Le fonctionnement des raffineries de pétrole

Les raffineries de pétrole décomposent le pétrole brut en divers composants relativement légers, connus sous le nom de « produits intermédiaires » qui sont ensuite assemblés pour produire une variété de produits finis au contenu normalisé, dont les plus connus sont l’essence, le diesel et le carburéacteur (carburant pour avions à réaction). Cette transformation se fait en plusieurs étapes, qui visent chacune à extraire un peu plus d’hydrocarbures utiles du brut. La partie qui résiste à tous les efforts de raffinage forme le mazout, un carburant industriel dense et visqueux, ainsi que le coke de pétrole, un résidu solide analogue au charbon.

Note : Ce texte est un extrait d’un livre sur l’industrie du pétrole que je prépare à temps perdu. C’est une version de travail que je publie afin d’obtenir des commentaires. Je remercie Jean Laherrère et Xavier Chavanne pour l’aide déjà apportée dans sa rédaction.

Les raffineries utilisent quatre principaux procédés. Le premier, commun à toutes les raffineries, est la distillation dans une colonne atmosphérique (à pression normale). Dans la plupart des raffineries, les produits qui ne se séparent pas à la distillation sont soumis à des étapes supplémentaires de redistillation sous vide, de craquage et de reformage. Chacune de ces étapes traite le résidu de l’étape précédente de manière à en extraire davantage de produits intermédiaires. Ces étapes supplémentaires exigent beaucoup d’énergie, mais permettent de transformer des résidus de faible valeur (le mazout) en produits pétroliers plus recherchés.

Il existe trois types de raffineries, qui se distinguent par leur niveau croissant de complexité et d’efficacité dans la distillation du pétrole brut :

• Les raffineries de première distillation (topping refineries), les plus simples, n’utilisent qu’une simple colonne de distillation atmosphérique pour produire du naphta et d’autres produits intermédiaires. Elles ne sont plus viables économiquement de nos jours et certaines de celles qui subsistent se spécialisent dans le traitement de bruts lourds pour produire du bitume.

• À la colonne de distillation atmosphérique, les raffineries hydroskimming ajoutent des unités d’hydrotraitement à l’hydrogène et de reformage à la vapeur qui permettent notamment de produire de l’essence, mais qui ne permettent pas de raffiner les composantes lourdes qui demeurent à la base de la colonne de distillation. Ces raffineries sont également rares de nos jours.

• Les raffineries complexes, qui sont dotées de diverses unités de conversion (par craquage catalytique, craquage à la vapeur, cokéfaction et autres procédés) qui permettent de transformer les composantes lourdes du pétrole en produits plus légers et de plus grande valeur, comme le diesel ou l’essence. Leur équipement précis peut varier en fonction de la densité et du degré de contamination du pétrole à raffiner.

Règle générale, une raffinerie relativement simple suffit à traiter le brut léger, tandis que le raffinage des bruts les plus lourds exige des installations complexes. Dans le monde, la capacité des raffineries varie de 1 500 (Ulyanovskneft, Russie) à 940 000 barils par jour (Paraguana, Venezuela). La moyenne mondiale est de 132 000 barils, mais atteint 140 000 dans les pays membres de l’OCDE et 167 000 dans ceux de l’OPEP. Le nombre de raffineries a diminué de manière marquée dans le monde depuis 30 ans, mais en revanche, la capacité moyenne a augmenté de 30 % de 1993 à 2007.

La principale source d’énergie des raffineries est le gaz de combustion de raffinerie. Il s’agit d’un mélange de gaz trop légers pour se liquéfier dans la colonne de condensation, principalement des hydrocarbures légers, mais aussi de l’hydrogène, du sulfure d’hydrogène (H₂S) et divers autres gaz. Récupérés au sommet de la colonne de distillation, ils sont brûlés pour fournir la chaleur nécessaire à la distillation, mais aussi pour produire l’électricité et la vapeur nécessaires aux installations. Une raffinerie possède plusieurs réchauffeurs et chaudières distincts à ces fins. Le gaz de raffinerie ne couvre habituellement pas tous les besoins d’une raffinerie et il faut y ajouter du gaz naturel ou du coke de pétrole en quantité variable, selon la complexité de l’installation.

