Le raffinage du pétrole et du gaz

Étape incontournable avant la commercialisation des hydrocarbures, le raffinage permet de transformer le brut en une palette de produits pétroliers répondant aux besoins des consommateurs et des industriels. Il consiste en une série d'opérations qui visent à améliorer les caractéristiques et la qualité du pétrole brut.

Le raffinage.
© Keblow

Pourquoi doit-on raffiner le pétrole avant de l'utiliser ?

L'essence ou le gazole que l'on met dans sa voiture, le fioul que l'on brûle pour se chauffer en hiver, le gaz naturel que l'on utilise pour cuisiner, sont autant de sources d'énergie issues des gisements pétroliers et gaziers.

Le raffinage purifie le pétrole et le transforme en produits finis adaptés à divers usages.

Cependant, on n'emploie pas tels quels les produits bruts issus de l'extraction pétrolière : avant de les utiliser, il faut passer par l'étape du raffinage. Cette opération purifie le brut et le transforme en produits finis de composition variée, adaptés aux usages que l'on souhaite en faire.

On pourrait utiliser du pétrole brut au quotidien si l'on mettait au point des moteurs ou des chaudières spécifiques.

Faux. Le brut est composé de diverses molécules d'hydrocarbures plus ou moins lourdes. Selon les gisements, ces molécules sont présentes dans le pétrole brut, en proportions variables, qui définissent sa composition et sa densité.

Ainsi, il existe une multitude de bruts : certains, noirs et visqueux, comptent beaucoup de molécules lourdes ; d'autres, bruns et fluides, sont plus légers. En outre, tous contiennent une certaine quantité de gaz dissous et de produits soufrés ou acides, très corrosifs pour les métaux. Il n'est pas possible de construire une chaudière ou un moteur universel qui fonctionnerait avec tous les types de brut et qui résisterait à la corrosion, d'où la nécessité de raffiner le pétrole.

Raffiner pour répondre à la demande des consommateurs

Les besoins en produits pétroliers ont évolué depuis le milieu du XX^e siècle. Dans les pays industrialisés, le développement des transports routier et aérien s'est accéléré, d'où une demande beaucoup plus importante en produits légers (carburants). Parallèlement,
la consommation de fioul lourd a diminué parce qu'on en utilisait de moins en moins pour se chauffer ou pour produire de l'électricité, au profit d'autres sources d'énergie comme le nucléaire.

Aujourd'hui, la demande mondiale en produits pétroliers se répartit donc de la manière
suivante :

   • 40 % pour les produits légers (carburants) ;

   • 40 % pour les produits moyens (fioul, gazole) ;

   • 20 % pour les produits lourds.

Le seul pétrole non raffiné répondant à peu près à ces proportions est le brut léger du Sahara algérien. Tous les autres bruts extraits dans le monde contiennent davantage de produits lourds, qu'il faut donc convertir en produits légers avant de les mettre sur le marché. Ainsi, ces produits légers valent plus cher que le pétrole brut parce que leur prix répercute des coûts de transformation.

Pour obtenir du pétrole sous une forme adaptée aux nouveaux besoins des consommateurs et des industriels, on a dû concevoir des unités de production spécifiques où sont développées des techniques de raffinage innovantes. Ainsi, en 2009, Total a commencé à moderniser sa raffinerie de Normandie (France) pour qu'elle produise davantage de diesel, type de carburant dont la demande augmente régulièrement¹. Les pays industrialisés favorisent aussi le développement de ces nouvelles raffineries qui leur assurent une politique de raffinage indépendante répondant aux normes qu'ils ont fixées. Par exemple, en mai 2010, la Banque européenne d'investissement a accordé un prêt de 400 millions d'euros à la société Hellenic Petroleum. Ces fonds sont dédiés à la modernisation de la raffinerie grecque d'Elefsina, destinée à produire des carburants plus respectueux de l'environnement².

Les trois étapes du raffinage

Dans une raffinerie, le brut est transformé en produits finis selon un processus précis regroupant trois types d'opérations (séparation, conversion, amélioration) :

  • la première étape est celle de la séparation des molécules lourdes et des molécules légères par distillation. Ce procédé consiste à chauffer le pétrole pour qu'il s'évapore peu à peu, comme on pourrait le faire avec une casserole d'eau : avant que l'eau n'atteigne
100 °C, on observe de petites bulles de gaz dissous qui s'échappent peu à peu. À plus de
100 °C, l'eau bout et se transforme en vapeur. Au fond de la casserole, on trouve alors des résidus de sels blanchâtres, que l'on pourrait vaporiser en les chauffant à très haute température ;

