Le sujet de l’énergie est une priorité pour nous depuis que le premier de nos ancêtres est descendu des arbres à la recherche de quelque chose à manger qui ne les mangerait pas. Mais dans un monde où la lutte sans fin pour l’énergie a été réduite à une simple pression du doigt sur un interrupteur ou un thermostat, grâce aux forces géopolitiques, beaucoup d’entre nous font maintenant face à la colère de l’hiver avec une vision complètement différente de ce qu’il faut pour rester au chaud.
Le problème n’est pas nécessairement que nous n’avons pas assez d’énergie, c’est plutôt que ce que nous avons n’est ni uniformément réparti ni facilement obtenu. Déplacer l’énergie de l’endroit où elle est produite à l’endroit où elle est nécessaire est rarement une tâche simple et pose souvent des défis d’ingénierie importants et intéressants. Cela est particulièrement vrai pour les sources d’énergie qui ne sont pas très puissantes dans un petit espace, comme le gaz naturel. Le faire traverser un continent est déjà assez difficile; le faire traverser un océan est une tout autre chose, et c’est là que le gaz naturel liquéfié, ou GNL, entre en jeu.
Liquéfaction
Avant de commencer à examiner comment le GNL est fabriqué, il est préférable de commencer par se demander pourquoi nous avons même besoin de GNL en premier lieu. Après tout, nous disposons d’une infrastructure de pipelines incroyablement complexe, couvrant tout le continent, optimisée pour le transport en vrac de gaz naturel sur de longues distances. Pourquoi s’embêter à passer par tous les efforts et les dépenses de liquéfaction du gaz naturel ?
En un mot : les océans. Ces vastes réseaux de pipelines s’arrêtent à peu près au bord de l’eau, et bien qu’il existe certainement des gazoducs sous-marins, les événements récents nous ont montré à quel point ceux-ci peuvent être vulnérables. Ainsi, l’expédition de gaz naturel par voie maritime est devenue un moyen nécessaire pour déplacer l’énergie d’un point A à un point B. Et pour le faire efficacement, vous devez réduire considérablement son volume. Transformer le gaz naturel en liquide fait exactement cela : il augmente sa densité 600 fois, ce qui permet de l’expédier en vrac.
La matière première du gaz naturel liquéfié est, bien entendu, le gaz naturel. Nous avons déjà couvert une bonne partie du processus de récolte et de distribution du gaz naturel, mais brièvement, le gaz naturel est un mélange d’hydrocarbures comme le méthane et l’éthane produit à partir de la décomposition de la biomasse ancienne dans les formations géologiques. En plus des hydrocarbures liquides et des contaminants comme l’azote, le dioxyde de carbone, les composés soufrés et la vapeur d’eau, le gaz s’accumule dans des réservoirs souterrains exploités par forage.
Le gaz naturel brut est transporté, sous sa pression naturelle ou à l’aide d’énormes compresseurs, via des pipelines vers des usines qui nettoient le gaz. La récupération du soufre et de l’hélium, deux éléments chimiques précieux, à partir du gaz brut est particulièrement importante, mais il est également important de nettoyer les contaminants de faible valeur comme l’eau et le CO2 du gaz naturel, car ils peuvent tous deux causer des problèmes de gel sur toute la ligne. L’eau est éliminée en faisant barboter le gaz naturel brut à travers du triéthylène glycol (TEG), une solution extrêmement hygroscopique, tandis que le CO2 est éliminé à l’aide d’un épurateur d’amines, qui expose le gaz brut acide à des solutions d’amines contenant de l’azote comme la diéthylamine (DEA), qui adsorbe le CO2. Après une purification supplémentaire, qui élimine tous les hydrocarbures plus lourds restants et les contaminants comme le mercure, qui ne se comporteront pas lorsqu’ils sont exposés à l’aluminium et à l’acier inoxydable, la charge d’alimentation en gaz naturel est d’environ 85% à 90% de méthane (CH4), le reste étant un mélange d’éthane (C2H6), propane (C3H8), et le butane (C4Hdix).