Les diverses unités d’une raffinerie utilisent beaucoup plus de vapeur que d’électricité (dont l’usage se concentre sur diverses pompes). La vapeur est produite dans des chaudières de récupération de chaleur, tandis que l’électricité est produite par cogénération, une mesure bien établie d’efficacité énergétique et de réduction des émissions de GES. Certaines données qui circulent sur Internet laissent entendre que les raffineries consomment de grandes quantités d’électricité, mais en réalité, la consommation d’électricité ne représente que de 0,3 à 1,3 % de la valeur énergétique totale du pétrole brut traité. Les raffineries sont souvent autonomes en électricité.

Les raffineries consomment de plus en plus d’hydrogène, utilisé pour transformer les fractions lourdes pauvres en hydrogène en produits plus en demande et de plus forte valeur, comme l’essence et le diesel. Ces besoins tendent à augmenter en raison de la réglementation exigeant des produits pétroliers de qualité toujours croissante. Des procédés comme le craquage catalytique produisent naturellement de l’hydrogène comme sous-produit. Mais cet apport est insuffisant et la plupart des raffineries produisent elles-mêmes l’hydrogène supplémentaire dont elles ont besoin, par reformage à la vapeur du gaz naturel.

Une raffinerie utilise l’équivalent de 4 à 15 % de son approvisionnement en brut pour répondre à ses propres besoins énergétiques, y compris sa production d’électricité. En 2008, on estimait que les raffineries françaises utilisaient en moyenne 7,1 % de leur apport en brut, contre 12 % environ pour les raffineries américaines, qui comportent plus d’unités spécialisées pour le traitement du pétrole lourd.

Composantes d’une raffinerie

La distillation atmosphérique et la distillation sous vide suffisent à séparer du pétrole brut les hydrocarbures relativement légers qui entrent dans la composition de l’essence, du diesel, du carburéacteur et des autres produits pétroliers de grande valeur. À cette étape, il reste toutefois une grande quantité d’hydrocarbures lourds et de faible valeur, surtout si le brut utilisé est de mauvaise qualité (ce qui est de plus en plus fréquent de nos jours).

La stratégie des raffineries consiste alors à utiliser des procédés chimiques supplémentaires pour briser et décomposer ces hydrocarbures lourds en produits intermédiaires utilisables pour l’assemblage des produits pétroliers courants. On maximise ainsi la production de carburants utiles, tout en minimisant la quantité résiduelle de mazout lourd, peu recherché. Certains procédés servent aussi à éliminer divers contaminants, en particulier le soufre, pour obtenir des carburants moins polluants.

Les principaux procédés utilisés sont énumérés ci-dessous. Essentiellement, les composantes lourdes qui subsistent au terme de la distillation sont partiellement converties en essence par craquage catalytique. Ce qui reste est ensuite soumis à une troisième étape, par hydrocraquage ou par cokéfaction, ce qui produit surtout du diesel. Les raffineries ne disposent pas toutes d’une gamme complète de ces services, ou n’y soumettent pas forcément l’ensemble de leur production, car le coût de ces installations et le coût énergétique de ces procédés sont élevés.

• Unité de craquage catalytique : Ces installations soumettent la fraction lourde du brut à des pressions et des températures élevées (de 250 à 435 °C) pour scinder les hydrocarbures lourds en composants plus légers, principalement de l’essence. Ces hydrocarbures, qui arrivent sous forme gazeuse de la colonne de distillation sous vide, sont exposés à des particules de produits catalyseurs. Une partie des hydrocarbures de dépose sous forme de coke sur ces particules, tandis que la partie qui a été fractionnée continue sa route vers une installation qui sépare les diverses molécules en fonction de leur densité. Le catalyseur est ensuite brûlé pour le débarrasser de son coke et lui permettre de servir à nouveau.

