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21 septembre 2006

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Gaz naturel

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Le gaz naturel est un produit extrait de gisements gaziers ou pétroliers. Lorsque qu'il est livré pour la consommation (gaz de ville), c'est du méthane presque pur, les autres gaz présents dans le gisement étant retirés.

Sommaire

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Composition [modifier]

Le gaz naturel est un gaz combustible fossile issu de la décomposition de matériaux organiques. Son composant principal est le méthane CH₄. Le gaz commercialisé est du méthane presque pur, les autres gaz présents dans le gisement étant retirés. On peut trouver, en quantité extrêmement variables d'un gisement à l'autre :

des hydrocarbures plus lourds que le méthane, comprenant de deux à huit atomes de carbone dans leur chaîne (C2 à C8).
du dioxyde de soufre (SO₂) ou sulfure d'hydrogène appelé aussi « gaz acide » {{H₂S}}
du dioxyde de carbone CO₂
de l'azote (N₂)
parfois de petites quantités d'hélium (He).

Origine [modifier]

Comme pour le pétrole, la formation d'un gisement de gaz nécessite un concours de circonstances géologiques. D'abord, de la matière organique est piégée dans des sédiments, ce qui donne une matière appelée kérogène.

La formation du gaz naturel fossile peut résulter de deux processus distincts :

On parle de gaz thermogénique lorsque le méthane résulte de la décomposition par la chaleur du kérogène, ou du pétrole formé dans une étape précédente. Le gaz thermogénique est souvent associé à du pétrole.

Le gaz biogénique résulte de la décomposition, par des bactéries, des matières organiques. Sa composition est sensiblement différente. Le gaz biogénique représente environ 20 % des réserves mondiales, il s'agit en général de gisements de petite taille à faible profondeur. L'Italie, par exemple, possède beaucoup de gaz de ce type.

La décomposition anaérobie de matière organique permet d'obtenir du méthane de façon renouvelable : on parle alors de méthanisation et de biogaz. Le méthane est ainsi le seul hydrocarbure classique qui peut être obtenu grâce à un processus biologique naturel.

On peut aussi rattacher au gaz naturel le méthane présent dans les strates de charbon. Au début du XXI^e siècle, sa récupération est une activité émergente, notamment aux États-Unis et depuis peu au Canada. Ces pays font face à un début de pénurie de gaz naturel et ont d'importantes réserves de charbon.

Industrie du gaz [modifier]

Amont : extraction et traitement [modifier]

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 Gaz naturel liquéfié (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) 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.

Aval : transport [modifier]

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 considérable amélioré 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 soit sous forme liquide, à -162°C, sur des méthaniers du lieu de production vers les lieux de consommation. Sous cette forme liquide, le méthane offre, à volume égal avec le fioul domestique, un pouvoir calorifique qui correspond à plus de la moitié du pouvoir calorifique de celui-ci (1).

Mais cette solution qui permet de « condenser » l'énergie gazeuse sous un volume réduit exige des investissements très lourds, tant pour la liquéfaction (2) que pour le transport (3). 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 transports, qui ont des réservoirs cryogéniques, coûtent également très cher : environ 150 millions d'euros pour une capacité de 65 000 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 le flambée du prix du pétrole depuis le début du XXI^e 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.

À l'arrivée aux lieux de consommation, le gaz naturel est fractionné, si nécessaire, pour le séparer de l'éthane, du propane et du butane, puis le regazéfier. Ici encore, il faut des investissements énormes pour la réception, le stockage et la regazéification.

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.

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. Pour le gaz de Lacq, ce PCS est de 9,6 thermies.
Sous une pression de 45,8 bars, le point critique du gaz naturel est de -82,3°C. Pour le liquéfier, il faut fournir une température inférieure à celle-ci.
Pour le transport du gaz naturel sous forme liquide à la pression atmosphérique, il faut maintenir dans les cuves une température de -160°C.

Article détaillé : Gaz naturel liquéfié.

Utilisation [modifier]

Le gaz naturel est l'un des moyens énergétiques les moins polluants, car sa combustion est complète :

CH₄ + 2O₂ --> CO₂ + 2H₂O

Comme tous les combustibles fossiles, après combustion, il rejette du gaz carbonique, mais seulement 55 kg par gigajoule de chaleur produite, contre 75 pour le pétrole brut, et 100 environ pour le charbon. L'avantage du gaz naturel est encore plus grand si l'on tient compte des émissions en cycle complet 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 d'oxydes d'azote (NOx), et quasiment aucune pollution locale comme les oxydes de soufre, les poussières, etc. Cet intérêt écologique a une conséquence économique directe : 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. De plus, le gaz naturel ne laisse pas de cendres.

Il est utilisé comme source d'énergie dans l'industrie afin de produire de la chaleur (chauffage, fours,...) et de l'électricité. En 2006, au niveau mondial, plus de 20 % 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 sert à la propulsion des véhicules (GNV).

Le gaz naturel est aussi 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 :

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.

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, moins polluant, et moins « sensible » au niveau géopolitique. 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.

Pouvoir calorifique du gaz naturel [modifier]

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 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 zéro (0) degré Celsius, tous les produits de combustion étant ramenés à 0°C et une pression de 1,013 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 PCS/PCI pour le gaz naturel : 1,111

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.

Chiffres [modifier]

Production (données 1998)
- La production mondiale de gaz naturel est de 1 949 millions de tep
- 31,4 % est produit en Amérique du Nord (États-Unis : 22,6 %)
- 29,1 % en Europe de l'Est (Pays de l'ex-URSS : 28,4 %)
- 11,8 % en Europe de l'Ouest (France : 0,1 %)
- 9,1 % en Extrême-Orient
- 8 % au Moyen-Orient
- 4,9 % en Afrique (Algérie : 3,5 %)
- 4,1 % en Amérique du Sud
- 1,6 % en Océanie

Consommation (données 1998)
- La consommation mondiale de gaz naturel est de 2 milliards de tep
- 29,8 % est consommé en Amérique du Nord (États-Unis : 22,7 %)
- 4 % en Amérique du Sud
- 17,9 % en Europe de l'Ouest (France : 1,7 %)
- 24,05 % en Europe de l'Est (ex-URSS : 22,6 %)
- 2,2 % en Afrique
- 7,45 % au Moyen-Orient
- 9,9 % en Extrême-Orient (Japon : 3 %)
- 4,7 % en Océanie (Australie : 0,9 %)