Comment et pourquoi liquéfier le gaz : technologie de production et domaine d'utilisation du gaz liquéfié

Les technologies liées à l'extraction, au transport et au traitement du gaz naturel se développent à un rythme effréné. Et beaucoup de gens connaissent aujourd'hui les abréviations GNL (LNG) et GPL (LPG). Pratiquement tous les jours, les actualités mentionnent le carburant gazeux naturel dans un contexte ou un autre.

Mais, convenez-en, pour avoir une compréhension claire de ce qui se passe, il est important de comprendre d'abord comment le gaz est liquéfié, pourquoi cela est fait et quels avantages cela apporte ou non. Et il existe une multitude de nuances dans cette question.

Pour produire la liquéfaction des hydrocarbures gazeux, de grandes usines de haute technologie sont construites. Ensuite, nous examinerons attentivement : à quoi tout cela sert et comment cela se produit.

Pourquoi liquéfie-t-on le gaz naturel ?

Des profondeurs de la terre, le combustible bleu est extrait sous forme d'un mélange de méthane, d'éthane, de propane, de butane, d'hélium, d'azote, de sulfure d'hydrogène et d'autres gaz, ainsi que de divers dérivés.

Une partie est utilisée dans l'industrie chimique, une autre est brûlée dans des chaudières ou des turbines pour produire de l'énergie thermique et électrique. De plus, une partie de la production est utilisée comme carburant pour moteurs à gaz.

Les calculs des gaziers montrent que si le combustible bleu doit être transporté sur une distance de 2500 km ou plus, il est souvent plus avantageux de le faire sous forme liquéfiée que par pipeline.

La principale raison de la liquéfaction du gaz naturel est de faciliter son transport sur de longues distances. Si le consommateur et le puits d'extraction du carburant gazeux sont situés sur terre à proximité l'un de l'autre, il est plus simple et plus avantageux de poser un pipeline entre eux. Mais dans certains cas, la construction d'un gazoduc s'avère trop coûteuse et problématique en raison de contraintes géographiques. C'est pourquoi on a recours à diverses technologies pour obtenir du GNL ou du GPL sous forme liquide.

Économie et sécurité des transports

Une fois le gaz liquéfié, il est injecté sous forme liquide dans des conteneurs spéciaux pour le transport maritime, fluvial, routier et/ou ferroviaire. Par ailleurs, sur le plan technologique, la liquéfaction est un processus assez coûteux d'un point de vue énergétique.

Dans différentes usines, cela peut représenter jusqu'à 25 % du volume initial de carburant. Autrement dit, pour produire l'énergie nécessaire selon la technologie, il faut brûler jusqu'à 1 tonne de GNL pour trois tonnes de produit fini. Mais le gaz naturel est très demandé actuellement, tout est rentable.

Sous forme liquéfiée, le méthane (propane-butane) occupe un volume 500 à 600 fois plus petit qu'à l'état gazeux.

Lorsque le gaz naturel est à l'état liquide, il n'est ni inflammable ni explosif. Ce n'est qu'après évaporation lors de la regazéification que le mélange gazeux obtenu devient propre à la combustion dans les chaudières et les cuisinières. Par conséquent, si le GNL ou le GPL sont utilisés comme combustible hydrocarboné, ils doivent impérativement être regazéifiés.

Utilisation dans divers domaines

Le plus souvent, les termes « gaz liquéfié » et « liquéfaction du gaz » sont mentionnés dans le contexte du transport d'hydrocarbures énergétiques. C'est-à-dire que l'on extrait d'abord le combustible bleu, puis on le transforme en GPL ou en GNL. Ensuite, le liquide obtenu est transporté et est ensuite ramené à l'état gazeux pour une application donnée.

Le GPL (gaz de pétrole liquéfié) est composé à 95 % ou plus d'un mélange propane-butane, tandis que le GNL (gaz naturel liquéfié) est composé à 85–95 % de méthane. Ce sont des types de carburant similaires mais aussi radicalement différents.

Le GPL à base de propane-butane est principalement utilisé comme :

• carburant pour moteurs à gaz ;
• combustible pour le remplissage des réservoirs de gaz des systèmes de chauffage autonomes ;
• liquide pour le remplissage de briquets et de bouteilles de gaz d'une capacité de 200 ml à 50 l.

Le GNL est généralement produit uniquement pour le transport sur de longues distances. Si pour le stockage du GPL, un réservoir capable de supporter une pression de plusieurs atmosphères suffit, pour le méthane liquéfié, des réservoirs cryogéniques spéciaux sont nécessaires.

