Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Technologie ancienne, qui produisait à l’époque des carburants et des bases pour la chimie, la liquéfaction du charbon revient à l’ordre du jour pour sécuriser notre approvisionnement énergétique futur. Les technologies antérieures ont été revues et améliorées en vue de doter le liquéfiat des spécifications requises. Dans la voie directe, un réacteur d’hydroconversion convertit directement le charbon, préalablement broyé et dissout, en liquide. Dans la voie indirecte, le charbon est tout d’abord transformé en gaz de synthèse, puis en un mélange d’hydrocarbures paraffiniques, avant une étape finale d’hydrocraquage isomérisant. Ces deux procédés analytiques présentent des rendements et qualités de produits légèrement différents, pour autant ils ont en commun la problématique de l’émission des gaz à effet de serre.
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Coal liquefaction, an old technology, which in the past produced fuels and bases for chemistry, is currently used in order to secure our future energy supply. Previous technologies have been improved to provide the liquefiat with the required specifications. In the direct route, a hydroconversion reactor directly converts coal, which has been previously crushed and dissolved in liquid. In the indirect route, coal is first converted into synthesis gas and then into a mixture of paraffinic hydrocarbons, before a final stage of isomerizing hydrocracking. Although these two analytical processes have slightly different yields and qualities of products, they both raise the issue of greenhouse gas emissions.
Auteur(s)
-
Raphael HUYGHE : Ingénieur développement à l'IFP
-
Pierre MARION : Ingénieur en études économiques à l'IFP
-
Magalie ROY-AUBERGER : Ingénieur de recherches à l'IFP
INTRODUCTION
La liquéfaction du charbon « Coal to Liquid ou CTL » est une technologie ancienne, initialement développée pendant la première moitié du XXe siècle, qui produit des carburants de type diesel ou essence et/ou des bases pour la chimie à partir du charbon. Dans l'ère du pétrole roi, seuls des contextes géopolitiques très particuliers ont pu justifier l'industrialisation de cette filière (voir encadré historique) : le prix de revient des carburants de synthèse était beaucoup plus élevé que celui des carburants pétroliers en raison des forts niveaux d'investissements requis et du prix – alors faible – du pétrole brut. Aujourd'hui, la prise de conscience de la relative raréfaction du pétrole et du gaz naturel, ainsi que les cours historiques qu'ils ont atteints pendant l'année 2008 provoque un regain d'intérêt pour la liquéfaction du charbon sur fond de sécurité d'approvisionnement et de diversification énergétique. Le charbon constitue un candidat incontournable au remplacement du pétrole sous réserve de la mise en œuvre de technologies de captage de stockage du CO2 émis en grande quantité par la filière.
Chimiquement, tout l'enjeu de la liquéfaction consiste à tripler la teneur en hydrogène du charbon (rapport atomique H/C inférieur à 1) jusqu'à des valeurs compatibles avec les spécifications des carburants pétroliers (rapport H/C de l'ordre de 2).
Deux familles de procédés catalytiques ont été développées pour pallier à l'insuffisance des technologies antérieures basées sur des procédés purement thermiques (cokéfaction ou pyrolyse) en termes de quantité et de qualité du liquéfiat.
– Dans la voie directe, le charbon, préalablement broyé et dissout dans un solvant organique, est envoyé dans un réacteur d'hydroconversion qui le convertit directement en liquide. Ce liquide, riche en aromatiques, est envoyé dans une unité d'hydrogénation profonde et/ou d'hydrocraquage pour en faire des carburants aux spécifications requises.
– Dans la voie indirecte, le charbon broyé est tout d'abord converti en un mélange H2 + CO appelé gaz de synthèse (procédé de gazéification), puis en un mélange d'hydrocarbures paraffiniques, via le procédé Fischer-Tropsch, qui subit une étape finale d'hydroisomérisation et/ou d'hydrocraquage.
