Gaz naturel

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Contexte

Le gaz naturel est un mélange de gaz combustibles formé sous terre par la décomposition de matières organiques végétales et animales. On le trouve généralement dans les zones où le pétrole est présent, bien qu'il existe plusieurs grands réservoirs souterrains de gaz naturel où il y a peu ou pas de pétrole. Le gaz naturel est largement utilisé pour le chauffage et la cuisson, ainsi que pour une variété d'applications industrielles.

Historique

Le gaz naturel était connu des premiers hommes sous la forme d'infiltrations de roches et de sources. Parfois, la foudre ou d'autres sources d'inflammation provoqueraient la combustion de ces suintements de gaz, donnant lieu à des histoires d'incendie sortant du sol. Vers 900 av. le gaz naturel a été tiré de puits en Chine. Le gaz était brûlé et la chaleur était utilisée pour évaporer l'eau de mer afin de produire du sel. Au premier siècle, les Chinois avaient développé des techniques plus avancées pour exploiter les réservoirs souterrains de gaz naturel, ce qui leur permettait de forer des puits aussi profonds que 4 800 pieds (1 460 m) dans un sol meuble. Ils ont utilisé des forets métalliques insérés dans des sections de tuyaux de bambou évidés pour atteindre le gaz et l'amener à la surface.

Les Romains connaissaient également le gaz naturel et Jules César aurait été témoin d'une "source brûlante" près de Grenoble, en France. Au début de la Russie, les temples religieux étaient construits autour d'endroits où des suintements de gaz naturel brûlant formaient des « flammes éternelles ».

Aux États-Unis, la première utilisation intentionnelle de gaz naturel a eu lieu en 1821 lorsque William Hart a foré un puits pour exploiter une poche de gaz peu profonde le long de la rive du ruisseau Canadaway près de Fredonia, New York. Il a fait passer le gaz à travers des bûches creuses jusqu'à un bâtiment voisin où il l'a brûlé pour l'éclairage. En 1865, la Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company est devenue la première société de gaz naturel aux États-Unis. Le premier gazoduc à longue distance s'étendait sur 25 mi (40 km) d'un champ de gaz à Rochester, New York, en 1872. Il utilisait également des rondins évidés pour les tuyaux. Le développement du bec Bunsen par Robert Bunsen en 1885 a suscité un intérêt pour l'utilisation du gaz naturel comme source de chauffage et de cuisson, en plus de son utilisation pour l'éclairage. En 1891, un gisement de gaz à haute pression a été exploité dans le centre de l'Indiana et un pipeline de 192 km a été construit pour amener le gaz à Chicago, dans l'Illinois.

Malgré ces premiers efforts, l'absence d'un bon système de distribution du gaz naturel a limité son utilisation aux zones locales où le gaz a été trouvé. La plupart du gaz remonté à la surface dans le cadre du forage pétrolier dans des zones plus reculées a simplement été évacué dans l'atmosphère ou brûlé dans des torches géantes qui illuminaient les champs pétrolifères jour et nuit. Dans les années 1910, les compagnies pétrolières se sont rendu compte que cette pratique leur coûtait des bénéfices potentiels et elles ont lancé un programme agressif pour installer des gazoducs dans les grandes régions métropolitaines des États-Unis. Ce n'est qu'après la Seconde Guerre mondiale que ce programme de pipeline a atteint suffisamment de villes et de villages pour faire du gaz naturel une alternative intéressante à l'électricité et au charbon.

En 2000, il y avait plus de 600 usines de traitement de gaz naturel aux États-Unis connectées à plus de 300 000 mi (480 000 km) de canalisations de transport principales. Dans le monde entier, il existe également d'importants gisements de gaz naturel dans l'ex-Union soviétique, au Canada, en Chine et dans les pays du Golfe Arabique du Moyen-Orient.

Matières premières

Le gaz naturel brut est composé de plusieurs gaz. Le composant principal est le méthane. Les autres composants comprennent l'éthane, le propane, le butane et de nombreux autres hydrocarbures combustibles. Le gaz naturel brut peut également contenir de la vapeur d'eau, du sulfure d'hydrogène, du dioxyde de carbone, de l'azote et de l'hélium.

Pendant le traitement, bon nombre de ces composants peuvent être retirés. Certains, tels que l'éthane, le propane, le butane, le sulfure d'hydrogène et l'hélium, peuvent être partiellement ou complètement retirés pour être transformés et vendus en tant que produits distincts. D'autres composants, tels que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et l'azote, peuvent être éliminés pour améliorer la qualité du gaz naturel ou pour faciliter le transport du gaz sur de grandes distances par des pipelines.

