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Désulfurer les carburants

Par publié le à 00h00

- Super ou gazole, le soufre est l'ennemi numéro 1. Le raffinage s'adapte mais touche à ses limites.

Moteurs et carburants ont bien évolué en quinze ans. À tel point qu'ils constituent un couple indissociable : les carburants sont très fine-ment adaptés aux moteurs. L'exemple extrême se trouve en formule 1 : les chimistes parviennent à gagner jusqu'à 40 chevaux, soit presque 5 % de la puissance, en dosant très précisément le cocktail de plus de 200 molécules différentes pour ajuster la volatilité, améliorer l'inflammation, sans oublier quelques additifs.

Le moteur de Monsieur Tout-le-monde n'est pas à ce niveau et les préoccupations du raffineur sont claires : fournir un carburant qui répond aux spécifications des motoristes (indice d'octane ou de cétane, courbe de distillation, volatilité) aux normes antipollution dans un contexte économique donné avec une ressource (le brut) fluctuante en qualité.

Aussi bien du côté moteur que du côté raffinage, les choses évoluent lentement : la durée de vie d'un bloc moteur est de l'ordre de la décennie. Investir lourdement dans une raffinerie prend environ cinq ans mais est fait pour trente. Il y a eu consensus industriel pour les normes européennes. Des deux côtés l'évolution est gérée sans rupture.

Des technologies déjà existantes

La qualité du carburant influe à deux niveaux : l'émission de dioxyde de soufre d'une part et, d'autre part, sur d'autres polluants comme les oxydes d'azote, les imbrûlés et les particules. Les atomes de soufre entrant dans le moteur ressortent sous forme de dioxyde de soufre et de sulfate (une partie des poussières). Seul remède : réduire au maximum la teneur en soufre du carburant. Le moteur, lui, n'y peut rien.

Pour les autres polluants, l'action est plus subtile car il s'agit de créer un carburant qui brûle, bien sûr, toute la plage de fonctionnement du moteur, y compris à froid, et qui ne comporte pas (ou pas trop) de précurseurs de molécules polluantes (réduction des aromatiques). Pour ces polluants, le régime de combustion ainsi que le réglage du moteur pèsent davantage que la composition du carburant, et le salut ultime se trouve dans le post-traitement des gaz.

D'ici à dix ans, il n'y aura pas de révolution dans le raffinage et la formulation des carburants. « Les procédés ont été développés ou sont en cours de développement ; certains sont en place d'autres en projets d'installation », indique Xavier Montagne, chef du département carburants, lubrifiants, émissions de l'IFP. Les principaux défis technologiques des motorisations et des législations prévues sont donc relevés. Durcir encore certaines spécifications pourrait aussi conduire à des impasses technologiques. Aller au-delà conduirait d'une certaine manière à sortir de la logique pétrolière actuelle.

Concernant le soufre, Jean-Claude Company, directeur du raffinage de Total, estime qu'à 10 ppm, on a atteint le niveau zéro : « 10 ppm de soufre, soit 10 g par tonne de carburant, cela représente environ 50 g de soufre émis par une voiture consommant 8 l/100 km sur 100 000 km. C'est faible comparé à d'autres sources d'émissions. Nous savons aujourd'hui désulfurer les carburants à ce niveau. » Il ne faut pas se tromper sur les raisons de cette exigence : « Cette baisse du soufre est rendue nécessaire en raison des systèmes de post-traitement avancés qui équiperont prochainement les véhicules ; leur fonctionnement se dégrade en présence de soufre dans l'échappement », précise Xavier Montagne.

