Gaz Naturel


Gaz Naturel

Gaz naturel

Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.

Avec 23 % de l'énergie consommée en 2005, le gaz naturel est la troisième source d'énergie la plus utilisée dans le monde après le pétrole (37 % en 2005) et le charbon (24 % en 2005). L'usage du gaz naturel dans l'industrie, les usages domestiques puis la production d'électricité, se développait rapidement depuis les années 1970 et était sur le point de devancer le charbon. Cependant, avec le renchérissement observé depuis le début du XXIe siècle, les tassements dans la consommation des pays développés, les besoins des pays émergents et les progrès réalisés dans le traitement du charbon, ce dernier tend à retrouver un certain essor.

Sommaire

Types

Il existe plusieurs formes de gaz naturel, se distinguant par leur origine, leur composition et le type de réservoirs dans lesquels ils se trouvent. Néanmoins, le gaz est toujours composé principalement de méthane et issu de la désagrégation d'anciens organismes vivants. Aux différents types de gaz naturels cités ci-après, on pourrait adjoindre le biogaz, un substitut renouvelable.

Gaz conventionnel non associé

C'est la forme la plus exploitée de gaz naturel. Son processus de formation est similaire à celui du pétrole. On distingue le gaz thermogénique primaire, issu directement de la pyrolyse du kérogène, et le gaz thermogénique secondaire, formé par la pyrolyse du pétrole. Le gaz thermogénique comprend, outre le méthane, un taux variable d'hydrocarbures plus lourds, pouvant aller jusqu'à l'heptane (C7H16). On peut y trouver aussi du dioxyde de carbone (CO2), du dioxyde de soufre (SO2), du sulfure d'hydrogène appelé aussi « gaz acide » (H2S), et parfois de l'azote (N2) et de petites quantités d'hélium (He).

C'est principalement ce type de gaz conventionnel non associé qui alimente le marché international du gaz naturel et ses réseaux de transport par gazoducs et méthaniers (voir section Industrie du gaz).

Gaz associé

Il s'agit de gaz présent en solution dans le pétrole. Il est séparé lors de l'extraction de ce dernier. Pendant longtemps, il était considéré comme un déchet et détruit en torchère, ce qui constitue un gaspillage de ressources énergétiques non renouvelables et une pollution inutile. Aujourd'hui, une partie est soit réinjectée dans les gisements de pétrole (contribuant à y maintenir la pression et à maximiser l'extraction du pétrole), soit valorisée. La destruction en torchère représentait toujours 150 Gm3/an en 2007[1].

Gaz biogénique

Le gaz biogénique est issu de la fermentation par des bactéries de sédiments organiques. À l'instar de la tourbe, c'est un combustible fossile mais dont le cycle est relativement rapide. Les gisements biogéniques sont en général petits et situés à faible profondeur. Ils représentent environ 20 % des réserves connues de gaz conventionnel. Le gaz biogénique a moins de valeur par mètre cube que le gaz thermogénique, car il contient une part non négligeable de gaz non combustibles (notamment du CO2) et ne fournit pas d'hydrocarbures plus lourds que le méthane.

Gaz de charbon

Le charbon contient naturellement du méthane et du CO2 dans ses pores. Historiquement, ce gaz a surtout été connu pour la menace mortelle qu'il présente sur la sécurité des mineurs - il est alors resté dans la mémoire collective sous le nom de grisou. Cependant, son exploitation est en plein développement, en particulier aux États-Unis. L'exploitation porte sur des strates de charbon riches en gaz et trop profondes pour être exploitées de façon conventionnelle. Il y a eu des essais en Europe également, mais la plupart des charbons européens sont assez pauvres en méthane. La Chine s'intéresse également de plus en plus à l'exploitation de ce type de gaz naturel.

Gaz de schiste

Certains schistes contiennent aussi du méthane piégé dans leurs fissurations. Ce gaz est formé par la dégradation du kérogène présent dans le schiste, mais, comme pour le gaz de charbon, il existe deux grandes différences par rapport aux réserves de gaz conventionnel. La première est que le schiste est à la fois la roche source du gaz et son réservoir. La seconde est que l'accumulation n'est pas discrète (beaucoup de gaz réuni en un point) mais continue (le gaz est présent en faible concentration dans un énorme volume de roche), ce qui rend l'exploitation bien plus difficile.

