Gaz naturel : de l'extraction à la distribution — aperçu complet

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Contexte

Le gaz naturel est un mélange d'hydrocarbures combustibles formés par la décomposition thermique de matière organique en profondeur sous terre. Il est souvent trouvé aux côtés du pétrole, mais de grands réservoirs existent où le pétrole est absent. Sa combustion propre et efficace en fait une pierre angulaire du chauffage résidentiel, de la cuisson et d'un large éventail de processus industriels.

Histoire

Le gaz naturel fascine les humains depuis des millénaires. Les premières civilisations observèrent des suintements lumineux depuis les roches et sources, parfois enflammés par la foudre, donnant naissance aux légendes de « feu de la terre ». Vers 900 av. J.-C., des ingénieurs chinois extrairent du gaz de puits, l'utilisant pour évaporer l'eau de mer pour la production de sel. Au premier siècle de notre ère, ils avaient perfectionné des techniques de forage, atteignant des profondeurs de 1 460 m (4 800 pieds) avec des forets en bambou à noyau métallique.

Les Romains connaissaient aussi le gaz naturel ; Jules César aurait vu une « source brûlante » près de Grenoble, France. Dans la Russie primitive, des temples étaient construits autour de flammes perpétuelles alimentées par des suintements de gaz naturel.

Aux États-Unis, William Hart forgea le premier puits de gaz intentionnel en 1821 sur Canadaway Creek, New York, utilisant des troncs évidés pour acheminer le gaz pour l'éclairage. La Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company devint la première compagnie de gaz américaine en 1865. Un pipeline de 40 km (25 miles) d'un champ de gaz à Rochester suivit en 1872, utilisant aussi des troncs évidés. Le bec Bunsen (1885) stimula l'intérêt pour le gaz pour le chauffage et la cuisson. En 1891, un gisement à haute pression dans l'Indiana central alimenta un pipeline de 192 km (120 miles) vers Chicago.

Les premiers efforts furent limités par des réseaux de distribution inadéquats, donc le gaz resta une marchandise locale. Dans les années 1910, les compagnies pétrolières reconnurent la perte financière du torchage du gaz et commencèrent à installer des pipelines vers les grandes villes. Ce n'est qu'après la Seconde Guerre mondiale qu'un réseau national émergea, faisant du gaz naturel une alternative compétitive à l'électricité et au charbon.

Aujourd'hui, les États-Unis exploitent plus de 600 usines de traitement et 480 000 km (300 000 miles) de pipelines de transport principaux. D'importantes réserves existent aussi dans l'ex-Union soviétique, le Canada, la Chine et le Golfe arabique.

Matériaux bruts

Le gaz naturel brut est principalement du méthane, accompagné d'éthane, propane, butane et autres hydrocarbures. Il peut aussi contenir de la vapeur d'eau, du sulfure d'hydrogène, du dioxyde de carbone, de l'azote et de l'hélium en traces.

Pendant le traitement, de nombreux constituants sont éliminés ou séparés pour la vente. L'éthane, propane, butane, sulfure d'hydrogène et hélium sont souvent isolés ; la vapeur d'eau, CO₂ et azote sont retirés pour améliorer la qualité et faciliter le transport.

Le produit résultant est principalement du méthane et de l'éthane, avec des additifs comme le mercaptan ajoutés pour la détection d'odeurs.

Le processus de fabrication

Extraction

• 1 Certains réservoirs possèdent une pression suffisante pour que le gaz s'écoule naturellement vers la surface ; la plupart des puits nécessitent un pompage. La pompe la plus courante comporte une longue tige attachée à un piston, actionnée par un balancier — un design souvent appelé pompe à tête de cheval.
• 2 En surface, le gaz est séparé du pétrole (si présent) et dirigé vers une usine de traitement centrale. Des centaines de puits peuvent alimenter une seule installation.

Traitement

• 3 Aux États-Unis, ~75 % du gaz naturel provient de réservoirs sans pétrole, simplifiant le traitement. Le gaz brut contient généralement de la saleté, du sable et de la vapeur d'eau. Des filtres ou pièges éliminent les solides, tandis que des tours désiccantes (alumine, gel de silice) ou des désiccants liquides (glycol) sèchent le flux avant traitement supplémentaire ou injection directe dans les pipelines de transport.
• 4 Les hydrocarbures plus lourds — propane, butane — sont capturés via une tour d'absorption à froid avec une huile type kérosène. L'huile condense et piège ~85 % du propane et presque tout le butane ; les gaz plus légers sortent de la tour. L'huile est ensuite distillée, et les hydrocarbures sont séparés dans une colonne de fractionation.
• 5 Le flux gazeux contient maintenant du méthane, de l'éthane, une petite quantité de propane, et des traces de CO₂, H₂S, N₂, etc. L'éthane peut être séparé davantage par des cycles de compression/expansion cryogéniques, et la vapeur d'eau résiduelle est réduite par des étapes de déshydratation supplémentaires.
• 6 Pour les teneurs élevées en CO₂ ou H₂S, une tour de lavage chimique introduit de la monoéthanolamine, qui réagit avec les acides et est ensuite drainée pour traitement.
• 7 L'azote, un diluant non combustible, est éliminé par distillation à basse température après l'élimination du CO₂ et H₂S — un processus global de « mise à niveau » qui produit un gaz plus pur et à plus haute énergie.
• 8 La récupération d'hélium suit l'élimination de l'azote par une boucle complexe de distillation et purification cryogénique, faisant du gaz naturel la source principale d'hélium aux États-Unis.

Transport

• 9 Le gaz traité reçoit du mercaptan pour la détection de fuites, puis voyage vers une station de compression où la pression est élevée à 1 380–10 350 kPa (200–1 500 psi). Les pipelines de transmission souterrains — de 51 à 107 cm (20 à 42 pouces) de diamètre — s'étendant sur des milliers de kilomètres maintiennent le gaz en mouvement, avec des stations de compression tous les ~160 km (100 miles) pour restaurer la pression perdue par frottement.
• 10 Près de sa destination, le gaz peut être injecté dans un stockage souterrain (réservoirs épuisés, aquifères, cavernes de sel) pour équilibrer la demande saisonnière.

Distribution

• 11 Du stockage, le gaz est acheminé vers les pipelines de distribution locale à des pressions jusqu'à 6 900 kPa (1 000 psi).
• 12 La pression est abaissée en dessous de 410 kPa (60 psi) pour le réseau urbain, puis réduite davantage à ~1,7 kPa (0,25 psi) avant d'entrer dans les foyers ou entreprises individuelles.

Contrôle qualité

Le gaz naturel est hautement inflammable et peut exploser si une grande quantité est enflammée brutalement. Des incidents mortels ont résulté de fuites soudaines et de suffocation prolongée. Pour atténuer les risques, des odorants (mercaptan) sont ajoutés, et un ruban d'avertissement jaune vif est enterré à quelques pieds au-dessus des pipelines à haute pression. La signalisation au niveau du sol alerte davantage le public sur les emplacements des pipelines.

L'avenir

Le profil de faibles émissions du gaz naturel en fait un carburant alternatif prometteur pour les véhicules ; des flottes au gaz naturel comprimé (GNC) sont déjà en service dans le monde. De plus, de nombreux procédés industriels à haute chaleur — acier, verre, ciment, produits chimiques, aluminium et aliments transformés — transitionnent vers le gaz naturel pour réduire la pollution atmosphérique.