Les GTL ou " Gas to Liquids ", une technologie qui permet de transformer directement le gaz naturel en divers produits pétroliers synthétiques liquides, font l’objet d’un intérêt grandissant depuis quelques années, de la part des compagnies pétrolières, des Etats, des industriels, des universités et des centres de recherche et de développement technologique.

En fait, une véritable course contre la montre s’est engagée entre les différents groupes, mus par des intérêts stratégiques ou commerciaux, qui s’évertuent à développer leur propre procédé en vue d’obtenir les coûts production les plus bas et les meilleurs rendements.

La technologie qui repose sur des principes chimiques et physiques connus depuis les années 1920, n’est pas encore au point, malgré l’existence de quelques unités industrielles en Afrique du Sud et une en Malaisie et de quelques prototype de laboratoires.

Cependant, les annonces de construction de nouvelles usines de GTL et la publication d’articles dans la presse spécialisée, sur la mise au point de procédés rentables et fiables, pullulent et vraisemblablement cela rentre dans le cadre de la course contre la montre mentionnée précédemment et la " guerre commerciale " que se livrent les inventeurs potentiels.

L’enjeu est certes, de taille aussi bien pour les Etats, les compagnies pétrolières et les industriels.

Les premiers, à leur tête les Etats-Unis qui ont injecté d’importants crédits par le biais du Department of Energy (DOE) et US Department of Commerce Agency, pour le développement de systèmes, la construction de modèles et la recherche fondamentale et expérimentale sur des procédés et méthodes totalement nouveaux tels que les membranes en céramique. Cela en vue de disposer d’une technologie autonome et de mieux exploiter leurs ressources en hydrocarbures.

Les compagnies pétrolières pour leur part, veulent avoir leur propre procédé, le mettre en œuvre dans leurs unités et pourquoi pas, le commercialiser.

Les sociétés d’engineering, d’équipements et de construction d’installations pétrolières, anticipent un futur marché qui va exploser dans les années à venir.

Au cœur de toute cette agitation, se trouve la société Sud Africaine Sasol (South African Coal, Oil and Gas Corp), pionnier de la technologie GTL, qui commercialise dans le monde entier son procédé GTL et qui signe des accords de coopération technique avec de nombreuses compagnies pétrolières qui ne souhaitent pas rater le train de cette nouveauté.

Pour notre part, au niveau du Département de Conservation des Hydrocarbures du Ministère, notre attention a été attirée il y a une dizaine d’années, par des études menées par le Norvegian Petroleum Directorate (NPD) qui recherchait les meilleurs voies et moyens pour exploiter une multitude de petites accumulations de gaz et le gaz associé de nombreux autres gisements de brut, découverts en Mer du Nord, et pour lesquels les méthodes conventionnelles n’étaient pas applicables pour des raisons techniques et économiques.

Le NPD, recommandait à l’époque, de transformer le gaz naturel en méthanol au niveau de petites unités ou modules offshore et de le transporter ainsi par des navires-citernes, vers la côte. Des crédits avaient été dégagés dans ce sens en faveur de Statoil et d’autres sociétés norvégiennes, en vue d’effectuer les recherches et travaux nécessaires.

Très vite, le NPD et Statoil ont reporté leur intérêt vers les GTL qui semblaient mieux répondre à leurs préoccupations. Ce n’est que récemment de Statoil, conjointement avec BP, se sont associés à Sasol pour développer des procédés capables de transformer en produits liquides, les petites réserves de gaz naturel et les gaz associés.

Ces efforts étaient suivis avec intérêt de notre part, qui voyions dans ces technologies une solution viable pour d’une part, exploiter les nombreuses petites découvertes de gaz qui ne justifiaient pas la construction d’un gazoduc et d’autre part, réduire ou supprimer le torchage du gaz associé au niveau de certains gisements d’huile.

Notre approche qui était à l’origine une démarche " Amont " s’est retrouvée engagée dans des développements " Aval ".