Les équipements de stockage du GNL sont très sophistiqués et prennent beaucoup de place. Utiliser ce carburant dans les voitures particulières n'est pas rentable en raison du coût élevé des bouteilles. Des camions au GNL, sous forme de modèles expérimentaux isolés, circulent déjà sur les routes, mais dans le segment des voitures, ce combustible « liquide » risque de ne pas trouver une large application dans un avenir proche.

Le méthane liquéfié comme carburant est de plus en plus utilisé pour l'exploitation de :

• locomotives ferroviaires ;
• navires maritimes ;
• transports fluviaux.

Outre leur utilisation comme vecteurs énergétiques, le GPL et le GNL sont également utilisés directement sous forme liquide dans les usines pétrochimiques et gazières. On en fabrique divers plastiques et autres matériaux à base d'hydrocarbures.

Technologies d'obtention du GPL et du GNL

Pour transformer le méthane de l'état gazeux à l'état liquide, il faut le refroidir à -163 °C. Quant au propane-butane, il se liquéfie déjà à -40 °C. Par conséquent, les technologies et les coûts dans les deux cas diffèrent considérablement.

Un litre de GNL équivaut approximativement à 1,38 m³ de gaz naturel brut (ce chiffre dépend de la température et de la pression), la réduction de volume est d'environ 620 fois

Pour la liquéfaction du gaz naturel, les technologies suivantes sont utilisées par différentes entreprises :

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR) ;
• Optimized Cascade ;
• DMR ;
• PRICO ;
• MFC ;
• GTL, etc.

À la base de toutes ces technologies se trouvent des processus de compression et/ou d'échange thermique. L'opération de liquéfaction a lieu dans une usine en plusieurs étapes, au cours desquelles le gaz est progressivement comprimé et refroidi jusqu'à la température de transition vers la phase liquide.

Préparation du mélange gazeux

Avant de commencer à liquéfier le gaz naturel brut, il faut en retirer l'eau, l'hélium, l'hydrogène, l'azote, les composés soufrés et autres impuretés. Pour ce faire, on utilise généralement une technologie d'adsorption pour un nettoyage en profondeur du mélange gazeux en le faisant passer à travers des tamis moléculaires.

Ensuite, une deuxième étape de préparation de la matière première a lieu, au cours de laquelle les hydrocarbures lourds sont éliminés. Au final, il ne reste dans le gaz que de l'éthane et du méthane (ou du propane et du butane) avec un volume d'impuretés inférieur à 5 %, afin de pouvoir commencer à refroidir et liquéfier cette fraction.

La préparation primaire avec élimination de tout ce qui est inutile du gaz naturel est effectuée afin de protéger l'équipement de réfrigération contre les effets agressifs de l'eau, du dioxyde de carbone, des composés soufrés, etc.

Le fractionnement permet de se débarrasser des impuretés nocives et d'isoler uniquement le gaz principal pour la liquéfaction ultérieure. Sous une pression de 1 atm, la température de transition vers l'état liquide est de -163 °C pour le méthane, -88 °C pour l'éthane, -42 °C pour le propane et -0,5 °C pour le butane.

Ce sont précisément ces différences de température qui expliquent pourquoi on sépare en fractions et ne liquéfie qu'ensuite le gaz arrivant à l'usine. Il n'existe pas de technologie de liquéfaction unique pour tous les types de composés hydrocarbonés gazeux. Pour chacun d'eux, il faut construire et appliquer sa propre ligne technologique.

Processus principal de liquéfaction

La base pour transformer le gaz en état liquide est un cycle frigorifique, au cours duquel la chaleur est transférée par un certain frigorigène d'un milieu à base température vers un milieu à température plus élevée. Ce processus est en plusieurs étapes et nécessite de puissants compresseurs pour la detente/compression du calorporteur et des échangeurs de chaleur.

Les technologies de compression sont de haute technologie, énergivores et coûteuses, mais en un seul cycle, elles permettent de comprimer le gaz de 5 à 12 fois.

Comme réfrigérant, à différentes étapes de la liquéfaction, on utilise :

• propane ;
• méthane ;
• éthane ;
• azote ;
• eau (de mer et purifiée) ;
• air.

Par exemple, pour le refroidissement primaire du gaz naturel à l'usine Yamal GNL de Novatek, on utilise l'air arctique frais, qui permet d'abaisser la température de la matière première à seulement +10 °C avec un coût minimal. Et pendant les mois chauds d'été, on prévoit l'utilisation d'eau de mer de l'océan Arctique, qui, indépendamment de la saison, a une température constante de 3–4 °C en profondeur.