Hydrates

Article détaillé : Hydrate de méthane.

Les hydrates de méthane sont des structures de glace contenant du méthane prisonnier. Ils sont issus de l'accumulation relativement récente de glace contenant des déchets organiques, la dégradation est biogénique. On trouve ces hydrates dans le permafrost ou sur le plancher océanique. Le volume de gaz existant sous cette forme est inconnu, variant de plusieurs ordres de grandeur selon les études. Aucune technologie ne permet actuellement d'exploiter ces ressources.

Industrie du gaz

Caractéristiques générales du gaz naturel commercialisé en Europe

C'est principalement du gaz naturel dit « conventionnel non associé » (voir section précédente) qui alimente le marché européen de production du gaz naturel et ses réseaux de transport par gazoducs et méthaniers (voir Industrie du gaz) puis de distribution.

Le gaz naturel traité, en vue d'être commercialisé, est incolore, inodore, insipide, sans forme particulière. Il contient entre 81 et 97 % de méthane. Il est moins dense que l'air : sa densité est de 0,6 par rapport à l'air et sa masse volumique est d'environ 0,8 kg/m3. Il se présente sous sa forme gazeuse au-delà de --161 °C environ, à pression atmosphérique.

Son pouvoir calorifique supérieur (PCS) est d'environ 11,5 kWh/m3 en France, pour le gaz le plus couramment consommé, dit « H » (pour « haut pouvoir calorifique »).

Pour des raisons de sécurité depuis l'accident de 1937 à New London au Texas, qui causa la mort de 295 personnes dans une école, un odorisant chimique, à base de tétrahydrothiophène (THT) ou de mercaptan (composé soufré), lui donne une odeur particulière afin de permettre sa détection lors d'une fuite.

Amont : extraction et traitement

Le gaz naturel et le pétrole brut sont souvent associés et extraits simultanément des mêmes gisements, ou encore des mêmes zones de production. Les hydrocarbures liquides proviennent du pétrole brut pour une proportion moyenne de l'ordre de 80 % ; les 20 % restants, parmi les fractions les plus légères, le propane et le butane sont presque toujours liquéfiés pour en faciliter le transport.

L'exploration (recherche de gisements) et l'extraction du gaz naturel utilisent des techniques à peu près identiques à celles de l'industrie du pétrole. Une grande partie des gisements de gaz connus à travers le monde a d'ailleurs été trouvé au cours de campagnes d'exploration dont l'objectif était de trouver du pétrole.

Lors de l'extraction, la détente à la tête de puits provoque la condensation des hydrocarbures C5 à C8. Les liquides récupérés, appelés « condensats de gaz naturel » ou « liquide de puits de gaz naturel » correspondent à un pétrole extrêmement léger, de très haute valeur (donnant de l'essence et du naphta). Tout le reste (hydrocarbures C1 à C4, CO2, H2S et He) est gazeux à température ambiante et acheminé par gazoduc vers une usine de traitement de gaz. Il faut donc deux réseaux de collecte, un pour le gaz et un pour les condensats.

Dans cette usine (qui peut être proche des gisements, ou proche des lieux de consommation), le gaz subit ensuite une déshydratation par point de rosée, puis les différents composants sont séparés. Les hydrocarbures C2 à C4 sont vendus sous le nom de gaz de pétrole liquéfié (GPL et non pas GNL). Le CO2 est le plus souvent simplement rejeté dans l'atmosphère, sauf s'il y a un utilisateur proche. Parfois, on le réinjecte dans une formation souterraine (séquestration du CO2) pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Le gaz acide est vendu à l'industrie chimique ou séquestré. L'hélium est séparé et commercialisé, s'il est présent en quantité suffisante - dans certains cas, il représente une addition très importante aux revenus générés par le gisement.