Un sujet sur les GTL a été introduit auprès de l’AIG lors de son 2^e Symposium.

2. Principes de base

2.1/Principe de base

Il s’agit, à partir du gaz naturel qui est formé de molécules de petites dimensions, fabriquer des produits ayant des molécules de tailles beaucoup plus grandes.

Le composant majoritaire du gaz naturel étant le méthane dont la molécule comprend 4 atomes d’hydrogène solidement disposés autour d’un atome de carbone, est caractérisé par une stabilité particulière.

Sa transformation en liquide nécessite en premier lieu, la destruction des liens chimiques entre atomes par un important apport extérieur d’énergie, sous forme de chaleur et avec des pressions élevées. Des catalyseurs judicieusement sélectionnés participent à la réaction chimique, sans être eux-mêmes altérés ou consommés.

L’approche conventionnelle dite " indirecte ", utilisée pour rompre ces liens, repose sur la puissance pure ; les liens chimiques de la molécule de méthane sont rompus en utilisant la vapeur, la chaleur et un catalyseur au nickel, ce qui abouti à la formation d’un mélange de CO et hydrogène, généralement connu sous le nom de " syngas " ou gaz synthétique.

L’étape suivante transforme le " syngas " en divers fuels liquides, par le procédé Fisher Tropsh, inventé en 1923 et qui portent d’ailleurs, le nom de ses 2 inventeurs. Les catalyseurs jouent un rôle primordial dans ce processus.

Les fuels liquides ainsi formés sont ensuite raffinés selon les méthodes classiques, en divers produits.

2.2. Les différentes étapes

Le processus de transformation du gaz naturel en hydrocarbures synthétiques liquides, comprend 3 étapes distinctes :

Le processus de raffinage de ces produits synthétiques est cependant, plus aisé en raison de l’inexistence de soufre et autres composants tels que des métaux.

Seules les 2 premières étapes sont réellement considérées comme faisant partie de la technologie GTL.

L’étape de transformation du gaz naturel en " syngas " ou gaz synthétique, bien que très fiable, consomme d'importantes quantités et est très coûteuse.

Elle nécessite la compression du méthane et de la vapeur à une pression dépassant 30 fois la pression normale et une température de 900° C. De plus, l’apport de chaleur doit être constamment maintenu par un apport d’oxygène qui provoque la combustion d’une partie du gaz naturel (oxydation partielle), évaluée à 30 % environ.

Le procédé nécessite une grande quantité d’oxygène qui provient d’une unité de séparation de l’air qui absorbe également une grande d’énergie.

Cette phase revient à plus de 45 % du coût de l’ensemble de l’usine GTL.

La plupart des efforts de recherche/développement entrepris ces dernières années, ont été axés sur l’amélioration des rendements et la réduction des coûts de production du " syngaz ", qui est le passage commun à tous les procédés GTL.

Les récents développements ont finalement abouti à la mise au point de procédés utilisant directement de l’air au lieu de l’oxygène pur, extrait à partir de l’air.

La société Syntroleum de Tulsa en Oklahoma (USA) a annoncé il y a 2 années, la construction d’un prototype en laboratoire qui utilise directement de l’air et qui permet de produire des fuels à des prix supportant la concurrence avec les produits pétroliers classiques. Elle a également annoncé la prochaine construction d’une telle unité avec la participation de la société Brown & Root.

Dans les sites où le gaz est disponible et peu cher, la technologie s’avère rentable même avec les prix actuels du brut.

D’autres sociétés ont fait des annonces similaires dont celle de sociétés japonaises qui utilisent directement le gaz naturel avec du gaz carbonique et de l’eau.

Le gaz de synthèse est traité par l’intermédiaire d’un catalyseur dans un réacteur Fisher Tropsh (FT) pour produire un ensemble de distillats moyens composé des huiles lourdes et légères, lesquelles peuvent ensuite, être raffinées en divers produits pétroliers synthétiques, ne comportant ni soufre ni métaux lourds.