De son côté, Philippe Doligez directeur de la raffinerie Total de Feyzin indique : « Le passage à 10 ppm ne se fera pas du jour au lendemain le 1er janvier 2009, d'une part parce que l'Union européenne souhaite, après 2005, qu'une part significative des carburants passe en 10 ppm et que, d'autre part, il y a tout le rinçage de la logistique (pipe, réservoirs) à réaliser. »

Une évolution différente suivant les raffineries

L'essence est obtenue par mélange de différentes coupes issues du reformage, de l'alkylation et du craquage catalytique. Seule cette dernière fraction (35 à 40 % du pool essence) contient du soufre (200 à 400 ppm) qu'il faut éliminer par hydrodésulfuration. Les composés soufrés, qui sont nombreux et variés) sont transformés par l'hydrogène sous pression en hydrocarbure et en hydrogène sulfuré. Plusieurs procédés existent (Prime G d'Axens, Scat Fining d'Exxon, etc.). L'opération a son revers car elle fait baisser l'indice d'octane qu'il faut compenser par une nouvelle opération. Cette solution répandue n'est pas la seule, d'autres schémas sont possibles comme à la raffinerie de Feyzin (voir encadré p. 58).

Le même problème se pose pour le gazole ; il est issu, comme le fuel-oil domestique, de différents procédés. De ce pool gazole sortent la qualité moteur, et la qualité pour les engins de traction et le chauffage domestique (à 0,2 % de soufre). Une partie est donc désulfurée par hydrotraitement sous pression à chaud. Pour accroître la quantité de gazole, on peut faire de l'hydrocraquage qui fournit un gazole de qualité (indice de cétane 65 et quasiment pas soufré), mais cela demande une unité d'hydrogène et un investissement élevé de l'ordre de 450 millions d'euros, un facteur dix par rapport aux procédés sous pression.

Comment se fera cette introduction de carburant sans soufre sur le territoire et à quel rythme ? D'ici à 2009, les compagnies ont le choix. Elles procéderont en fonction de l'évolution de chaque raffinerie, toutes n'ayant pas le même calendrier. Maintenir cette teneur tout au long de la chaîne logistique représente également un réel défi du point de vue de la traçabilité des produits et sur l'utilisation des conduites et des réservoirs.

Autre problème, la teneur en aromatiques des essences. Elle doit passer de 42 à 35 % début 2005 (depuis 2000 le benzène est limité à 1 % car toxique et cancérigène). Raison de cette baisse : ils sont des précurseurs d'aromatiques et de benzène dans les gaz d'échappement. Là encore il existe des procédés pour modifier ces molécules, mais tout traitement supplémentaire grève les coûts et... participe à la pollution du simple fait de la consommation d'énergie. Mais réduire la teneur en aromatiques, c'est aussi baisser l'indice d'octane. Heureusement, l'addition autorisée d'ETBE (éthyltertiobutyléther) vient opportunément compenser ce manque.

Biocarburants : pas de problèmes techniques

On touche là aux limites de ce que l'on sait faire de manière traditionnelle. En effet, le pétrole est un produit minier. Derrière, le raffineur fait avec ce qu'il a : il trie (distillation), il modifie plus ou moins (craquage, reformage, etc.), mais il ne synthétise pas. « La rentabilité d'une raffinerie tient de plus en plus à sa capacité à sortir, à partir de bruts de nature variable, des produits dont les spécifications ne cessent de se durcir. Et cela dans un marché européen où la diésélisation croît. La France est excédentaire en essence (export) et déficitaire en gazole (un tiers est importé) et cette proportion n'est pas beaucoup modifiable » insiste Jean-Claude Company.

Dernière grande question, les biocarburants. L'Europe veut accroître leur utilisation (5,75 % des carburants en 2010) pour réduire le gaz carbonique. Là encore, pas de problème technique. Pour les moteurs à allumage commandé, la solution vient de l'incorporation d'éthanol soit en l'état, soit sous forme d'éther. Mais l'éthanol rend l'essence plus sensible à l'eau et accroît la tension de vapeur, ce qui passe en hiver mais moins en été. Le raffineur doit donc jouer sur ses mélanges. En outre, de gros stockage d'éthanol conduisent à des contraintes d'exploitation. Du coup, l'adjonction d'éthanol sous forme d'éther ETBE reste la solution la plus satisfaisante et représente un apport d'octane substantiel. La limite permise de 15 % d'ETBE étant loin d'être atteinte, pour cause de quotas d'éthanol agricole.