De plus, comme réfrigérant final à Yamal, on utilise de l'azote produit sur place à partir de l'air. Ainsi, l'Arctique fournit tout ce qui est nécessaire pour produire du GNL – depuis le gaz naturel brut jusqu'aux agents de travail utilisés dans le processus de liquéfaction.

Le propane se liquéfie selon un schéma similaire à celui du méthane. Seulement, les températures de refroidissement requises sont beaucoup moins basses : moins 42 °C contre moins 163 °C. Par conséquent, la liquéfaction du gaz pour réservoirs de gaz coûte beaucoup moins cher, mais le GPL propane-butane lui-même obtenu est moins demandé sur le marché.

Transport et stockage

La quasi-totalité du volume de GNL est transportée par de grands méthaniers maritimes d'une côte à l'autre. Le transport terrestre est limité par la nécessité de maintenir la température du «carburant bleu liquide» à environ -160 °C, sinon le méthane commence à se transformer en gaz et devient explosif.

Pour le transport du GPL, on utilise des bouteilles de 5 à 50 litres avec une pression interne allant jusqu'à 1,5 à 2 MPa, ainsi que des citernes de plus grande capacité conçues pour 5 à 17 MPa.

La pression dans un réservoir de GNL est proche de la pression atmosphérique. Cependant, si la température du méthane liquide dépasse -160 °C, il commence à se transformer de liquide en gaz. Par conséquent, la pression dans le réservoir commence à augmenter, ce qui représente un danger sérieux. C'est pourquoi les méthaniers pour le transport du GNL sont équipés d'installations de maintien des basses températures et d'une épaisse couche d'isolant thermique.

Le GPL est regazéifié en gaz directement dans le gazomètre. Quant à la regazéification du GNL, elle est effectuée dans des installations industrielles spéciales sans accès à l'oxygène. Physiquement, le méthane liquide se transforme progressivement en gaz à température positive. Cependant, si cela se produit à l'air libre sans conditions spéciales, un tel processus entraînera une explosion.

Après que le gaz naturel sous forme de GNL a été liquéfié dans une usine, il est transporté, puis de nouveau dans une usine (cette fois de regazéification) il est reconverti à l'état gazeux pour une utilisation ultérieure.

Perspectives de l'hydrogène liquéfié

Outre la liquéfaction directe et l'utilisation sous cette forme, le gaz naturel peut également être utilisé pour obtenir un autre vecteur énergétique : l'hydrogène. Le méthane est du CH₄, le propane du C₃H₈ et le butane du C₄H₁₀.

La composante hydrogène est présente dans tous ces combustibles fossiles ; il suffit de l'extraire.

Les principaux avantages de l'hydrogène sont son respect de l'environnement et sa large abondance dans la nature, cependant le coût élevé de sa liquéfaction et les pertes dues à une évaporation constante annudent pratiquement ces atouts.

Pour transformer l'hydrogène de l'état gazeux à l'état liquide, il doit être refroidi à -253 °C. Pour cela, on utilise des systèmes de refroidissement à plusieurs étages et des installations de « compression/détente ». Ces technologies sont encore trop coûteuses, mais des travaux sont en cours pour les rendre moins chères.

Nous vous recommandons également de lire notre autre article, où nous avons expliqué en détail comment fabriquer un générateur d'hydrogène pour la maison. Pour en savoir plus – cliquez sur le lien.

De plus, contrairement au GPL et au GNL, l'hydrogène liquéfié est beaucoup plus explosif. La moindre fuite en présence d'oxygène forme un mélange gaz-air qui s'enflamme à la moindre étincelle. Le stockage de l'hydrogène liquide n'est possible que dans des contenants cryogéniques spéciaux. Les inconvénients du carburant hydrogène sont encore trop nombreux.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Comment le gaz liquéfié est-il produit et pourquoi le liquéfie-t-on :

Tout sur les gaz liquéfiés :

Il existe plusieurs technologies de liquéfaction des gaz. Pour le méthane, elles sont spécifiques, et pour le propane-butane, elles le sont aussi. Obtenir du GPL est moins cher, et le transporter/stockter est plus simple et plus sûr. L'obtention du méthane GNL est un processus plus coûteux et plus complexe. De plus, sa regazéification nécessite un équipement spécialisé. Cependant, le méthane est aujourd'hui plus demandé sur le marché, donc on le liquéfie en beaucoup plus grandes quantités.

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