ASF : Anderson-Schultz-Flory
ASU : unité de production d'oxygène par séparation de l'air Pour les capacités élevées nécessitées par la liquéfaction du charbon, cette séparation est généralement basée sur une distillation cryogénique
Claus : unité transformant les gaz acides issus de la décomposition des molécules soufrées (essentiellement des mélanges eau, NH3 et H2S) en soufre solide
CTL (Coal to Liquid ) : liquéfaction du charbon
DSV : distillat sous vide (fraction d'hydrocarbures généralement d'origine pétrolière dont la température d'ébullition est habituellement comprise entre 350 et 550 oC), ou colonne de distillation sous vide produisant ce distillat sous vide
EDS : procédé Exxon pour la liquéfaction directe
ETBE : éthyl tertio butyl éther
FRAC : fractionnement primaire (distillation sous pression atmosphérique)
FT : Fischer-Tropsch. Procédé de synthèse de paraffines à partir d'un mélange H2 + CO appelé « gaz de synthèse »
GES : gaz à effet de serre, en pratique dans cette fiche, le CO2 et le méthane
GPL (LPG en Anglais) : gaz de pétrole liquéfiés, c'est-à-dire mélange de propane et de butane
HDC : hydrocraquage (utilisé comme traitement de finition dans la liquéfaction directe)
HCI ou HDI : hydrocraquage fortement isomérisant (utilisé comme traitement de finition dans la liquéfaction indirecte)
HDT : hydrotraitement
HTFT : procédé Fischer-Tropsch à haute température
LTFT : procédé Fischer-Tropsch à basse température
maf (masture and ash free ) partie organique du charbon ou charbon sec hors cendres
PSA : Pressure Swing Absorber. Procédé permettant de produire par purification de l'hydrogène de très haute pureté (> 99,9 %) à partir d'un mélange
RA : résidu atmosphérique (fraction d'hydrocarbures lourds généralement d'origine pétrolière dont la température d'ébullition est habituellement supérieure à 350 oC)
RLB : réacteur en lit bouillonnant (étape cœur de la liquéfaction directe)
RSV : résidu sous vide (fraction d'hydrocarbures très lourds généralement d'origine pétrolière dont la température d'ébullition est habituellement supérieure à 550 oC)
SBCR : procédé Fischer-Tropsch à basse température et avec réacteur en slurry (Slurry Bubble Column Reactor )
Slurry : mélange de liquides et de solides. Dans le procédé de liquéfaction du charbon, le mélange poudre de charbon + eau, ou le mélange particules de catalyseur + solvant sont des slurries
SRC 1 et SRC 2 : procédés Gulf Oil pour la liquéfaction directe.
VI : indice de viscosité, utilisé pour caractériser les huiles lubrifiantes. Un indice élevé signifie que la viscosité de l'huile varie peu avec la température du moteur, gage de qualité
Les premières utilisations du charbon liquéfié datent du début du XXe siècle. Dès l'origine, les développements technologiques relatifs à la liquéfaction du charbon se sont basés sur deux voies de conception radicalement différentes, que l'on retrouve aujourd'hui :
-
une voie dite « directe », s'appuyant sur les travaux de Bergius entre 1910 et 1927 en Allemagne ;
-
une voie dite « indirecte », basée sur les travaux de deux chimistes, eux aussi allemands, Hans Fischer et Franz Tropsch (brevet BASF de 1913). Ils réussissent dès 1922 à produire un mélange d'alcools, d'aldéhydes, d'acides gras et d'hydrocarbures en passant par un produit intermédiaire, mélange H2 + CO appelé « gaz de synthèse », suivi d'une étape de synthèse sur catalyseur au fer.
La première application industrielle à grande échelle de la liquéfaction du charbon est réalisée pendant la seconde guerre mondiale, toujours en Allemagne. Elle permettra au IIIe Reich d'alimenter la quasi-totalité des avions de la Luftwaffe (soit 600 kt/an essentiellement par le procédé direct) grâce au charbon de la Ruhr, malgré le blocus imposé par les alliés sur l'approvisionnement en pétrole.
À partir de 1955, l'Afrique du Sud, soumise elle aussi à un embargo international lié au régime d'apartheid, installe progressivement via la société Sasol une capacité de production de près de 175 000 b/j (8,8 Mt/an) selon le procédé de liquéfaction indirect, permettant au pays de couvrir plus d'un tiers de ses besoins en combustibles liquides à partir de gisements de charbons locaux.
