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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Troisième partie. Les énergies fossiles

9. Pétroles lourds et fond du baril

Michel Vrinat et Christophe Geantet

Texte intégral

Importance économique et géopolitique

1La consommation mondiale en énergie ne cesse de croître et les scénarios des différentes organisations internationales s’accordent tous sur une augmentation de celle-ci de l’ordre de 1,5 % par an, conduisant ainsi à une hausse de la demande en pétrole de plus de 30 % d’ici 2030. Les réserves de brut conventionnel (de l’ordre de 1 200 Giga-barils) ne correspondant qu’à 40 à 45 ans de la consommation actuelle, la diversification des approvisionnements est inéluctable et les huiles dites « lourdes » et « extra-lourdes » ainsi que celles contenues dans les sables ou schistes bitumineux apparaissent aujourd’hui comme des ressources stratégiques pour le futur. Estimées à plus de 3 700 Giga-barils ces réserves se trouvent dans plusieurs régions du monde souvent géopolitiquement loin du Moyen-Orient, comme au Canada dans la province de l’Alberta et au Venezuela dans les sables inconsolidés du bassin de l’Orénoque ; ces deux champs représentent deux tiers du total mondial des gisements de pétroles non conventionnels connus aujourd’hui. On estime que selon le coût du baril, la production de ce type d’huile pourrait atteindre de 3 à 5 Méga-barils/jour en 2030.

Fig. 1 – Distribution mondiale des ressources en huiles lourdes

2Si ces huiles lourdes et extra-lourdes auront un rôle de plus en plus important dans l’énergie du futur, elles sont cependant caractérisées par des viscosités très élevées dans les conditions des réservoirs géologiques, rendant ainsi leurs conditions d’exploitation très difficiles. C’est pourquoi, en parallèle à la mise en œuvre des techniques traditionnelles dites « d’exploitation à froid » par pompage, qui ne conduisent qu’à un très faible pourcentage de récupération de l’huile originale, se sont développés divers procédés dits de « récupération assistée » par injection de vapeur (en procédé cyclique ou continu), de polymères, de CO2 ou même des techniques par combustion in situ de l’huile dans le réservoir.

3Les viscosités élevées de ces pétroles impliquent aussi la mise en œuvre de nouvelles technologies de transport en surface par chauffage du pipeline (champ d’Alyeska en Alaska), par dilution à l’aide d’un mélange d’hydrocarbures légers (appelé « condensat »), ou par mise en émulsion dans l’eau à l’aide d’un tensioactif* (exemple de l’huile « Orimulsion » au Venezuela).

Propriétés et composition des charges

4Les pétroles lourds et les résidus de distillation sous vide des pétroles conventionnels (fond du baril) présentent des compositions chimiques et des propriétés physico-chimiques très proches, mais celles-ci, bien qu’étudiées depuis plusieurs décennies, restent encore aujourd’hui à la limite de nos connaissances. Cependant, même si la composition de ces charges de point d’ébullition supérieur à 350 °C varie quelque peu avec leur origine, une séparation des molécules présentes par polarité chimique* permet de classer celles-ci en quatre grandes familles :

  • Les composés saturés (paraffines, naphtènes*) et les oléfines.
  • Les composés aromatiques* : contenant jusqu’à 6 cycles aromatiques, souvent associés à des hétéroatomes comme le soufre ou l’azote.
  • Les résines : structures contenant plus de 6 cycles aromatiques.
  • Les asphaltènes : fraction la plus complexe, mélange hétérogène de macromolécules fortement dispersé en terme de tailles (6 à 20 noyaux aromatiques) et de composition chimique. Cette fraction est la plus riche en hétéroatomes* (soufre, azote) et en métaux (nickel, vanadium).

5Si les résines permettent la stabilisation de ces asphaltènes dans cette matrice pétrolière, ces dernières molécules peuvent s’agglomérer en macromolécules (de quelques nanomètres à quelques microns).