Le gaz naturel propre et sec est alors prêt pour la liquéfaction. Comme la plupart des gaz, le gaz naturel se condense en un liquide lorsque sa température descend en dessous de son point d’ébullition, qui est de -161,5 °C pour le méthane. Ainsi, pour fabriquer du GNL, un processus cryogénique à l’échelle industrielle est nécessaire. Aujourd’hui, la plupart du GNL est fabriqué avec un processus appelé C3MR, qui est un système de refroidissement progressif à double boucle. Le « C3 » fait référence au propane, un composé à trois carbones utilisé comme réfrigérant dans la boucle de pré-refroidissement. Chaque moitié du cycle est essentiellement la même que celle trouvée dans n’importe quel réfrigérateur, bien que d’une échelle très différente. Dans l’étape de pré-refroidissement, le propane liquide passe à travers une vanne de détente, ce qui provoque un changement de phase et une chute brutale de température. Le propane refroidi extrait la chaleur du gaz naturel via un échangeur de chaleur, le propane est comprimé avec un compresseur à trois étages et la chaleur est évacuée via un condenseur afin que le cycle puisse recommencer.
Après pré-refroidissement, le gaz naturel est à environ -33°C — froid, mais pas assez froid. Le gaz refroidi entre maintenant dans la boucle «MR» ou «mélange de réfrigérants», avec un mélange de propane, de pentane, de méthane et d’éthylène utilisé. Encore une fois, le cycle thermique est familier, mais l’échelle est encore plus massive – les échangeurs de chaleur de type serpentin utilisés dans certaines boucles MR peuvent avoir des milliers de kilomètres de tubes enroulés à l’intérieur, avec une zone d’échange de chaleur de 40 000 mètres carrés. Il existe également des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes, qui ont plusieurs couches d’ailettes ondulées prises en sandwich entre des plaques plates en aluminium. Les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes sont installés dans des enceintes remplies d’isolant appelées boîtes froides. Les deux types d’échangeurs de chaleur sont généralement déployés dans des ensembles parallèles appelés trains pour obtenir un débit et une redondance massifs.
Après la boucle MR, le gaz naturel est tombé à environ -160°C et est maintenant un liquide incolore, inodore et non toxique. L’apport d’énergie pour arriver à ce point a été considérable – quelque chose comme 13 kilowatts pour produire une seule tonne de GNL. en 2023, la capacité mondiale de liquéfaction était de plus de 450 millions de tonnes par an, avec plus de capacité encore en construction.
Stockage et transport
Mais toute cette production ne veut rien dire sans un endroit où mettre tout ce GNL. La nature cryogénique du GNL présente certains défis techniques. Bien qu’il ne soit pas aussi froid que l’azote liquide ou l’oxygène, le GNL peut néanmoins fragiliser l’acier, c’est pourquoi des alliages spéciaux d’acier inoxydable sont utilisés pour les tuyauteries et les réservoirs de GNL. Les réservoirs de stockage, qui sont utilisés pour conserver temporairement le GNL entre la production et l’expédition, doivent également être soigneusement conçus. Ces réservoirs sont souvent construits partiellement ou même entièrement souterrains ; alors que le sous-sol fournit une isolation qui réduit le transfert de chaleur dans le GNL, le froid peut geler les eaux souterraines et provoquer un soulèvement par le gel sous les réservoirs. Les réservoirs de stockage doivent également permettre une certaine évaporation du GNL, le gaz naturel résultant étant soit capturé et vendu par des canaux de distribution réguliers, soit renvoyé au début du processus et liquéfié.
Transporter du GNL d’un endroit à un autre est le travail de méthaniers spécialisés, des navires massifs spécialement conçus pour transporter en toute sécurité et efficacement autant de GNL que possible. Bien que la conception des navires varie, la plupart des quelque 550 navires de la flotte de GNL utilisent ce qu’on appelle des « réservoirs de mousse », des sphères géantes qui se dressent au-dessus du pont. La plupart des navires ont quatre ou cinq de ces réservoirs fortement isolés ; si leur forme sphérique n’est pas très efficace pour utiliser tout le volume de la coque du navire, elle élimine le risque de ballottement de la cargaison. De nouveaux transporteurs de GNL « prismatiques » sont en cours de conception, avec des citernes à cargaison qui remplissent plus complètement l’espace de la coque. Les réservoirs sont doublés d’une membrane isolée en acier inoxydable à haute teneur en nickel ou en alliage d’invar, ce qui réduit la dilatation et la contraction thermiques. Les plus gros pétroliers peuvent contenir plus de 250 000 mètres cubes de GNL.