La conversion chimique FT abouti à la production d’une grande variété de produits tels que le naphta, kérozène, diesel, essence, lubrifiants, paraffines, GPL, …

Les technologies actuelles se concentrent sur le diesel, naphta et kérozène.

La réaction FT est commune à l’ensemble des systèmes existants ou annoncés. Elle repose sur le procédé découvert par les scientifiques allemands Fisher et Tropsh qui l’ont mis en œuvre pour la 1^e fois, à l’échelle industrielle en Allemagne dans les années 40.

Les diverses méthodes diffèrent sur le type de catalyseurs utilisés (nickel, cobalt, acier, etc...).

2.5. Le cas Sasol

Comme cela a été présenté en introduction, la compagnie Sasol constitue un cas unique, digne d’intérêt dès lors que les 1^e usines de fabrication de carburants synthétiques à partir de gaz extrait du charbon, ont été construites dans les années 50 en Afrique du Sud, avec des conditions commerciales rentables, dans la conjoncture de l’époque.

Sasol a recours à la méthode classique pour la génération du " Syngas " puis au procédé FT, avec un catalyseur cobalt, nickel ou acier.

Sasol aujourd’hui est leader dans son domaine et conclue de très nombreux accords avec des compagnies pétrolières, pour une assistance technique, la formation de sociétés mixtes, la construction d’unités GTL ou la prise de participation dans des projets GTL.

Sasol s’est rendue en Algérie à plusieurs reprises à l’occasion des différents rencontres bilatérales organisées ici et même en Afrique du Sud. Les contacts entrepris ont surtout concerné le secteur minier.

La technologie mise au point par Sasol qui poursuit d'ailleurs, son amélioration, lui procure de confortables revenus sous forme de droits d’utilisation de brevets, lui assure des prises de participation dans l’ensemble des usines GTL à construire et lui permet en plus, d’accéder à des technologies qu’elle ne maîtrise pas, détenues par ses partenaires.

3. Histoire

- L’histoire des GTL a commencé en 1923 en Allemagne, quand Franz Fisher et Hans Tropsh ont mis au point la réaction de conversion transformant le gaz en hydrocarbures liquides.

Le gaz utilisé était extrait à partir du charbon.

Lors de la 2^e Guerre Mondiale, quand les approvisionnements du pays en pétrole brut étaient coupés, les Allemands ont eu recours de manière extensive, à cette technologie pour produire les carburants dont ils avaient besoin.

Il est à signaler que les 1^e usines ont été construites vers 1937-1938 dans ce pays.

- Ensuite, après la crise pétrolière qui a secoué le monde à la fin de la 2^e Guerre Mondiale, les Américains ont réalisé une usine GTL, la Hydrocol Plant a Bronsville au Texas. C’était une expérience qui n’a pas eu de suite.

- Sasol est entrée en lice dès les années 1950, en Afrique du Sud, avec sa 1^e usine de fabrication de carburants synthétiques à partir du gaz issu du charbon.

En 1982, Sasol construit 2 nouvelles unités GTL qui permettent à l’Afrique du Sud, placée sous embargo économique en raison de sa politique d’apartheid, d’alimenter le pays en carburants à des prix compétitifs.

- Mobil met au point son procédé MTG qu’elle expérimente en Nouvelle Zélande.

- En 1989, Syntroleum dépose son 1^e brevet GTL.

- Au milieu des années 1990, Shell et Exxon mettent au point leurs procédés respectifs.

Shell ouvre une unité GTL en Malaisie en 1993.

- Un incendie s’est déclaré en 1997 au niveau de l’unité de séparation de l’air de l’usine Shell de Malaisie, montrant ainsi que les problèmes de sécurité au niveau de ce genre d’installations restent encore non maîtrisés.

- Syntroleum conclue plusieurs accords de coopération technologique avec Texaco en 1996, Marathon et Repsol en 1997 et Enron en 1998.