  • la distillation du pétrole utilise le même principe : on le fait chauffer dans une tour de distillation de 60 mètres de haut, aussi appelée topping ou colonne de distillation atmosphérique (parce que la pression qui règne à l'intérieur est proche de celle de l'atmosphère). Lorsqu'il atteint 350 à 400 °C, le pétrole s'évapore en partie et commence à monter dans cette tour, tandis que ses molécules les plus lourdes, ou résidus, restent à la base. À mesure que les vapeurs s'élèvent, elles se condensent partiellement en liquides sous l'effet d'une baisse de température. Elles poursuivent leur ascension jusqu'en haut de la tour, où la température est de 150 °C. Là, on retrouve les dernières vapeurs non condensées sous la forme de gaz de pétrole. Sur toute la hauteur de la tour, à différents niveaux, des plateaux permettent de récupérer une dizaine de produits plus ou moins lourds nommés coupes pétrolières, depuis les bitumes (mélanges d'hydrocarbures très visqueux) jusqu'aux gaz ;

  • les résidus lourds issus de cette distillation renferment beaucoup de produits de densité moyenne. On les soumet, dans une autre colonne, à une seconde distillation qui permet de récupérer les produits moyens (fiouls lourds et gazole) ;

  • après ces opérations de séparation, il subsiste beaucoup de molécules hydrocarbures lourdes. Pour répondre à la demande en produits légers, on les casse, c'est-à-dire qu'on sépare les atomes qui les composent pour obtenir des molécules plus légères. Ce procédé de conversion, appliqué à 500 °C, est également appelé craquage catalytique car il fait intervenir un catalyseur (substance accélérant et facilitant les réactions chimiques). 75 % des produits lourds soumis à la conversion sont ainsi transformés en gaz, essence et gazole. On peut même améliorer ce résultat par des ajouts d'hydrogène (hydrocraquage) ou en employant des méthodes d'extraction du carbone pour récupérer davantage de molécules légères (conversion profonde). Ainsi, tous les hydrocarbures lourds sont convertibles en hydrocarbures légers, mais l'opération peut se révéler coûteuse et gourmande en énergie ;

  • vient ensuite une phase d'amélioration. Les produits issus de la distillation et de la conversion sont débarrassés de leurs molécules corrosives ou néfastes à l'environnement, en particulier le soufre. En effet, les normes de l'UE en matière d'émissions de soufre sont strictes : depuis 2008, le gazole contenant plus de 0,1 % de soufre ne doit pas être utilisé sur le territoire européen³. Ces mesures visent à limiter la pollution atmosphérique au soufre, gaz irritant pour l'appareil respiratoire qui contribue aussi à l'appauvrissement des sols et de la végétation. La désulfuration du gazole s'effectue à 370 °C, sous une pression de 60 bars et en présence d'hydrogène : dans ces conditions physiques, les atomes de soufre se dissocient des molécules hydrocarbures et s'associent aux atomes d'hydrogène pour former du sulfure d'hydrogène (H₂S). Ce dernier est traité pour donner du soufre liquide, réutilisé dans l'industrie. De même, le kérosène, les gaz butane et propane sont lavés à la soude.
Ce traitement, nommé adoucissement, débarrasse ces produits des mercaptans qu'ils contiennent (il s'agit de molécules d'alcool nauséabond et corrosif contenant un ou plusieurs atomes de soufre à la place des atomes d'oxygène) ;

  • enfin, avant de pouvoir proposer les essences ou les supers à la pompe, il faut augmenter leur indice d'octane, qui n'est pas assez fort pour qu'on puisse les utiliser directement dans un moteur. Cet indice renseigne sur la résistance à l'auto-inflammation d'un carburant, quantifiée au moyen d'un chiffre par rapport à 100. Si l'indice d'octane n'est pas assez élevé, l'essence aura tendance à s'auto-enflammer, provoquant à terme des dégâts à l'intérieur du moteur. Pour éviter cela, on doit hausser l'indice d'octane jusqu'à 95 ou 98, de manière à ce que l'essence soit compatible avec les moteurs des véhicules. On effectue donc un reformage catalytique. Cette réaction chimique opérée à 500 °C, sous une pression de 10 bars, utilise du platine comme catalyseur. Elle permet de restructurer le squelette des molécules hydrocarbures pour atténuer leur tendance à l'auto-allumage. Il existe aussi d'autres réactions chimiques, comme l'alkylation, qui améliorent également la résistance à l'auto-inflammation de l'essence.

Quels sont les usages des produits pétroliers raffinés ?

Chacun des produits raffinés, issus du pétrole brut, est destiné à un usage particulier :

   • les gaz butane et propane sont utilisés pour les besoins domestiques ;

   • le gaz de pétrole liquéfié (GPL) est un carburant pour les véhicules à gaz ;

   • l'essence et le gazole font rouler les véhicules automobiles ;

   • le kérosène est employé comme carburant dans l'aviation ;

   • le fioul domestique est un combustible de chauffage ;

   • les huiles servent à fabriquer des lubrifiants ;

   • le naphta est une matière première employée en pétrochimie ;

   • le bitume recouvre les routes.

Au-delà de ces caractéristiques et de ces usages basiques, chaque raffineur propose à la vente ses propres produits finis, obtenus en mélangeant divers produits et additifs. Ainsi, les compagnies pétrolières peuvent proposer à la vente une grande variété de carburants plus respectueux de l'environnement, bénéfiques pour les moteurs et leur durée de vie.

[1]Source Total
[2]Source Banque européenne d'investissement
[3]Source Europa.eu