En raison de la nature dangereuse de leur cargaison, les méthaniers doivent être construits dans un souci de sécurité. Quelle que soit la qualité de l’isolation de la citerne, il y aura inévitablement une certaine évaporation de la cargaison pendant le transport. De nombreux pétroliers exploitent ce gaz et l’utilisent comme carburant. Les navires disposent également de systèmes de surveillance étendus pour détecter les fuites ; contrairement au gaz naturel qui est acheminé vers les maisons et les entreprises, le GNL ne contient pas de méthylmercaptan odorant. Ainsi, des capteurs de méthane sont situés dans presque tous les espaces d’un méthanier.
Regazéification
Une fois qu’une cargaison de GNL arrive à destination, elle doit être retransformée en gaz avant d’être utilisée. Le processus de regazéification est fondamentalement l’opposé de la liquéfaction, le GNL étant légèrement chauffé au-dessus du point d’ébullition. Étant donné que le GNL est transporté juste en dessous de son point d’ébullition, il ne faut pas beaucoup de changement de température pour forcer la transition de phase. Mais cela ne signifie pas que c’est un processus simple.
La regazéification peut se produire soit dans des usines situées à côté d’installations portuaires spécialement conçues pour accueillir des méthaniers, soit au moyen d’unités flottantes de stockage et de regazéification, ou FSRU. Les FSRU ressemblent beaucoup aux méthaniers et possèdent une grande partie des mêmes équipements, y compris des réservoirs de stockage sphériques de type éther Moss ou des réservoirs prismatiques. Les FSRU sont également équipés d’une usine de regazéification, qui extrait le GNL de ses réservoirs de stockage, le fait passer à travers des échangeurs de chaleur et achemine le gaz naturel évaporé vers le rivage via des pipelines immergés. L’avantage des FSRU par rapport aux usines de regazéification à terre est la polyvalence – il n’est pas nécessaire d’attendre des marées favorables pour qu’un méthanier accoste, de sorte que le déchargement peut se produire à chaque arrivée du navire.
Qu’elle soit terrestre ou flottante, la chaleur nécessaire à la regazéification provient de diverses sources. De nombreuses usines utilisent des vaporisateurs, qui chauffent le GNL en soufflant de l’air à température ambiante sur des échangeurs de chaleur avec des ventilateurs géants. Parfois, l’eau de mer est utilisée comme fluide caloporteur, avec de l’eau à température ambiante pulvérisée sur les serpentins de l’échangeur de chaleur. Lorsque les températures ambiantes sont plus basses, certains regazéificateurs utiliseront des vaporisateurs à combustion submergés (SCV), qui ont des brûleurs immergés dans de grandes cuves d’eau. Les gaz d’échappement des brûleurs chauffent l’eau, qui à son tour chauffe le GNL lors de son passage dans les serpentins du réservoir. Les VCS sont généralement alimentés par du gaz naturel prélevé à la sortie.
Une fois que le gaz naturel est revenu dans sa phase gazeuse, il est prêt à entrer dans le système de distribution local. Les exploitants de pipelines font généralement fonctionner leurs systèmes de distribution à 30-80 bar (3 000-8 000 kPa), de sorte que la sortie de l’usine de regazéification doit correspondre à cette spécification. Plutôt que de comprimer le gaz en sortie du regazéificateur, il s’avère plus simple et plus efficace de pressuriser le GNL en entrée à l’aide de pompes. L’exploitant du pipeline effectuera généralement des tests de contrôle de la qualité sur un lot de GNL avant de le livrer à ses clients, et ajoutera bien sûr l’odorant méthylmercaptan requis.
La chaîne d’approvisionnement en GNL est assez complexe, mais étonnamment économe en énergie. La majeure partie de l’énergie va dans la liquéfaction et le transport, avec seulement un peu d’énergie nécessaire pour repousser le liquide cryogénique dans un gaz. En termes d’infrastructure, il y en a certainement beaucoup aux deux extrémités de la chaîne d’approvisionnement. Mais dans la plupart des cas, le système GNL est le moyen le plus efficace de transporter l’énergie chimique sur de grandes distances.
[Featured images: Moss-type LNG tanker Arctic Princess. Source: JoachimKohlerBremen, CC BY-SA 4.0.]
