Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Carburants non conventionnels

Introduction

Comme indiqué dans la page sur la filière du charbon, des recherches sont en cours pour valoriser les gisements de charbon jugés précédemment non économiquement exploitables grâce aux techniques de gazéification ou de liquéfaction.

D'une manière plus générale, on cherche de plus en plus à mettre au point des substituts aux hydrocarbures conventionnels, en utilisant comme matières premières des ressources non directement valorisables et à bas coût

C'est ainsi qu'est apparue, au cours des dernières décennies, une grande variété de combustibles fossiles liquides et gazeux, ayant pour résultat de beaucoup diversifier l'offre de carburants, auparavant dominée par le pétrole et secondairement par le gaz naturel.

L'intérêt est de produire des carburants liquides ou gazeux pour les substituer à l'essence et au gazole qui représentaient en 2009 plus de 93 % de la demande quasi-incompressible du secteur des transports (figure ci-dessous). Dans cette figure, GNV signifie gaz naturel pour véhicules. Il s'agit de véhicules alimentés en gaz naturel sous une pression de 200 bars, stocké dans des bouteilles à haute pression embarquées. Les autres carburants liquides ou gazeux sont regroupés sous le nom de pétroles non-conventionnels et d'hydrocarbures de synthèse (synfuels en anglais).

Déjà, les spécialistes ont commencé à inclure certains pétroles autrefois considérés comme non conventionnels, comme les schistes bitumineux, dans l'estimation des réserves prouvées de pétrole et dans les quantités de pétrole produites. Il est vraisemblable que cette tendance se confirmera dans le futur et que la frontière entre pétrole et gaz d'une part et carburants non conventionnels d'autre part restera floue et évolutive.

Notons que ce constat explique pourquoi l'évaluation des réserves pétrolières et gazières a été beaucoup reconsidérée récemment.

Il faut souligner que les définitions de ces carburants ont beaucoup varié au cours des dernières décennies. Il y a 20 ans, le vocable d'hydrocarbures de synthèse regroupait toutes les productions non classiques, alors qu'aujourd'hui cette appellation est réservée aux carburants produits par voie chimique, en préférant appeler pétroles non conventionnels ceux qui sont produits à partir de schistes bitumineux ou de sables asphaltiques.

Par souci de simplicité de langage, nous regrouperons sous l'appellation de carburants non-conventionnels :

  • le pétrole produit à partir de gisements de pétrole lourd et de schistes bitumineux ;

  • les biocarburants, qu'ils soient de première ou seconde génération ;

  • les hydrocarbures de synthèse ;

  • les carburants liquides issus du gaz naturel ;

  • les hydrates de méthane.

Pétroles lourds et schistes bitumineux

Les plus importants gisements de pétroles lourds et de schistes bitumineux se situent au Canada et au Venezuela.

Il s'agit notamment :

  • des sables asphaltiques, pétroles bruts de grande viscosité, qu'il est le plus souvent impossible d'extraire de manière normale ;

  • des schistes bitumineux, qui sont des roches sédimentaires contenant une matière organique solide qui peut être extraite à chaud sous forme liquide ou gazeuse.

Leur mise en valeur peut poser de graves problèmes de pollution, comme c'est par exemple le cas pour l'industrie des schistes bitumineux : pour produire une tonne de pétrole synthétique, il faut traiter 10 t de schistes et utiliser 2,5 t d'eau. De surcroît, le procédé rejette un volume de déchets supérieur de 20 % à celui des intrants (effet « pop corn »). L'impact sur l'environnement de ces technologies est donc loin d'être négligeable et des solutions appropriées doivent être mises au point avant que leur production puisse se généraliser.

Par ailleurs, la valorisation de ces ressources peut demander d'importantes quantités d'énergie, notamment pour l'injection de vapeur à haute température, de telle sorte que leur bilan global doit être estimé avec soin, en particulier en termes d'émissions de CO2.