Les condensats et les GPL ont une telle valeur marchande que certains gisements sont exploités uniquement pour eux, le « gaz pauvre » (méthane) étant réinjecté au fur et à mesure, faute de débouchés locaux. Même lorsque l'essentiel du gaz pauvre est vendu, on en réinjecte souvent une partie dans le gisement, pour ralentir la baisse de pression, et récupérer au final une plus grande partie des condensats et du GPL.

L'autre partie (la plus grande) est transporté par gazoduc ou par méthanier vers les lieux de consommation.

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Aval : transport gazeux ou liquide

Méthanier LNG BONNY

Le transport du gaz traité (gaz pauvre, presque exclusivement du méthane) est par nature beaucoup plus difficile que pour le pétrole. Cela explique que, pendant longtemps, les gisements de gaz n'intéressaient les compagnies que s'ils étaient relativement proches des lieux de consommation, tandis que les gisements trouvés dans des endroits isolés n'étaient développés que si leur taille justifiait les infrastructures nécessaires. Sachant que la rentabilité des gisements gaziers s'est considérablement améliorée depuis plusieurs années, plusieurs gisements qui étaient vus comme « sub-commerciaux » sont maintenant profitables.

Pour transporter le gaz naturel des gisements vers les lieux de consommation, les gazoducs sont le moyen le plus courant. Mais une part croissante du gaz consommé est transportée sous forme liquide, à --162 °C et à pression atmosphérique, dans des méthaniers du lieu de production vers les lieux de consommation : c'est ce que l'on appelle le GNL, ou Gaz Naturel Liquéfié. Sous cette forme liquide, le gaz naturel offre, à volume égal avec le fioul domestique, un pouvoir calorifique qui correspond à plus de la moitié du pouvoir calorifique de celui-ci[2].

Mais cette solution qui permet de « condenser » l'énergie gazeuse sous un volume réduit exige des investissements très lourds, tant pour la liquéfaction[3] que pour le transport[4]. À titre indicatif, le coût d'une usine de liquéfaction, de taille minimale de l'ordre de 45 Gthermies/an (3,5 millions de tonnes de gaz naturel liquéfié) est de l'ordre de 400 à 500 millions USD et si l'on veut doubler cette capacité, il faut ajouter 85 % de plus à ce coût.

Les navires de transport, qui ont des réservoirs cryogéniques, coûtent également très cher : en 2006, plus de 200 millions d'euros pour une capacité de 100 000 tonnes, soit le prix d'un pétrolier de quelques 300 000 tonnes.

Mais, vue l'augmentation constante des besoins en énergie de toutes sortes et la flambée du prix du pétrole depuis le début du XXIe siècle, tous ces investissements sont amplement justifiés. La filière du gaz naturel liquéfié nécessite cependant une taille importante pour être économiquement viable, il faut donc une forte production à exporter pour justifier la construction d'une usine de liquéfaction et, inversement, d'importants besoin d'importation pour construire un terminal de réception. En 2006, il n'existe aucun projet en dessous de 2 ou 3 millions de tonnes par an pour l'exportation, 1 pour l'importation.

Lors de sa liquéfaction, le gaz naturel est fractionné, si nécessaire, pour le séparer de l'éthane, du propane et du butane. À l'arrivée près des lieux de consommation, le GNL est éventuellement stocké sous forme liquide puis vaporisé dans des terminaux méthaniers. Il est alors émis sur un réseau de transport classique. Ici encore, il faut des investissements importants pour la réception, le stockage et la vaporisation. Ces investissements sont cependant moindres que pour la liquéfaction ou le transport par méthanier.

Pour le traitement, et si l'on veut séparer les GPL avant le transport, à partir des gisements de gaz et de condensats (si ceux-ci sont proches), on installe deux réseaux de collecte, un pour le gaz naturel et un autre pour les condensats. Le gaz et les condensats sont dirigés vers des installations de traitement et de désulfurisation.

Articles détaillés : Gaz naturel liquéfié et Gazoduc.

