Qu'est-ce qu'un synfuel?

Cette usine de charbon-liquide en Afrique du Sud est la plus grande installation de combustibles synthétiques au monde. C'est aussi le plus grand émetteur de dioxyde de carbone de la planète. Per-Anders Pettersson / Getty Images

Les discussions sur l'indépendance énergétique, les énergies renouvelables et les dangers des émissions de carbone sont devenues une grande partie du discours politique aux États-Unis. Tout le monde, du président au gars tenant le signe «pas de guerre pour le pétrole» lors d'une manifestation publique, semble intéressé par les moyens de trouver des alternatives aux combustibles fossiles. Mais tous les substituts ne sont pas créés égaux. Certains sont meilleurs pour l'environnement; certains ne le sont pas. Certains sont des sources d'énergie renouvelables; certains ne le sont pas. Carburants synthétiques, alias synfuels, ne sont que l'une des nombreuses solutions sur la table pour résoudre la crise énergétique en développement.

Dans ce cas, cependant, le terme «synthétique» peut être trompeur. Cela ne signifie pas nécessairement que les carburants ne sont pas naturels ou artificiels. L'Energy Information Administration des États-Unis définit un combustible synthétique comme tout combustible "produit à partir de charbon, de gaz naturel ou de biomasse matières premières par conversion chimique "[source: US Energy Information Administration]. Cette conversion crée des substances chimiquement identiques au pétrole brut ou aux combustibles transformés, mais qui ont été synthétisées par des moyens artificiels. Le pétrole brut conventionnel se trouve naturellement dans l'environnement et est utilisé pour produire une variété de carburants comme l'essence et le diesel. Les matières premières synthétiques, les matières premières utilisées pour fabriquer les carburants synthétiques, doivent être soumises à d'intenses changements chimiques et physiques pour être utilisables comme pétrole brut ou comme carburant transformé.

L'histoire des carburants synthétiques remonte plus loin que vous ne le pensez, bien que la recherche et le développement aient atteint un sommet ces dernières années. Synfuels a été étudié pour la première fois en Allemagne dans le 1923, lorsque deux scientifiques ont développé un processus appelé le Réaction de Fischer-Tropsch. Le processus, qu'ils ont nommé pour eux-mêmes, consiste à convertir le gaz en combustibles liquides. Bien qu'il existe des alternatives au procédé Fischer-Tropsch, c'est la méthode la plus testée et la plus largement utilisée pour créer des carburants synthétiques aujourd'hui..

Historiquement, les carburants synthétiques ont d'abord été largement utilisés pour alimenter les véhicules militaires pendant la Seconde Guerre mondiale en Allemagne. Les réserves pétrolières limitées parmi les puissances de l'Axe ont fait des options synthétiques une alternative nécessaire [source: Becker]. Dans les années 1970, les carburants synthétiques ont fait l'objet de nombreuses recherches aux États-Unis au milieu de pénuries de pétrole généralisées. Cette recherche a finalement chuté, mais a connu un autre pic récemment, les préoccupations concernant l'indépendance énergétique et la durabilité étant devenues des points de discussion politiques importants. D'autres pays ont utilisé plus largement les carburants synthétiques. Par exemple, en Afrique du Sud, les carburants synthétiques fabriqués à partir de charbon et de gaz naturel constituent un élément important de l'économie pétrolière depuis 30 ans..

Pour en savoir plus sur les différents types de carburants synthétiques et comment chacun est produit, lisez la suite.

Les sables bitumineux contiennent une forme de pétrole qui est extraite par l'exploitation à ciel ouvert. Véronique de Viguerie / Getty Images

Pour comprendre comment diverses matières premières peuvent être converties en carburants synthétiques liquides, vous devez d'abord comprendre comment fonctionne le carburant. Le pétrole et les produits comme l'essence à base de pétrole sont constitués de longues chaînes de molécules organiques appelées hydrocarbures (car elles contiennent de l'hydrogène et du carbone). Lorsque ces hydrocarbures sont brûlés, ils se décomposent et libèrent de l'énergie, qui est utilisée pour alimenter les moteurs des voitures, des camions, des avions, etc. La plupart des matières organiques, y compris le pétrole, le charbon, le gaz naturel, les déchets d'usine et les eaux usées, contiennent des hydrocarbures. Les moteurs d'aujourd'hui ont été conçus pour fonctionner avec des carburants dérivés du pétrole comme l'essence. Pour que les carburants synthétiques fonctionnent dans ces moteurs, leurs hydrocarbures doivent être restructurés afin qu'ils ressemblent aux hydrocarbures trouvés dans le pétrole et les produits pétroliers.