Fig. 2 – Exemple de structure moléculaire proposée pour les asphaltènes et montrant les associations de cycles aromatiques, saturés, ou contenant des hétéroatomes* comme S, N, O, ou des métaux comme le vanadium. Chaque – représente une liaison C-C

La valorisation des charges lourdes

6Si l’industrie pétrolière a toujours su adapter ses outils de raffinage à l’évolution des huiles à traiter et aux spécifications du marché en produits finis, le traitement des pétroles lourds a été et reste un véritable challenge pour les raffineurs. La figure 3 illustre le gap entre la composition de ces pétroles lourds et celles des produits requis pour leur commercialisation : principalement gazole (distillats) et essence (produits légers).

Fig. 3 – Comparaison de la demande mondiale en produits légers, distillats et produits lourds avec les compositions obtenues par distillation de pétroles : léger (type Brent), lourd (type Safaniya) ou extra-lourd (type Bachaquero)

7Parmi les divers procédés existants, le désasphaltage par solvant, basé sur les différences de structure chimique des constituants, permet d’obtenir d’une part une fraction facilement valorisable appelée « huile désasphaltée » riche en naphtènes et en molécules aromatiques, et d’autre part un résidu appelé asphalte riche en résines lourdes et en asphaltènes. Les procédés de conversion thermique sans apport d’hydrogène comme la viscoréduction* ou la cokéfaction* sont cependant les procédés non catalytiques les plus utilisés. Mettant en œuvre des réactions de craquage des molécules à haute température (de 450 à 550 °C), en présence ou non de vapeur d’eau, ils permettent une production plus importante de produits légers et de distillats, mais de qualité médiocre et nécessitant des traitements complémentaires avant d’être commercialisés.

8À l’inverse, des procédés avec apport d’hydrogène sous haute pression et utilisant des catalyseurs* permettent de diminuer les rejets de coke*, et de purifier ces charges par élimination sélective des hétéroatomes (soufre, azote) et des métaux. Promouvant aussi l’hydrogénation des aromatiques, ces procédés catalytiques conduisent ainsi à des fuels de meilleure qualité. Leur mise en œuvre industrielle fait appel à diverses technologies pour la mise en contact de la charge à traiter et du catalyseur dans des unités dites « à lit fixe », « à lit bouillonnant », « àlit mobile » ou procédé « slurry » selon le type de mobilité du catalyseur solide dans le réacteur. Bien qu’apparu plus récemment et encore peu industrialisé, le procédé « slurry » ou procédé par catalyse dispersée (quelques centaines de ppm de catalyseur ajouté à la charge) fait aujourd’hui l’objet de nombreuses recherches académiques et de développements industriels car il constitue le procédé permettant la conversion la plus poussée.

Bibliographie

Références bibliographiques

Les hydrocarbures non conventionnels : évolution ou révolution ?, www.ifpenergiesnouvelles.fr/publications/notes-de-synthese-panorama/panorama-2012.

• A.-Y. HUC – Heavy crude oils : From geology to upgrading, Technip, 2011.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Distribution mondiale des ressources en huiles lourdes
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10973/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 147k
Légende Fig. 2 – Exemple de structure moléculaire proposée pour les asphaltènes et montrant les associations de cycles aromatiques, saturés, ou contenant des hétéroatomes* comme S, N, O, ou des métaux comme le vanadium. Chaque – représente une liaison C-C
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10973/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 149k
Légende Fig. 3 – Comparaison de la demande mondiale en produits légers, distillats et produits lourds avec les compositions obtenues par distillation de pétroles : léger (type Brent), lourd (type Safaniya) ou extra-lourd (type Bachaquero)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10973/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 231k

Auteurs

Chimiste, Directeur de Recherche Émérite au CNRS, Ircelyon, Villeurbanne.
michel.vrinat@ircelyon.univ-lyon1.fr

Chimiste, Directeur de Recherche au CNRS, Ircelyon, Villeurbanne.
christophe.geantet@ircelyon.univlyon1.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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