pétrole, la Chine dispose de gigantesques ressources en charbon (138,8 milliards de tonnes) déjà largement exploitées pour produire de l'électricité (en 2016, 78,7% de la production électrique est le fait de centrales thermiques utilisant du charbon).

Vue spatiale du smog au dessus de la Chine en 2010

De plus la Chine a récemment pris conscience des problèmes environnementaux qui la concerne, que ce soit réchauffement climatique à cause des gaz à effets de serre (GES) comme évoqué précédemment ou de la pollution aux particules fines dans les zones urbaines. L’État a, semble-t-il, fait une priorité de développer des technologies plus propres pour remédier a ces problèmes notamment via les plans quinquennaux. Ainsi ces plans visent à une réduction des émissions de ${\ce {CO2}}$ de 90% en 2050 par rapport à 2005, ce qui constitue une baisse de 28% comparé aux niveaux de 2010.

Pour cela la Chine prévoit de porter sa capacité en électricité nucléaire à 40 GW en 2020 (contre 63 GW en France actuellement). De plus le potentiel des énergies renouvelable en Chine est énorme et le pays en a conscience, c'est pourquoi les 11^e et 12^e plans quinquennaux affichent clairement le but de développer ces énergies

Capacité existante (2004) et potentielle pour les énergies renouvelables en Chine

	Capacité existante en 2004	Capacité potentielle
Hydraulique	34 GW	385 GW
Éolien "onshore"	0,7 GW	250 GW
Solaire	0 GW	180 GW
Total	34,7 GW	815 GW

Concernant les centrales à charbons, l'utilisation de meilleures technologies comme les centrales supercritiques (augmentation du rendement à ~45% contre entre 30 et 35% sur des centrales classiques) permettrait une baisse de leur émissions de GES de 43%. De plus les centrales à charbon chinoises sont dans leur globalité bien plus polluantes que leurs homologues des pays occidentaux car les normes chinoises ont longtemps été bien moins restrictives, une des préoccupations majeures est donc de dépolluer (autant que faire se peut) et moderniser ces centrales.

Rôle des technologies CTL dans le mix énergétique chinois

Dans les années 1980, la Chine lance des recherches dans les procédés CTL, celles-ci restent largement superficielles et laissent de nombreuses considérations en suspens (optimisation du rendement, développement industriel global).

Ces recherches reprennent de plus belle dans les années 2000 étant donnés les deux principaux avantages à court et moyen termes que cette technologie peut apporter au pays : une réduction des importations pétrolières et une meilleure qualité de l'air dans les zones urbaines (les carburants étant exempts d'impureté comme le souffre ou les métaux). Une étude chinoise de 2005 a montré que l'emploi de carburant CTL dans un moteur diesel permettait des économies de carburant de l'ordre de 8% et de réduire les émissions polluantes de manière significative.

Les dernières recherches et tests tablent sur un rendement théorique d'environ 60%, et la Chine ayant un accès pérenne au charbon, le développement est économiquement viable dans la mesure ou le prix du baril atteint une fourchette de 60 à 90$.

Les usines CTL chinoises

La Chine possède de nombreuses usines CTL sur son territoire et de nombreuses autres sont en construction. Une des plus grosses entreprises CTL est l'entreprise d'État Shenhua qui est également le premier producteur mondial de charbon. Ces usines sont et seront principalement implantées selon les volontés gouvernementales dans les régions du Nord-Ouest du Xinjiang, de la Mongolie Intérieure,du Ningxia et du Shaanxi.

Une stratégie actuelle est d'utiliser dans ses usines les charbons de basse-qualité contenant beaucoup de soufre et produisant beaucoup de cendre afin de réduire leur usage dans les secteurs où leur utilisation aurait un impact plus important

La plus grande usine CTL du monde est actuellement implantée à Yinshuan dans la région autnome de Ningxia dans le Nord de la Chine, elle a ouvert à la fin de l'année 2016 et est exploitée par le groupe Shenhua, sa capacité de production est de 4 millions de tonnes de produits pétroliers par an soit 88 000 barils par jour, il est prévu qu'elle soit portée à 11 millions de tonnes par an en 2020.

Une usine est implantée à Erdos en Mongolie Intérieure , elle est exploitée par l'entreprise Yitai spécialisée dans le charbon, sa capacité de production est de 2,15 millions de tonnes de produits pétroliers par an soit 47 000 barils par jour, cette capacité est prévue d'être revalorisée à 13 millions de tonnes par an en 2020.

L'entreprise américaine Air Products et l'entreprise minière chinoise Yankuang Group ont annoncé conjointement en novembre 2017 l'ouverture d'une usine de production de gaz de synthèse à partir de charbon, cette construction sera suivi d'une deuxième phase pour construire une unité de production CTL d'une capacité de production de 4 millions de tonnes par an, là encore 880 000 barils par jour, la mise en service est prévue pour 2021.

Une usine de taille plus modeste est également implantée à Lu'an, elle est entrée en service en 2010 et a une capacité de production de 4 000 barils/jour soit 200 000 tonnes de produits pétroliers par an.

Quelques chiffres sur les procédés CTL

À l'aide des chiffres de production CTL dont nous disposons en Afrique du Sud, Chine et aux États-Unis il est possible de calculer un pourcentage partiel de ces produits par rapport à la production globale de pétrole brut dans le monde :

Estimation de la part de la production de produits de produits pétroliers CTL par rapport à la production mondiale de pétrole brut

Pays	Afrique du Sud	États-Unis	Chine	Monde
production annuelle de produits pétroliers CTL en million de tonnes ( chiffres de 2016 et 2006)	8,176	0,26	6,35	12,79
production annuelle de pétrole brut en million de tonnes en 2017	0	571	191,5	4361,9
pourcentage de la production CTL par rapport à la production de pétrole brut	N/A	0,045 %	3,3 %	0,29 %

Cette estimation est largement sous-estimée étant donné que nous ne disposons pas de données exhaustives pour la production CTL mondiale; cependant cela permet de se rendre compte que les procédés CTL ne comptent encore que pour une infime part de la production mondiale pétrolière.

Prix de revient (coût d'extraction) moyen d'un baril de pétrole brut en 2015:

Aire géographique et méthode d'extraction	Pétrole terrestre du Moyen-Orient	Pétrole offshore sur plateau continental	Huiles lourdes (Venezuela)	Pétrole terrestre Russie	Pétrole offshore profond (profondeur > 1 000 m)	Pétrole offshore très profond (profondeur > 1 500 m)	Pétrole de schistes Nord-Américains	Sables bitumineux du Canada	Pétrole de l'Arctique	Produits pétroliers CTL
Prix de revient moyen du baril de brut (ou du baril de produit pétrolier) en $	27	41	47	50	52	56	65	70	75	entre 60 et 90

Le coût comparable des produits CTL à celui du pétrole de schistes explique en partie le peu d'intérêt des États-Unis pour ces procédés. À noter que pour obtenir les produits pétroliers issus des procédés CTL, il est nécessaire de raffiner les pétrole brut, rajoutant un coût non négligeable.

Trajectoire visuelle

Trajectoire historique des procédés CTL de 1920 à nos jours

Auteurs

Cette page de wiki a été écrite par :

Eric Breton

Adélie Bost

Thomas Boutron

Laure Castagna

Juliette Darmedru

Elvire Lichère

Tristan Prevost

Josef Rokusek

Vincent Volpei

Tous étudiants à l'INSA de Lyon en deuxième année. Le 13 mai 2019.