Utilisation

Le gaz naturel est l'un des moyens énergétiques les moins polluants. En théorie, si sa combustion était parfaite et complète, il n'émettrait que de l'eau et du dioxyde de carbone selon la réaction:

CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2

S'il ne produit jamais de suies (particules de 10 à 100 nm), une étude publiée en 2008[5] montre qu'un brûleur normal de chauffe-eau au gaz ou de gazinière produit des particules ultrafines ou des nanoparticules (de 1 à 10 nanomètres de diamètre). Dans une chaudière à condensation, leur taux est plus bas (0,1 milligramme par normo-mètre cube ou mg/Nm3) grâce à une combustion optimisée, mais un brûleur normal de gazinière engendre des taux particulaires bien plus élevés (5 mg/Nm3) ainsi d'ailleurs qu'une «quantité significative» d’hydrocarbures aromatiques polycycliques qui pourraient peut-être interagir avec ces nanoparticules.

Comme tous les combustibles fossiles, sa combustion rejette du dioxyde de carbone ; mais seulement 55 kg par gigajoule de chaleur produite (contre 75 pour le pétrole brut, et 100 environ pour le charbon).

Par rapport aux autres énergies non renouvelables, l'avantage du gaz naturel est encore plus grand si l'on tient compte des émissions sur le cycle complet « du puits au brûleur » et pas seulement de celles résultant de l'usage final du combustible : en effet, l'extraction et le traitement du gaz naturel consomment beaucoup moins d'énergie.

L'utilisation du gaz naturel ne produit pas de poussières, presque pas d'oxydes d'azote (NOx) et ne laisse pas de cendres, et s'il a été correctement désoufré quasiment aucune pollution locale par les oxydes de soufre, etc. Cet intérêt a une conséquence économique directe par rapport aux autres énergies fossiles : une installation (centrale électrique, chaufferie, cimenterie ou autre) brûlant du charbon a besoin de dispositifs de dépollution, pour extraire le soufre, les NOx et les poussières des fumées. Ces installations sont très coûteuses à construire et à entretenir. Avec le gaz naturel, ces appareillages sont inutiles, d'où une économie importante.

C'est une source d'énergie de plus en plus utilisée par l'industrie pour produire de la chaleur (chauffage, fours…) et de l'électricité, éventuellement en cogénération ou tri-génération. En 2006, au niveau mondial, plus de 30 % de l'électricité est produite à partir de gaz naturel, et cette part ne cesse d'augmenter. Chez les particuliers, le gaz naturel est utilisé pour le chauffage, l'eau chaude et la cuisson des aliments. Enfin, depuis quelques années, le gaz naturel comprimé en bouteilles est utilisé en France comme carburant pour les véhicules (GNV). Mais déjà plus d'un million de véhicules au gaz naturel roulent déjà dans le monde, dans des pays comme l'Argentine et l'Italie.

En 2006, globalement, l'usage du gaz naturel est en expansion, la plupart des pays favorisant son usage accru partout où il peut se substituer au pétrole. Il présente en effet plusieurs avantages en comparaison avec ce dernier : moins cher en général, moins polluant, il permet également une diversification des approvisionnements énergétiques des pays importateurs (géopolitique), même si la crise entre l'Ukraine et la Russie au début de l'année 2006 montre que ce n'est pas la solution miracle. Dans certains pays, comme la Russie ou l'Argentine, l'usage du gaz naturel a même dépassé celui du pétrole.

Le gaz naturel est devenu une industrie globale, ce qui tranche singulièrement avec l'époque (jusqu'aux années 1950, bien plus tard dans certains pays), où il était avant tout perçu comme un coproduit encombrant et dangereux des puits de pétrole.

Le gaz naturel est aujourdh'ui la matière première d'une bonne partie de l'industrie chimique et pétrochimique : à la quasi-totalité de la production d'hydrogène, de méthanol et d'ammoniac, trois produits de base, qui à leur tour servent dans diverses industries :

Ci-après est la présentation de la chimie du méthane dans l'industrie pétrochimique :

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C'est aussi à partir du méthane qu'on synthétise l'ammoniac (NH3) et l'urée (CO(NH2)2), qui sont le point de départ de l'industrie des engrais.

Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique d'un combustible est la quantité de chaleur exprimée en kWh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) mètre cube normal (m³(n)) de gaz sec dans l'air à une pression absolue constante et égale à 1,01325 bar, le gaz et l'air étant à une température initiale de 0 °C (zéro degré Celsius), tous les produits de combustion étant ramenés à 0 °C et une pression de 1,01325 bar.

Le pouvoir calorifique du gaz naturel s'exprime en MJ ou kWh par mètre cube.

On distingue 2 pouvoirs calorifiques.

PCS = PCI + Chaleur latente d'évaporation
  • PCS = pouvoir calorifique supérieur
    C'est la quantité de chaleur exprimée en kWh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) mètre cube normal de gaz. L'eau formée pendant la combustion étant ramenée à l'état liquide et les autres produits étant à l'état gazeux.
  • PCI = pouvoir calorifique inférieur
    Il se calcule en déduisant par convention, du PCS la chaleur de condensation (2 511 kJ/kg) de l'eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l'eau contenue dans le combustible.
  • Chaleur latente de vaporisation
    La combustion d'un produit génère, entre autres, de l'eau à l'état de vapeur. Pour la vaporisation de 1 kg d'eau, 2 511 kJ/kg sont nécessaires. Cette énergie se perd avec les gaz de combustion évacués par la cheminée à moins de condenser la vapeur d'eau et d'essayer de récupérer la chaleur s'y étant accumulée. Certaines techniques permettent de récupérer la quantité de chaleur contenue dans cette eau de combustion en la condensant (chaudières à condensation)

Le gaz naturel contient cependant plus d'hydrogène, par conséquent, la déperdition d'énergie est plus importante lors de la combustion en raison de la formation de vapeur d'eau évacuée par la cheminée. Environ 10 % de l'énergie disponible est perdue dans ce cas.

Rapport PCI/PCS pour le gaz naturel : environ 0,9028 (3,25/3,6)

Pour le gaz naturel, on distingue :

  • les gaz « type B » (ou « type L »)
    distribués dans le Nord de la France. Ils ont un pouvoir calorifique supérieur compris entre 9,5 et 10,5 kWh/m³(n). C'est essentiellement le cas du gaz de Groningue (en provenance des Pays-Bas). Ce gaz se distingue par sa teneur élevée en azote.
  • les gaz « type H »
    distribués sur le reste du territoire français. Ils ont un pouvoir calorifique supérieur compris entre 10,7 et 12,8 kWh/m³(n).

Pour la plupart des appareils domestiques, ces deux types de gaz sont interchangeables, certains appareils nécessiteront cependant un réglage.

Enjeux géopolitiques

Le gaz naturel, en tant que ressource abondante, peu chère et disponible n'est plus d'actualité. En effet, les pays qui disposent des ressources les plus importantes (Russie en tête avec un tiers des réserves mondiales, mais aussi Algérie, Bolivie, etc) l'utilisent dorénavant à des fins politiques et diplomatiques. Le gaz est en train de devenir un enjeu majeur et la pérennité des approvisionnements est une préoccupation illustrée par les nombreux débats au sein de l'Union européenne autour de la signature de la Charte européenne de l'énergie par la Russie ou pas.

Les pays de l'ancien bloc soviétique, qui cherchaient à sortir de la sphère d'influence russe pour ne plus dépendre de Moscou, dépendent aujourd'hui en grande partie de Gazprom, le groupe que le Kremlin a constitué pour assurer une domination de ce secteur économique mais aussi pour accroître la dépendance des pays européens vis-à-vis des livraisons russes.

Le contexte actuel, marqué par une insécurité des approvisionnements en provenance du Moyen-Orient (avec la question de l'Iran et son programme nucléaire), accroît les tensions sur les marchés mondiaux des hydrocarbures. La Russie cherche à en tirer profit afin de remettre en route son économie mais aussi pour retrouver la puissance perdue. Elle est ainsi qualifiée de « super-puissance énergétique » (Richard Lugar) ou de « énergocratie » (Françoise Thom).