Biocarburants

Il s'agit de carburants produits à partir de la biomasse. On distingue généralement deux catégories de biocarburants, dits de première et seconde génération. Même si leurs définitions diffèrent selon les auteurs, on s'accorde généralement pour considérer que les premiers sont issus de produits traditionnellement alimentaires, et entrent donc en concurrence directe avec les productions agricoles nutritives, tandis que les seconds proviennent de matériaux ligno-cellulosiques.

Certains pays comme le Brésil et les Etats-Unis se sont ainsi lancés dans de vastes programmes de cultures énergétiques en vue de produire de l'éthanol à partir de plantes sucrières comme la betterave ou la canne à sucre. L'éthanol peut être incorporé jusqu'à 10 % dans les carburants destinés aux moteurs à essence classiques, mais son utilisation à l'état pur suppose des modifications significatives du système de carburation.

Au Brésil, le programme Proalcool s'est donné comme objectif la substitution à l'essence d'éthanol produit à partir de canne à sucre. Le développement à partir de 1975 d'une infrastructure de raffinage (distillerie) et de distribution a permis, dès 1984, de remplacer environ 5 Mm3 de carburants par de l'éthanol, et de convertir 13 % du parc automobile à cette ressource nationale. Vingt ans plus tard, 80 % de la flotte de véhicules est dite « flex-fuel », ce qui permet au consommateur de choisir, en fonction des prix pratiqués, le carburant le moins coûteux.

Des biocarburants destinés aux moteurs diesel sont aussi produits à partir d'huile de colza ou de tournesol en Europe et aux Etats-Unis (entre 7 et 30 % peuvent être ajouté au gazole). On parle alors de biodiesel.

Pour le moment, le principal inconvénient de ces programmes est qu'ils ont pour effet de détourner des terres arables des productions agricoles nutritives, ce qui peut représenter un coût social très élevé, engendrant des famines soit dans les pays qui les mettent en œuvre, soit plus globalement dans le monde, la baisse de l'offre de produits agricoles se traduisant par une hausse de leurs cours.

Production de biocarburants dans le monde

Cette carte fournit la production de biocarburants dans le monde

Hydrocarbures de synthèse

Des procédés de gazéification ou de liquéfaction du charbon existent depuis longtemps : en 1943, l'Allemagne produisait jusqu'à 4 millions de tonnes de carburant synthétique.

On envisage par ailleurs la fabrication de méthanol et gaz de synthèse à partir de charbon en combinant des procédés électrolytiques et la gazéification à l'oxygène.

Afin de limiter les émissions de CO2, l'électricité pourrait être fournie en base par des centrales nucléaires, et le méthanol et le gaz de synthèse serviraient à alimenter des turbines à gaz pour les périodes de pointe. Par ce biais, on pourrait alimenter un parc de production d'électricité à partir uniquement de nucléaire et de charbon.

Carburants liquides issus du gaz naturel

Il s'agit de produits issus directement de l'exploitation du gaz naturel, qui se composent d'éthane, de propane, de butane normal, d'isobutane et d'essence naturelle / condensat.

Mélangés au gaz naturel, ils en sont extraits lors du traitement du gaz, avant transport vers les lieux de consommation, et constituent des substituts aux produits raffinés à partir du pétrole, leur particularité étant d'être liquides au lieu de gazeux.

Hydrates de méthane

Les hydrates de méthane sont formés de molécules d'eau piégeant des molécules de gaz comme le méthane qui peuvent stocker de considérables quantités de gaz (par exemple 164 cm3 de méthane dans 1 cm3 d'hydrate).

Ils se présentent sous forme de blocs de glace inflammables que l'on trouve dans des sédiments à basse température et forte pression (fonds océaniques ou régions circumpolaires).

Leur mise en valeur est à l'étude, mais pose encore de nombreuses difficultés technologiques et pourrait avoir un impact environnemental non négligeable.

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