Enfin, une première tranche de liquéfaction directe de 20 000 b/j (1,0 Mt/an) construite et opérée par le plus gros producteur Chinois de charbon, Shenhua, démarre au premier semestre 2009 en Chine (Mongolie intérieure, région d'Erdos).
b pour barils.
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Voie directe
En anglais
1. Voie indirecte
1.1 Enchaînement de procédés
La liquéfaction indirecte du charbon comprend les étapes suivantes (figure 1) :
-
préparation du charbon ;
-
production d'oxygène ;
-
gazéification à l'oxygène pur ;
-
conversion du CO en H2 (water gas shift) ;
-
purification du gaz de synthèse ;
-
synthèse de Fischer-Tropsch, FT (cœur du procédé) ;
-
hydrocraquage isomérisant HDI des paraffines longues pour aboutir à un carburant « fini » ;
-
production de l'hydrogène pur consommé par l'unité d'hydrocraquage;
-
production de l'électricité consommée par le complexe ;
-
traitement des gaz acides (procédé Claus).
Ces différentes étapes sont décrites et détaillées ci-après.
HAUT DE PAGE1.2 Principales réalisations industrielles
Fischer et Tropsch FT ont publié leurs premiers résultats en 1923, et ont reçu le prix Nobel en 1932. Dans cette publication historique, ils mettent en évidence les caractéristiques de base de cette réaction catalysée :
-
les catalyseurs au Fe, Ni et Co sont les plus actifs. Le Co conduit aux paraffines et à l'eau comme sous-produit, le Fe plutôt aux oléfines et au CO2 comme sous-produit, le Ni conduit surtout au méthane ;
-
les conditions opératoires les plus favorables à la production de produits liquides sont : pression comprise entre 7 et 30 bar et température comprise entre 200 et 350 oC.
Suite à cette découverte, d'énormes travaux ont été réalisés en Allemagne entre 1925 et 1945. La majorité des découvertes et des mises au point (catalyseurs, conditions opératoires, réacteurs, produits) datent de cette époque. En effet, entre 1935 et 1945, les besoins en carburants et produits chimiques de l'économie de guerre étant très grands, la synthèse FT permit d'obtenir une grande variété de produits de façon indépendante du pétrole, à partir du charbon. Des unités industrielles voient...
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Voie indirecte
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HIGMAN (C.), VAN DER BURGT (M.) - Gasification. - 2nd Edition, Burlington (Mass.), Gulf professional (2008).
-
(2) - STEINBERG (A.), DRY (M.) - Fischer-Tropsch technology. - Studies in Surface Science and catalysis, 152, Amsterdam, Elsevier (2004).
-
(3) - JEC Eucar Concawe - Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context. - WTW Report, version 2c, mars 2007.
-
(4) - * - World Congress « Coal to Liquid Conference », Paris (2008).
-
(5) - KALAYDJIAN (F.) , CORNOT-GANDOLPHE (S.) - La nouvelle donne du charbon - . http://www.fischer-tropsch.org
-
(6) - ROBERT (H.W.), ERIC (D.L.) - A comparison of direct and indirect liquefaction technologies for making fluid fuels from coal - (PDF). Energy for Sustainable Development VII : 103-129, déc. 2003 http://www.ieiglobal.org/ESDVol7No4/dclversussicl.pdf
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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1 Sites Internet
-
2 Événements
-
3 Performances économiques de la filière CTL
-
4 Brevets
-
5 Annuaire
- 5.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs – Bailleurs de licence (liste non exhaustive)
- 5.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
- 5.3 Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)
- 5.4 Laboratoires – Bureaux d"études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
World Coal Institute http://www.worldcoal.org/home/
HAUT DE PAGE
Congrès World CTL http://www.world-ctl2010.com
HAUT DE PAGE3 Performances économiques de la filière CTL
Les performances économiques de la filière CTL sont étroitement liées au cours du charbon, qui reste bon marché par rapport aux autres sources d'énergie,...
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