- Statoil conjointement avec BP, se sont associés avec Sasol pour développer des systèmes GTL convenant aux spécificités de la Mer du Nord.

- La 1^e conférence internationale entièrement consacrée aux GTL a eu lieu en 1998 à Londres.

- Durant l’ensemble de ces phases, la technologie GTL n’a cessé de progresser en abaissant régulièrement les coûts, la rendant compétitive par rapport aux produits conventionnels avec cependant, l’application de quelques conditions favorables (fiscalité et prix de cession bas du gaz naturel).

4. Intérêt de la technologie

Ce chapitre expose les principaux intérêts que présente la technologie GTL, lesquels doivent normalement justifier et expliquer la course engagée parmi les grandes compagnies pétrolières.

Les petits gisements de gaz dont le niveau des réserves ne peut justifier un développement, ne sont pas exploités. La technologie GTL permet d’envisager leur exploitation avec le recours de modules déplaçables, les produits liquides étant injectés dans les oléoducs ou transportés par citernes.

Le torchage des gaz qui ne peuvent être récupérés, sont transformés en liquides et injectés dans les oléoducs.

Les produits GTL ne contiennent pas de composants favorisant l’effet de serre ou polluants.

Les infrastructures d’exploitation du brut existantes, peuvent continuer à fonctionner même quand la production chute ou s’arrête.

C’est une préoccupation de cette nature qui a poussé les Autorités Américaines à s’intéresser à la technologie GTL afin de l’appliquer aux gisements de North Slope en Alaska, dont la production va rapidement décliner dans les prochaines années.

Le gaz naturel étant abondant dans ces gisements, sa conversion en liquides permettra le maintien en fonctionnement des installations d’exploitation du brut, notamment l’oléoduc Trans-Canada.

La production d’huile de Prudhoe Bay qui atteint 200 000 baril/jour, va chuter de 10 à 12 % par an et elle ne sera pas relayée par l’apport de nouveaux gisements.

La moitié des réserves prouvées mondiales, évaluées à quelques 5 000 TCF, ne sont pas exploitables en raison de leur éloignement des réseaux de gazoducs et des marchés de consommations.

La technologie GTL ouvrira d’autres horizons à cette catégories de réserves.

De nouveaux marchés seront ouverts dès lors que le gaz naturel pourrait être commercialisé sous forme liquide.

Les produits GTL étant très " propres ", ils pourraient utilement être mélangés aux carburants conventionnels notamment, afin d’améliorer leurs qualités ou les rendre compatibles avec les spécifications requises.

Ces produits peuvent bénéficier, selon certaines évaluations, d’une prime de qualité (premium) qui peuvent aller jusqu’à 6 $/baril.

Compte tenu de cette qualité, les GTL pourraient dans les conditions actuelles, bénéficier de " primes " de qualité et améliorer ainsi les revenus.

Les provinces à gaz dépourvues d’infrastructures de transport de gaz, pourraient devenir attrayantes dès lors que les conditions d’évacuation de liquides sont disponibles ou moins contraignantes.

4.10. Optimisation des performances des moteurs

Les performances des moteurs fonctionnant aux GTL seraient optimisées.

5.1. ExxonMobil

- Avec son procédé MTG, mis en œuvre en Nouvelle Zélande (1985), avec une capacité de 11 500 baril/jour.

L’unité produit de l’essence par la filière méthanol et des dérivés chimiques.

- ExxonMobil avec son procédé Advanced Gas Conversion AGC-21, avec un catalyseur à base de cobalt, a ouvert une usine pilote qui peut produire de 2 baril/jour à 200 baril/jour de GTL.

- ExxonMobil a signé en 1997, un MOU avec le Qatar portant sur la construction d’une usine de 2 milliards $ pour une production de 20 000 baril/jour.

Le coût moyen d’une telle installation revient à 25 000 $/baril/jour de GTL sur la base d’un baril de pétrole à 15 dollar.

Le coût de production serait d’environ 5 $/baril.