Le gaz naturel traité qui en résulte contient principalement du méthane et de l'éthane, bien qu'il n'existe pas de gaz naturel « typique ». Certains autres composants peuvent être ajoutés au gaz traité pour lui conférer des qualités particulières. Par exemple, un produit chimique connu sous le nom de mercaptan est ajouté pour donner au gaz une odeur distinctive qui avertit les gens d'une fuite.

Le processus de fabrication

Les méthodes utilisées pour extraire, traiter, transporter, stocker et distribuer le gaz naturel dépendent de l'emplacement et de la composition du gaz brut ainsi que de l'emplacement et de l'utilisation du gaz par les utilisateurs finaux. Voici une séquence typique d'opérations utilisées pour produire du gaz naturel pour le chauffage domestique et la cuisson.

Extraction

• 1 Certains réservoirs souterrains de gaz naturel sont soumis à une pression interne suffisante pour que le gaz puisse remonter dans le puits et atteindre la surface de la Terre sans aide supplémentaire. Cependant, la plupart des puits nécessitent une pompe pour amener le gaz (et le pétrole, s'il est présent) à la surface. La pompe la plus courante a une longue tige attachée à un piston profondément dans le puits. La tige est alternativement tirée vers le haut et replongée dans le puits par une poutre qui bascule lentement de haut en bas sur un support vertical. Cette configuration est souvent appelée pompe à tête de cheval car la forme du mécanisme de traction à l'extrémité de la poutre à bascule ressemble à une tête de cheval.
• 2 Lorsque le gaz naturel brut atteint la surface, il est séparé de tout pétrole qui pourrait être présent et est acheminé vers une usine centrale de traitement du gaz à proximité. Plusieurs centaines de puits peuvent tous alimenter la même plante.

Traitement

• 3 Environ 75 % du gaz naturel brut aux États-Unis provient de réservoirs souterrains où peu ou pas de pétrole est présent. Ce gaz est plus facile à traiter que le gaz de puits de pétrole. Quelle que soit la source, la plupart du gaz naturel brut contient de la saleté, du sable et de la vapeur d'eau, qui doivent être éliminés avant le traitement ultérieur pour éviter la contamination et la corrosion de l'équipement et des canalisations. La saleté et le sable sont enlevés avec des filtres ou des pièges à proximité du puits. La vapeur d'eau est habituellement éliminée en faisant passer le gaz à travers une tour remplie de granules d'un dessiccateur solide, tel que l'alumine ou le gel de silice, ou à travers un dessiccateur liquide, tel qu'un glycol. Après avoir été nettoyé et séché, le gaz brut peut être traité davantage ou il peut être envoyé directement à une station de compression et pompé dans un pipeline de transport principal.
• 4 Si le gaz naturel brut contient une grande quantité de gaz d'hydrocarbures plus lourds, tels que le propane et le butane, ces matériaux sont retirés pour être vendus séparément. La méthode la plus courante consiste à faire barboter le gaz brut à travers une grande tour fermée contenant une huile d'absorption froide, semblable au kérosène. Lorsque le gaz entre en contact avec l'huile froide, les gaz d'hydrocarbures plus lourds se condensent en liquides et sont piégés dans l'huile. Les gaz d'hydrocarbures plus légers, tels que le méthane et l'éthane, ne se condensent pas en liquide et ne s'écoulent pas par le haut de la tour. Environ 85 % du propane et la quasi-totalité du butane et des hydrocarbures plus lourds sont ainsi piégés. L'huile d'absorption est ensuite distillée pour éliminer les hydrocarbures piégés, qui sont séparés en composants individuels dans une tour de fractionnement.
• 5 À ce stade, le gaz naturel contient du méthane, de l'éthane et une petite quantité de propane qui n'a pas été piégée. Il peut également contenir des quantités variables de dioxyde de carbone, Un schéma illustrant la production de gaz naturel de la source souterraine à l'usage domestique. le sulfure d'hydrogène, l'azote et d'autres matériaux. Une partie de l'éthane est parfois retirée pour être utilisée comme matière première dans divers processus chimiques. Pour ce faire, la vapeur d'eau dans le gaz est encore réduite à l'aide d'une méthode parmi plusieurs, et le gaz est ensuite soumis à des cycles répétés de compression et de détente pour refroidir l'éthane et le capturer sous forme liquide.
• 6 Certains gaz naturels contiennent un pourcentage élevé de dioxyde de carbone et de sulfure d'hydrogène. Ces produits chimiques peuvent réagir avec la vapeur d'eau restante dans le gaz pour former un acide, ce qui peut provoquer de la corrosion. Ils sont éliminés en faisant circuler le gaz dans une tour tandis qu'un jet d'eau mélangée à un solvant, tel que la monoéthanolamine, est injecté au sommet. Le solvant réagit avec les produits chimiques et la solution est évacuée du bas de la tour pour un traitement ultérieur.
• 7 Certains gaz naturels contiennent également un pourcentage élevé d'azote. Comme l'azote ne brûle pas, il réduit le pouvoir calorifique du gaz naturel. Une fois le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène éliminés, le gaz subit un processus de distillation à basse température pour liquéfier et séparer l'azote. Ensemble, les processus des étapes 6 et 7 sont parfois appelés « amélioration » du gaz parce que le gaz naturel est maintenant plus propre et brûlera plus chaud.
• 8 Si l'hélium gazeux doit être capté, cela se fait après élimination de l'azote. Cela implique un processus complexe de distillation et de purification pour isoler l'hélium des autres gaz. Le gaz naturel est la principale source d'hélium industriel aux États-Unis.