Il existe essentiellement deux catégories de carburants synthétiques, huiles brutes synthétiques (syncrude), et Liquides Fischer-Tropsch.La première catégorie comprend les matières premières et les procédés utilisés pour produire syncrude, ou du pétrole brut synthétique. Le pétrole brut synthétique peut être utilisé aux mêmes fins que le pétrole brut conventionnel. Il est utilisé comme matière première. Comme le pétrole brut conventionnel, le syncrude doit être raffiné et traité pour fabriquer les diverses formes de carburants commerciaux à base de pétrole comme le diesel, l'essence et le kérosène..

Les trois sources de syncrude les plus populaires sont huile extra-lourde, schiste bitumineux et sables bitumineux. Chacun de ces matériaux se présente naturellement comme l'huile conventionnelle, mais ils ont des propriétés physiques et des quantités d'impuretés différentes. Par exemple, le schiste bitumineux est une roche et les sables bitumineux sont un mélange goudronneux de sable et de substance contenant du pétrole bitume. Ces matières premières synthétisées sont exposées à divers niveaux de chaleur, de pression et de manipulation physique pour produire une substance avec le même arrangement d'hydrocarbures que le pétrole brut naturel..

Le traitement des matières premières syncrude a tendance à nuire à l'environnement. Comme ils nécessitent plus de traitement que le pétrole brut, ils créent plus de CO₂ émissions et autres polluants [source: Département américain de l'intérieur]. En outre, la collecte de la matière première implique souvent des pratiques environnementales néfastes comme l'exploitation à ciel ouvert. L'un des avantages des carburants de synthèse comme alternative au pétrole est que le monde contient d'importantes réserves inexploitées de pétrole extra-lourd, de schiste bitumineux et de sables bitumineux. Bien sûr, comme le pétrole, ces ressources ne sont pas durables. Eux aussi finiront par manquer.

Lisez la suite pour en savoir plus sur la production des carburants synthétiques Fischer-Tropsch.

Le deuxième type de carburants synthétiques, communément appelés liquides Fischer-Tropsch, utilise une matière première qui peut être convertie directement en carburants liquides commercialement viables, en sautant essentiellement l'étape de syncrude. Les matières premières les plus couramment utilisées pour produire les carburants synthétiques Fischer-Tropsch comprennent gaz naturel, charbon et la biomasse (végétaux et déchets végétaux). Dans la synthèse F-T, la matière première est soumise à une chaleur très élevée - 1 900 degrés Fahrenheit (1037,7 degrés Celsius) ou plus - et à une pression pour produire un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène appelé gaz de synthèse (ou gaz de synthèse) [source: Van Bibber]. Cette étape du processus rend les carburants liquides Fischer-Tropsch beaucoup plus propres que les carburants produits à partir de brut ou de syncrude. Les impuretés comme les métaux lourds peuvent être facilement éliminées du gazéificateur une fois le gaz de synthèse filtré. Les gaz comme le carbone et le soufre peuvent être filtrés afin qu'ils ne deviennent pas des polluants lorsque le carburant brûle.

Ensuite, le gaz de synthèse est condensé sous forme liquide. De nouveau soumis à une chaleur et une pression élevées, un catalyseur est introduit dans le procédé, généralement un composé contenant soit du fer, soit du cobalt. Le catalyseur déclenche une réaction chimique entre l'hydrogène et le monoxyde de carbone, créant de longues chaînes d'hydrocarbures. Différents catalyseurs peuvent produire différentes structures d'hydrocarbures. Ces hydrocarbures sont ensuite refroidis et condensés sous forme liquide, et filtrés. En plus des formes synthétiques de carburant diesel ou d'essence, la synthèse Fischer-Tropsch peut produire des lubrifiants industriels, du kérosène et d'autres produits.

Par rapport aux produits syncrude, les liquides Fischer-Tropsch brûlent beaucoup plus proprement. Ces carburants synthétiques n'ont pratiquement pas d'émissions de particules, contiennent moins d'oxyde d'azote que les carburants traditionnels et moins d'émissions de monoxyde de carbone [source: U.S. Environmental Protection Agency]. Bien sûr, les carburants synthétiques qui utilisent des ressources renouvelables comme matière première (comme la biomasse) sont meilleurs pour l'environnement à long terme que ceux qui utilisent des carburants fossiles comme matière première..