5.2. Sasol

Sasol possède 3 usines en Afrique du sud avec une production de 20 000 baril/jour pour 2 unités et 4 000 baril/jour pour la 3^e unité.

5.3. Shell

- Shell a construit à Bintulu en Malaisie en 1993, une unité GTL avec une capacité de 12 500 baril/jour.

Elle produit surtout des paraffines.

L’usine est fermée suite à une explosion et incendie au niveau de l’unité de séparation de l’air qui fournit de l’oxygène pour la fabrication du " syngas ".

- Shell envisage un projet en Egypte avec 75 000 baril/jour couplé à un train GNL sur la côte en Méditerranée, avec un montant de 1,7 milliards $.

- Shell envisage un autre projet en Indonésie, de 70 000 baril/jour avec un input de 600 millions cf/jour.

5.4. BP

BP a construit une unité pilote en Alaska avec une capacité de 300 baril/jour.

L'étude documentaire effectuée a permis de rassembler les données suivantes :

- L'investissement nécessaire pour une unité GTL est de l'ordre de : 30 à 50 000 $/baril/jour.

BP avance le chiffre de 20 000 $/baril/jour.

Syntroleum affirme que des unités à 10 000 baril/jour seraint viables.

- Les coûts opératoires varient de 3 à 7 $/baril.

- Les évaluations ont été faites avec un prix de cession du gaz naturel de l'ordre de 0,50 $/Millions de BTU.

- Une unité de 50 000 baril/jour consomme 500 millions cf/jour. Des réserves de 5.4 TCF doivent être disponibles sur 30 ans.

Pour une capacité de 10 000 baril/jour, les données sont de 100 500 millions cf/jour pour 30 ans.

Les recherches visant à l’amélioration des procédés et à la réduction des coûts, s’orientent vers les directions suivantes :

6.1. Membrane en céramique

La mise au point de membranes en céramiques qui facilitent le passage de l’oxygène de l’air, avancent très rapidement en raison du niveau des crédits mis à la disposition des équipes de recherche, surtout de la part des Autorités Américaines.

Cette nouveauté permettra la séparation de l’air et l’oxydation partielle du méthane en une seule phase, afin de produire le " syngaz ".

La technologie des membranes céramique peut réduire les coûts de la phase " Syngas " de 25 % et amener une réduction de 15 % du coût de production des fuels liquides.

Le procédé abaisse la température de fonctionnement de 200 ° C et ne nécessite plus de liquéfaction de l’air.

6.2. Catalyseurs

Le 2^e axe de recherche porte sur le choix de catalyseurs utilisés dans la fabrication du " syngas ".

6.3. Conversion directe

Des méthodes encore au stade de la conception, envisagent d’aboutir à la conversion du gaz en liquides en une seule phase avec un coût inférieur de 50 %.

Ces méthodes directes, testées avec différents catalyseurs, n’ont pour l’instant pas donné de résultas probants, les produits formés étant très instables.

Les travaux menés pour circonscrire ces résultats ont abouti à des méthodes permettant la conversion directe du méthane en méthanol. Cela est une autre piste. Catalytica de Californie a réussi à obtenir un résultat avec un rendement de 70 %.

Le méthanol d'où est facilement extrait l’hydrogène, est pressenti dans ce cas, comme le carburant des futurs véhicules fonctionnant aux " piles à hydrogène ".

6.4. Réaction FT

Les travaux de recherche portent aussi, sur l’amélioration du vieux procédé FT, orienté vers l’obtention d’un meilleur contrôle de la chaleur et des mélanges.

6.5. Utilisation de bactéries

Certains laboratoires se sont lancés sur cette piste avec très peu de résultats signalés.

Les bactéries consomment le méthane en présence d’oxygène afin de produire du méthanol, dans des réactions biologiques à faibles températures.

7. Application en Algérie

L’ensemble des avantages présentées par les GTL et cités précédemment, peuvent trouver une application bénéfique en Algérie.

