Procédé Fischer-Tropsch

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Le procédé Fischer-Tropsch est une réaction chimique de catalyse de monoxyde de carbone et d'hydrogène en vue de les convertir en hydrocarbure. Les catalyseurs les plus courants sont le fer ou le cobalt. L'intérêt de la conversion étant de produire du carburant liquide synthétique, le Syncrude, à partir de charbon ou de gaz. La conversion Fischer-Tropsch est un procédé très performant en terme de rendement, mais qui nécessite des investissements très lourds, ce qui le rend économiquement vulnérable aux fluctuations à la baisse du cours du baril de pétrole. Par ailleurs, l'étape de production du gaz de synthèse (le mélange d'H₂ et de CO) présente un rendement assez médiocre, ce qui pénalise le rendement global du procédé.

[modifier] Procédé originel

Le procédé de Fischer-Tropsch tel que découvert par ses deux inventeurs est le suivant :

$CH_4 + \begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix}O_2 \rarr 2 H_2 + CO$

$(2n+1)H_2 + nCO \rarr C_nH_{2n+2} + nH_2O$

Le mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène est appelé gaz de synthèse ou syngas. La production résultante (brut de synthèse ou syncrude) est raffinée pour obtenir le carburant synthétique désiré.

[modifier] Histoire

[modifier] Synthétique essence

L'invention du procédé Fischer Tropsch date de 1925 et est attribuée à deux chercheurs allemands, Franz Fischer et Hans Tropsch, travaillant pour le Kaiser Wilhelm Institut (Allemagne). Ce procédé repose sur la réduction catalytique des oxydes de carbone par l’hydrogène en vue de les convertir en hydrocarbure. Son intérêt est de produire un pétrole de synthèse (syncrude) qui est ensuite hydrocraqué afin de fournir du carburant liquide synthétique (synfuel), à partir de charbon ou de gaz.

Ce procédé a été mis au point et exploité par l'Allemagne, pauvre en pétrole et en colonies pétrolifères, mais riche en charbon pour produire du carburant liquide, qui été massivement utilisé par les Allemands et les Japonais durant la Seconde Guerre mondiale. Ainsi a été monté la première usine pilote par Ruhrchemie AGS en 1934 et industrialisé en 1936. Au début de 1944, le Reich produisait quelque 124 000 barils/jour de combustibles à partir de charbon, ce qui représentait plus de 90% de ses besoins en essence d'aviation et plus de 50% du besoin total du pays en combustibles . Cette production provenait de 18 usines de liquéfaction directe mais aussi de 9 petites usines FT, qui produisaient quelque 14 000 barils/jour.

Le Japon a aussi tenté de produire des combustibles à partir de charbon, la production s’effectuait principalement par carbonisation à basse température, un processus peu efficace mais simple. Cependant, l'entreprise Mitsui a acheté une licence du processus Fischer Tropsch à Ruhrchemie pour construire trois usines en Miike, Amagasaki et Takikawa, qui n'ont jamais atteint leurs capacités nominales ce qui est dû à des problèmes de conception. Dans les années 1944 le Japon produisait 114 000 tonnes de combustible à partir de charbon, mais seulement 18.000 d'entre elles étaient faites selon le procédé FT. Entre 1944 et 1945 les usines allemandes et japonaises ont été très endommagées par les bombardements alliés, et la majorité a été démontée après la guerre.

Les scientifiques allemands qui avaient mis au point le processus FT ont été capturés par les Américains et sept d'entre eux envoyés aux États-Unis dans le cadre de l'Opération Paperclip. Cependant après structuration du marché pétrolier, et la forte baisse des prix, les États-Unis ont abandonné les recherches et le procédé Fischer-Tropsch est tombé en désuétude. Au cours des années 1950, il a cependant retrouvé de l'intérêt en Afrique du Sud : ce pays, disposant d'abondantes ressources de charbon, a construit des mines hautement mécanisées (Sasol) qui approvisionnent des unités CTL, dont la production repose sur deux synthèses Fischer Tropsch distinctes :

Procédé Arge (développé par Ruhrchemie- Lurgi) pour la production d’hydrocarbures à haut point d’ébullition, tels que le gasoil et les cires.
Procédé Synthol pour la production d’hydrocarbures à points d’ébullition plus bas, tels l’essence, l’acétone et les alcools.

La production suffisait à son alimentation en carburants routiers. En 2006, ces unités couvrent environ un tiers des besoins sud-africains, et la société Sasol est devenue l'un des spécialistes mondiaux en la matière. Après le premier choc pétrolier de 1973, qui a provoqué l’augmentation du prix du pétrole brut, plusieurs sociétés et chercheurs ont essayé d’améliorer le procédé de base de Fischer-Tropsch, ce qui a donné naissance à une grande variété de procédés similaires, regroupés sous le volet de synthèse Fischer-Tropsch ou chimie Fischer-Tropsch.

[modifier] Perspectives

Centrale de conversion Fischer-Tropsch à Güssing, Burgenland, Autriche

Conduites de la centrale de Güssing, Burgenland, Autriche

C'est dans les années 2000 et l'augmentation du prix du pétrole que le procédé retrouve un intérêt économique. Ainsi le département de la Défense a préconisé en septembre 2005 le développement d'une industrie pétrolière basée sur l'exploitation des ressources énergétiques des États-Unis en charbon en vue de produire du carburant par le procédé Fischer-Tropsch et ainsi de ne pas être dépendant de ressources naturelles extérieures pour ses propres besoins.

Depuis 2006, un B52 de l'US Air Force réalise des essais avec du carburant Fischer-Tropsch, en mélange à 50% ou pur. Pour l'instant, c'est un succès qui va permettre à l'armée américaine de retrouver une indépendance stratégique pour son carburant militaire.

Le principe général de la réaction Fischer-Tropsch s'est beaucoup enrichi depuis l'origine, et a donné naissance à des procédés et appellations plus génériques, telles que CTL (Coal to Liquids), GTL (Gas to Liquids), BTL (Biomass to Liquids), parfois décrits génériquement par "XTL".

Les difficultés croissantes d'approvisionnement en pétrole, ainsi que la tendance à la hausse du prix de cette matière première, laissent envisager un renouveau d'intérêt pour cette application dans les pays où le charbon est abondant. Elle présente le désavantage d'un bilan CO₂ très lourd qui pourrait cependant être limité en mettant en place des solutions de captage et de stockage de ce CO₂. Le rendement énergétique global de cette technologie demeure également un point faible.