Des recherches encore très spéculatives

La situation est comparable pour le gazole. Il est préférable d'estérifier les huiles végétales par le méthanol ou l'éthanol pour obtenir des produits stables (un diesel HDI est fragile). On parle d'EMHV (ester méthylique d'huile végétale) ou d'EMC (ester méthylique de colza). Plusieurs procédés existent, notamment celui de l'IFP Esterfip-H qui vient d'être retenu pour le projet de Diester Industrie, à Sète, qui produira 160 kt/an fin 2005.

La convergence entre diesel et moteur essence, qui conduirait à un carburant unique, reste encore très spéculative. L'impact réel des technologies HCCI, CAI, l'injection à très haute pression... (voir page 60) sur les futurs carburants n'est pas encore connu. Quant aux carburants de synthèse à partir de gaz naturel, voire de charbon, c'est envisageable, mais on ne se situe plus dans la même gamme de prix.

LES EXIGENCES

Gazole - Soufre : 50 ppm en 2005, 10 ppm en 2009 Teneur en polyaromatiques : 11 % en masse stable entre 2000 et 2009 Essence - Soufre : 50 ppm en 2005, 10 ppm en 2009 Teneur en aromatiques : de 42 % en 2000 à 35 % en 2005

LES SOLUTIONS

Soufre - Hydrodésulfuration par action de l'hydrogène à chaud 350 °C et sous pression 50 à 100 bar et plus avec catalyseur. - Possibilité d'extraction liquide-liquide dans certains cas. Polyaromatiques - Hydrotraitement par action à chaud de l'hydrogène sous pression avec catalyseur. Aromatiques - Leur teneur est ajustée par mélange. - Extraction liquide-liquide dans certains cas.

QU'EST-CE QU'UN CARBURANT ?

C'est un produit de formulation, c'est-à-dire de mélange de produits chimiques dosés pour... - Répondre à des propriétés fonctionnelles : pouvoir calorifique et courbe de distillation, indice d'octane ou de cétane pour ce qui est de la combustion. - Ne pas endommager ni encrasser les circuits, d'où la présence d'additifs. - Le gazole, en outre, ne doit pas figer à froid, ni mousser lors du remplissage, ni sentir mauvais.

FEYZIN : UNE RAFFINERIE TRÈS PARTICULIÈRE

Raffinerie de taille moyenne (capacité 6 Mt/an), située à l'intérieur des terres et sans espoir d'extension vu sa situation géographique, cette unité de Total sait tirer parti de sa situation. « Ici, nous passerons directement d'une essence à 150 ppm de soufre, à 10 ppm. Nous avons déjà un débouché avec la Suisse, explique Philippe Doligez directeur de la raffinerie. Comme le site dispose d'un vapocraqueur pour la pétrochimie, l'essence issue du craqueur catalytique est fractionnée en une partie lourde qui sert de charge au vapocraqueur à la place du naphta, et une autre très légère sur laquelle nous réalisons une extraction par solvant des composés soufrés. C'est un schéma original qui présente deux avantages : un investissement moindre que la classique hydrodésulfuration sous pression, et une réduction de notre production d'essence de 180 kt/an ce qui nous arrange car celle-ci est excédentaire en France. » Du gazole à 10 ppm pour 2007 Côté gazole, Feyzin se distingue également. Le site a amélioré sa désulfuration dès 2002 pour produire du gazole à 50 ppm de soufre. Un projet est en cours, pour 2007, d'en produire à 10 ppm. Pour retirer le soufre il faut utiliser de l'hydrogène sous pression : « Ici, elle sera limitée à 55 bar, ce qui a l'avantage de ne pas accroître les cercles de danger », précise Philippe Doligez.

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