7.1. Gaz de torches

Les applications les plus immédiates pourraient concerner les gaz torchés actuellement au niveau des centres de traitement de l’huile ou du gaz, tels que ceux de Hassi Messaoud ou de Hassi R’Mel.

A l’exception des gaz qui sont mis à la torche pour des raisons de sécurité, la technologie GTL, permet la récupération de l’ensemble des quantités de gaz et leur transformation en liquides.

Des essais pourraient être facilement effectués sans procéder à de profondes modifications au niveau de ces installations.

7.2. Gaz associés

Certains gisements d’huile n’ayant pas encore reçu de programme de récupération des gaz associés, continuent à torcher de petites quantités de gaz afin d’optimiser la production d’huile.

Ce type de gisements seraient des candidats pour des pilotes GTL.

7.3. Gisements de gaz

Les petits gisements de gaz situés à de grandes distances de gazoducs ou les gisements de gaz qui ne peuvent injecter leur production dans les gazoducs en raison de leur saturation, méritent une attention particulière et une analyse orientée vers le recours éventuel à la technologie GTL.

Les plus grandes compagnies pétrolières ainsi que les universités et centres de recherche s’impliquent fortement dans ce domaine dont le potentiel de développement et d’amélioration reste énorme.

Nous ne devons pas rester à l’écart de ce domaine où nos entreprises, nos industries et spécialistes peuvent aisément apporter des contributions significatives.

Notre potentiel pétrolier présente une telle richesse et variété qui pourraient facilement donner lieu à un projet GTL fiable, pour lequel les grandes compagnies possédant une technologie GTL, seraient invitées à concourir.

En tant que pays gazier et acteur important dans le marché mondial du gaz, l’Algérie est directement concernée par cette technologie qui va provoquer à moyenne échéance, des changements au niveau de ce marché.

Une unité de 70 000 baril/jour nécessitera l'emploi de 400 personnes environ.

Les quantités supplémentaires de gaz qui seraient ainsi mobilisées, procureraient des revenus supplémentaires.

Les produits raffinés auxquels seraient mélangés une certaine quantité de GTL, pourraient aisément satisfaire les standards de qualité officiels.

8. Conclusion

La présente communication s’est fixée comme objectif de montrer que le secteur des hydrocarbures est sur le point d’intégrer une nouvelle technologie qui aura des répercutions énormes dans les court et moyen termes.

Cette technologie qui réduira les différences entre l’amont et l’aval de l’industrie des hydrocarbures, n’a pas encore dévoilé l’ensemble des retombées qu’elle induira.

Elle affectera l’ensemble des domaines de l’industrie des hydrocarbures dans un délai qui ne dépassera pas 10 années.

Elle dispose encore d’un fort potentiel de développement auquel nos industriels et spécialistes peuvent apporter leur contribution.

La communication n’a pas été centrée sciemment sur les aspects technologiques ( la documentation peut être mise à la disposition des participants intéressés ) ; il est vrai aussi, que s’agissant de procédés encore marqués par le secret, donnant lieu à des luttes de domination, les références disponibles ne portent que sur des données générales et publicitaires.

Cette technologie nécessitera pour son essor, dans un premier temps, des conditions économiques favorables, tels qu'une fiscalité réduite et un prix de cession du gaz réduit avec un environnement industriel local intéressant (existence d'un tissu industriel). C'est sur cette base que les analystes ont travaillé sur les évaluations économiques.

• GTL - Technology overview

• Main routes for Methane conversion to liquid fuels

• Conversion of the gas to the Naphta and Diesel

• Natural gas to refining and chemical processing

• Fischer-Tropsch Diesel Emissions

• Gas Flared-Vented Worldwide

• Stranded Gas Reserves

• Typical GTL Products Slate

• GTL Diesel Fuel Characteristics

• GTL-Exxon process

• GTL-Sasol process

• GTL-Shell process

• BP-Kvaerner process

• Simplified Syntroleum process

• Break-even crude price to achieve economic viability