Le gouvernement américain a un intérêt direct dans les carburants synthétiques, car il a un accès abondant à des matières premières telles que le charbon, le gaz naturel et les déchets d'usine. Si l'on prend en compte une seule variété de combustibles synthétiques, on estime à 1,3 gigatonnes de biomasse inutilisée aux États-Unis qui pourraient être utilisées pour produire des combustibles synthétiques [source: Coal-to-Liquids Coalition]. Ainsi, l'armée américaine et d'autres agences gouvernementales se sont efforcées de rechercher des carburants ces dernières années. D'autres pays comme la Chine et l'Allemagne ont également fait des investissements récents dans l'exploration de la technologie synfuel [Source: U.S. Energy Information Administration]. Bien que la technologie des carburants synthétiques soit prometteuse, sa production coûte beaucoup plus cher que l'essence à partir du pétrole. Ainsi, il ne remplacera probablement pas le pétrole à moins que les prix du pétrole n'augmentent considérablement.

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• Documents du Laboratoire national des énergies renouvelables
• Archives Fischer-Tropsch
• Département américain de l'énergie, Centre de données sur les carburants alternatifs

Sources

• Becker, Peter W. "Le rôle du carburant synthétique dans l'Allemagne de la Seconde Guerre mondiale. Implications pour aujourd'hui?" Revue de l'Université de l'air. Juillet-août 1981. (10 décembre 2010) http://www.airpower.maxwell.af.mil/airchronicles/aureview/1981/jul-aug/becker.htm
• Coalition du charbon aux liquides. «Processus de production de carburants synthétiques». (10 décembre 2010) http://www.futurecoalfuels.org/documents/022208_synth_fuels_production_sheet.pdf
• Bureau du gouverneur du Montana. "Questions fréquemment posées sur le carburant synthétique." (10 décembre 2010) http://governor.mt.gov/hottopics/faqsynthetic.asp
• Schubert, Paul. «Développement du procédé Fischer-Tropsch moderne». Archives Fischer-Tropsch. 29 août 2001 (10 décembre 2010) http://www.fischer-tropsch.org/primary_documents/presentations/acs2001_chicago/chic_slide10.htm
• Speight, James G. «Manuel des carburants synthétiques». McGraw-Hill. 2008.
• Société des carburants synthétiques. «Production de carburant synthétique». (10 décembre 2010) http://syntheticfuelscorp.com/html/synthetic_fuel.html
• Département de l'énergie des États-Unis. «Le processus Fischer-Tropsch». Centre de données sur les carburants alternatifs et les véhicules avancés. (10 décembre 2010) http://www.afdc.energy.gov/afdc/fuels/emerging_diesel_process.html
• Département de l'énergie des États-Unis Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory. «Fischer-Tropsch Fuels». Avril 2008. (10 décembre 2010) http://www.netl.doe.gov/publications/factsheets/rd/R&D089.pdf
• * Département de l'intérieur des États-Unis, Bureau of Land Management. «About Oil Shale». Étude d'impact environnemental programmatique des schistes bitumineux et des sables bitumineux. (10 décembre 2010) http://ostseis.anl.gov/guide/oilshale/
• * Département de l'intérieur des États-Unis, Bureau of Land Management. «About Tar Sands». Étude d'impact environnemental programmatique des schistes bitumineux et des sables bitumineux. (10 décembre 2010) http://ostseis.anl.gov/guide/tarsands/index.cfm
• Administration des informations énergétiques des États-Unis. «Annual Energy Outlook 2006: Issues in Focus». 14 février 2006. (10 décembre 2010) http://www.eia.doe.gov/oiaf/archive/aeo06/pdf/issues.pdf
• Agence de protection de l'environnement des États-Unis. «Carburants alternatifs propres: Fischer-Tropsch». Mars 2002. (10 décembre 2010) http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/epa_fischer.pdf
• Van Bibber, Lawrence. «Évaluation technique et économique de base d'une installation de liquides Fischer-Tropsch à l'échelle commerciale». Laboratoire national de technologie énergétique, Département américain de l'énergie. 9 avril 2007. (10 décembre 2010) http://www.netl.doe.gov/energy-analyses/pubs/Baseline%20Technical%20and%20Economic%20Assessment%20of%20a%20Commercial%20S.pdf