• Unité d’hydrocraquage : L’hydrocraquage est une autre technique permettant de produire des carburants de haute valeur à partir des fractions lourdes du brut. Au lieu de retirer du carbone excédentaire, comme dans le craquage catalytique, on ajoute plutôt de l’hydrogène pour obtenir les hydrocarbures désirés – principalement le diesel et le carburant pour avion. La technique consiste à combiner le flux de brut à de l’hydrogène à des pressions et des températures élevées (de 250 à 450 °C). Les hydrocarbures lourds se séparent alors en molécules plus légères, qui se combinent à leur tour avec l’hydrogène, dont la consommation est importante : de 200 à 700 fois le volume de carburant à traiter,

• Unité de cokéfaction : Il s’agit d’une autre méthode de craquage permettant d’obtenir des carburants de valeur, comme l’essence et le diesel, à partir de résidus de brut de mauvaise qualité. À la différence des unités du craquage catalytique, le coke de pétrole n’est pas brûlé au terme du processus, ce qui en fait un carburant bon marché (et très polluant) utilisé dans diverses industries. Il existe trois sortes d’unités de cokéfaction, mais le procédé le plus courant de nos jours est la cokéfaction retardée, où un flux de résidus lourds est chauffé de 480 à 535 °C, ce qui le décompose en hydrocarbures légers et en coke. Le flux alterne entre deux cuves de réaction, ce qui permet de récupérer le coke dans celle qui est inutilisée. Le cycle entre les deux cuves dure de 16 à 24 heures. Ce procédé libère une importante quantité de gaz à effet de serre sous forme de méthane.

• Unité de reformage catalytique : Ce procédé sert à transformer des produits intermédiaires relativement légers, comme l’essence et le naphta (hydrocarbure léger entrant dans la composition de l’essence) en divers composés aromatiques, comme le benzène. Ces produits sont utilisés par l’industrie pétrochimique, notamment pour la fabrication de plastique. Il existe là aussi trois variantes du procédé. Le flux à traiter traverse successivement de trois à quatre réacteurs préchauffés, où sa composition chimique change progressivement. Du coke se dépose sur la paroi de ces réacteurs. Il est brûlé après chaque lot pour fournir la chaleur nécessaire au traitement du lot suivant. Le principal gaz à effet de serre émis est le CO², mais on mesure aussi un peu de méthane et de protoxyde d’azote.

• Unité de désulfuration : La désulfuration est utilisée pour réduire la teneur en soufre de carburants comme le diesel et le kérosène, ce qui les rend moins polluants à la combustion. Dans un premier temps on insuffle de l’hydrogène dans le liquide, sur un lit catalytique à pression élevée. L’hydrogène se combine alors au soufre pour produire un gaz, le sulfure d’hydrogène. Le sulfure d’hydrogène est ensuite séparé du carburant à l’aide d’un système de capture aux amines, qui tend aussi à récupérer le CO₂ qui est y resté dissous. Le sulfure d’hydrogène est ensuite converti en soufre pur par un autre procédé catalytique, tandis que le CO₂ s’échappe dans l’atmosphère.

• Usine d’hydrogène : La raffinerie l’utilise pour produire les énormes quantités d’hydrogène nécessaires à l’hydrocraquage à la désulfuration. La méthode utilisée est le reformage du méthane (issu du gaz naturel) à la vapeur, où le méthane, la vapeur et d’autres hydrocarbures légers réagissent sur un lit catalytique pour former de l’hydrogène et du monoxyde de carbone. Ce monoxyde de carbone réagit à son tour pour former plus d’hydrogène, ainsi que d’abondantes quantités de CO₂ – jusqu’à 25 % de tout le CO₂ émis par la raffinerie. Le méthane qui subsiste en fin de réaction est brûlé pour fournir la chaleur nécessaire au procédé.

• Unité de calcination du coke : Ces installations sont rares – la plupart des raffineries n’en comportent pas. Elles servent à éliminer le soufre, les composés volatils et les autres impuretés qui subsistent dans le coke de pétrole. On obtient un coke de pétrole très pur, utilisé dans la fabrication d’anodes et d’électrodes. La destruction des composés volatils provoque l’émission d’une importante quantité de CO₂.