Chiffres

En 2005, selon BP, le monde a produit 2743 milliards de mètres cubes de gaz naturel, en hausse de 2,5 % par rapport à l'année précédente (alors que la production de pétrole n'a augmenté que de 1 %). La Russie représente 22 % de la production mondiale.

Les chiffres de production de gaz naturel sont assez complexes à interpréter, selon les modes de calcul on peut ou non compter le gaz associé brûlé en torchère, compter les volumes de gaz avant ou après extraction des polluants, etc. Les chiffres de l'AIE sont d'ailleurs différents de ceux de BP, avec une production mondiale de 2 871 G(m3) pour la même année, soit près de 5 % plus que BP.

Pays Production (Gm3) Production (Mtep) Notes
1 Russie 598 540 Principalement en Sibérie Occidentale
2 États-Unis 525 473 Rôle croissant du gaz non conventionnel et de l'offshore profond
3 Canada 185 167 En déclin probable
4 Algérie 88 79 Plus de 50 % de la production africaine
4 Royaume-Uni 88 79 Déclin rapide
6 Iran 87 78 Réserves sous-exploitées
7 Norvège 85 76 Troll, Ormen Lange
8 Indonésie 76 68 Exportations en déclin
9 Arabie Saoudite 70 62 Réserves sous-exploitées
10 Pays-Bas 62 57 Voir Groningue (gisement)
11 Malaisie 60 54
12 Turkménistan 59 53 Dauletabad.
13 Ouzbékistan 56 50
14 Chine 50 45 Croissance très rapide (production doublée en 5 ans)
15 Émirats 47 42
16 Argentine 46 41 Déplétion rapide des réserves
TOTAL MONDIAL 2763 2486

Pour plus d'informations sur la production par pays, on pourra se reporter à la série régions pétrolifères. Les principaux pays exportateurs, suivant l'EIA, sont :

Pays Exportations (Gm3) Exportations (Mtep) Types d'exportations Clients principaux
1 Russie 203 183 Gazoduc Europe, Turquie
2 Canada 106 95 Gazoduc États-Unis
3 Norvège 82 74 Gazoduc Europe
4 Algérie 68 62 Gazoduc et GNL Europe, Maroc
5 Pays-Bas 52 47 Gazoduc Pays voisins
6 Turkménistan 49 45 Gazoduc Injection dans le réseau russe
7 Indonésie 36 33 GNL Japon, Corée du Sud
8 Malaisie 32 29 GNL Japon, Corée du Sud
9 Qatar 28 25 GNL Europe, Asie

Ici encore, ces données demandent quelques remarques :

  • Il s'agit d'exportations brutes, c'est-à-dire que le volume des importations n'en est pas déduit. Par exemple, le Canada a exporté 105 Gm3 aux États-Unis, mais a aussi importé 10 Gm3 de ce pays. De même, la Russie importe du gaz turkmène.
  • Ces données n'incluent pas les exportations de produits directement dérivés du gaz, comme le méthanol ou l'ammoniac.

Notes et références

  1. ensuite le gaz…Estimation des quantités de gaz brûlés par le GGFR
  2. Dans des conditions normales (0 °C et 760 mm de Hg), 1 m³ de gaz naturel a un pouvoir calorifique supérieur (PCS) de 8 à 10 thermies suivant son origine (soit 33 à 42 MJ). Pour le gaz de Lacq, dont le gisement est maintenant épuisé, ce PCS était de 9,6 thermies (40 MJ).
  3. Le point critique du méthane est caractérisé par une pression de 45,96 bar et une température de -82,7 °C. Pour liquéfier le gaz naturel, dont le point critique est proche de celui du méthane, il faut fournir une température inférieure à cette température.
  4. Pour le transport du gaz naturel sous forme liquide à la pression atmosphérique (GNL), il faut maintenir dans les cuves une température de -162 °C.
  5. « Emission of ultrafine particles from natural gas domestic burners », Environmental engineering Science, décembre 2008 (étude de l’université Federico II de Naples) (En savoir plus)
  • BP statistical review of world energy 2006.
  • Key world energy statistics (AIE) 2006.

Voir aussi

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