Transport

• 9 Le mercaptan est injecté dans le gaz naturel traité pour lui donner une odeur d'avertissement distincte, et le gaz est acheminé vers une station de compression où la pression est augmentée à environ 200-1 500 psi (1 380-10 350 kPa). Le gaz est ensuite transporté à travers le pays par l'un des nombreux pipelines majeurs installés sous terre. Ces pipelines ont un diamètre de 20 à 42 pouces (51 à 107 cm). Environ tous les 100 mi (160 km), un autre compresseur augmente la pression du gaz pour compenser les petites pertes de pression causées par la friction entre le gaz et les parois du tuyau. Cela permet au gaz de s'écouler.
• 10 Lorsque le gaz naturel sous pression atteint le voisinage de sa destination finale, il est parfois réinjecté dans le sol pour y être stocké. Des réservoirs souterrains de gaz et de pétrole épuisés, des couches de roches poreuses appelées aquifères ou des cavernes de sel souterraines peuvent être utilisés pour stocker le gaz. Cela garantit un approvisionnement rapide pendant les mois d'hiver les plus froids.

Distribution

• 11 Lorsque le gaz est nécessaire, il est extrait du stockage souterrain et transporté par des pipelines à des pressions allant jusqu'à 1 000 psi (6 900 kPa). Ces gazoducs amènent le gaz dans la ville ou la zone où il doit être utilisé.
• 12 La pression est réduite à moins de 60 psi (410 kPa) et le gaz est distribué dans des tuyaux souterrains qui parcourent la zone. Avant que le gaz ne soit acheminé dans chaque maison ou entreprise, la pression est encore réduite à environ 0,25 psi (1,7 kPa).

Contrôle qualité

Le gaz naturel brûle facilement dans l'air et peut exploser violemment si une grande quantité est soudainement enflammée. Des bâtiments entiers ont été rasés par des explosions puissantes résultant de fuites de gaz naturel. Dans d'autres cas, des personnes ont étouffé dans des pièces fermées qui se sont lentement remplies de gaz naturel. Parce que le gaz naturel est inodore, du mercaptan nauséabond est ajouté au gaz afin que même une petite fuite soit immédiatement perceptible. Pour protéger les gazoducs souterrains à haute pression, un ruban en plastique jaune vif est enterré dans le sol à quelques mètres au-dessus du gazoduc pour avertir les personnes qui pourraient creuser dans la zone. De cette façon, ils découvriront la bande avant de toucher le pipeline en dessous. Des panneaux d'avertissement sont également placés au niveau du sol sur toute la longueur du pipeline à titre de précaution supplémentaire.

Le futur

Parce que le gaz naturel est une combustion propre, il est considéré comme un carburant alternatif pour les véhicules à moteur. Des voitures et des camions au gaz naturel comprimé (GNC) sont déjà en circulation dans de nombreuses régions. Les entreprises utilisant des procédés industriels nécessitant des températures élevées se tournent également vers le gaz naturel plutôt que d'autres carburants afin de réduire la pollution atmosphérique émise par leurs usines. Cela comprend les entreprises impliquées dans la fabrication d'acier, de verre, de céramique, de ciment, de papier, de produits chimiques, d'aluminium et d'aliments transformés.