• Unité de soufflage de l’asphalte : L’asphalte est l’un des résidus les plus lourds de la distillation. Il n’est toutefois pas très stable tel quel. On améliore ses caractéristiques et sa durabilité en soufflant de l’oxygène dans l’asphalte liquide à 260 °C pendant de une à dix heures. Le gaz qui sort de la cuve est chargé en soufre, en CO₂, en méthane et en divers autres contaminants organiques et subit souvent une purification aux amines avant d’être rejeté dans l’air.

• Usine de cogénération : Les raffineries utilisent d’importantes quantités d’électricité et de grandes quantités de vapeur (notamment pour la production d’hydrogène). La vapeur représente 38 % des besoins en énergie d’une raffinerie. L’usine de cogénération produit de la vapeur à partir de la combustion du gaz de raffinerie, de gaz naturel et de la chaleur résiduelle de divers procédés, puis l’envoie dans des turbines pour produire de l’électricité. Ces installations peuvent être importantes et produire plus de 30 mégawatts d’électricité. Elles permettent souvent aux raffineries d’être indépendantes du réseau électrique.

Que retenir de tout ceci? Que le travail d’une raffinerie ne se limite pas à une simple « distillation » du pétrole. Le brut traverse une succession de procédés complexes utilisés pour en tirer toujours plus de carburant utile. Ce travail sur le produit est d’autant plus complexe que le brut est de mauvaise qualité. À une époque où le marché est inondé de carburants très légers (comme le pétrole de roche-mère) ou très lourds (comme le bitume de l’Alberta), le travail des raffineurs devient une étape de plus en plus cruciale de la production de produits pétroliers.

Émissions de gaz à effet de serre des raffineries

Le raffinage du pétrole est l’une des principales industries émettrices de gaz à effet de serre dans le monde. Les émissions des raffineries atteignent en moyenne 0,219 kg de CO₂ par kilo de produit fini, comme l’essence ou le diesel. Selon une estimation de l’Agence mondiale de l’énergie, elles s’échelonnent entre 20 à 80 kilos par baril de pétrole, selon l’origine du brut. Les bruts lourds sont plus émetteurs parce qu’ils nécessitent plus de travail. Règle générale, 66 % des émissions sont liées aux étapes du craquage et d’hydrocraquage, contre seulement 11 % pour la distillation et 23 % pour l’ensemble des autres procédés.

On estimait en 2001 qu’une grande raffinerie produisant 300 000 barils par jour pouvait émettre entre 0,8 et 4,2 millions de tonnes de CO₂ par année. Selon une étude de 2010, les émissions de GES des raffineries américaines se composaient à 97,67 % de CO₂, à 2,25 % de méthane et à 0,08 % de protoxyde d’azote. L’organisation des raffineries canadiennes étant semblable, il y a tout lieu de croire que ces chiffres sont valables ici aussi.

La réduction des émissions de gaz à effet de serre des raffineries est une tâche difficile, parce que les gains d’efficacité obtenus sont souvent annulés par une demande croissante pour des carburants plus légers et plus propres, qui exigent des étapes de raffinage supplémentaires, nécessitant une plus grande dépense énergétique.

Dans cette industrie arrivée à un très haut niveau de maturité, la recherche porte généralement sur des enjeux comme l’augmentation des rendements, l’efficacité énergétique et des temps d’arrêt plus courts, plutôt que sur des procédés entièrement nouveaux. De plus, les entreprises pétrolières ont réduit leurs budgets de recherche et développement ces dernières années et se fient davantage à des tiers pour leur procurer la technologie dont elles ont besoin.

Les approches de réduction des émissions de gaz à effet de serre s’articulent autour de divers gains d’efficacité et de l’intégration à la région environnante pour vendre les surplus de chaleur et acheter de l’hydrogène produit au moyen d’énergie renouvelable. L’impact de ces mesures risque toutefois de demeurer limité et la capture et la séquestration de carbone reste le moyen le plus souvent évoqué pour réduire l’empreinte carbone des raffineries. Plusieurs procédés de raffinage produisent des flux concentrés de CO₂ qui se prêtent particulièrement bien à la capture, mais l’avenir de cette pratique reste incertain.