Le
gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit
d'un mélange d'hydrocarbures trouvé naturellement sous forme gazeuse.
C'est la deuxième source d'énergie la plus utilisée dans le monde après
le pétrole et son usage se développe rapidement.
Types de gaz naturel
Il existe plusieurs formes de
gaz
naturel, se distinguant par leur origine, leur composition et le type
de réservoirs dans lesquels ils se trouvent. Néanmoins, le gaz est
toujours composé principalement de
méthane
et issu de la désagrégation d'anciens organismes vivants. Aux
différents types de gaz naturels cités ci-après, on pourrait adjoindre
le
biogaz, un substitut renouvelable.
Gaz conventionnel non associé
C'est la forme la plus exploitée de gaz naturel. Son processus de formation est similaire à celui du
pétrole. On distingue le gaz thermogénique primaire, issu directement de la pyrolyse du
kérogène,
et le gaz thermogénique secondaire, formé par la pyrolyse du pétrole.
Le gaz thermogénique comprend, outre le méthane, un taux variable
d'hydrocarbures plus lourds, pouvant aller jusqu'à l'heptane (C
7H
16). On peut y trouver aussi du
dioxyde de carbone (CO
2), du dioxyde de soufre (SO
2), du sulfure d'
hydrogène appelé aussi " gaz acide " (H
2S), et parfois de l'
azote (N
2) et de petites quantités d'
hélium (He).
Gaz associé
Il s'agit de gaz présent en solution dans le pétrole. Il est séparé
lors de l'extraction de ce dernier. Pendant longtemps, il était
considéré comme un
déchet et détruit en torchère, ce qui constitue un gaspillage de ressources énergétiques non renouvelables et une
pollution inutile. Aujourd'hui, l'essentiel est soit réinjecté dans les gisements de pétrole (contribuant à y maintenir la
pression
et à maximiser l'extraction du pétrole), soit valorisé. Néanmoins, la
destruction en torchère est encore d'actualité dans certaines villes.
Gaz biogénique
Le gaz biogénique est issu de la fermentation par des
bactéries de sédiments organiques. À l'instar de la
tourbe, c'est un
combustible
fossile mais dont le cycle est relativement rapide. Les gisements
biogéniques sont en général petits et situés à faible profondeur. Ils
représentent environ 20% des réserves connues de gaz conventionel. Le
gaz biogénique a moins de valeur par
mètre cube que le gaz thermogénique, car il contient une part non négligeable de gaz non combustibles (notamment du CO
2) et ne fourni par d'hydrocarbures plus lourds que le méthane.
Gaz de charbon
Le charbon contient naturellement du méthane et du CO
2
dans ses pores. Historiquement, ce gaz a surtout été connu pour la
menace mortelle qu'il présente sur la sécurité des mineurs - il est
alors resté dans la
mémoire
collective sous le nom de grisou. Cependant, son exploitation est en
plein développement, en particulier aux États-Unis. L'exploitation porte
sur des strates de charbon riches en gaz et trop profondes pour être
exploitées de façon conventionnelle. Il y a eu des essais en
Europe
également, mais la plupart des charbons européens sont assez pauvres en
méthane. La Chine s'intéresse également de plus en plus à
l'exploitation de ce type de gaz naturel.
Gaz de schiste
Certains schistes contiennent aussi du méthane piégé dans leurs
fissurations. Ce gaz est formé par la dégradation du kérogène présent
dans le schiste, mais, comme pour le gaz de charbon, il existe deux
grandes différences par rapport aux réserves de gaz conventionnel. La
première est que le schiste est à la fois la roche source du gaz et son
réservoir. La
seconde
est que l'accumulation n'est pas discrète (beaucoup de gaz réunis en un
point) mais continue (le gaz est présent en faible concentration dans
un énorme
volume de roche), ce qui rend l'exploitation bien plus difficile.
Hydrates
Les Hydrates de méthane sont des structures de glace contenant du
méthane prisonnier. Ils sont issus de l'accumulation relativement
récente de glace contenant des déchets organiques, la dégradation est
biogénique. On trouve ces hydrates dans le permafrost ou sur le plancher
océanique. Le volume de gaz existant sous cette forme est inconnu,
variant de plusieurs ordres de grandeur selon les études. Aucune
technologie ne permet actuellement d'exploiter ces ressources.
Industrie du gaz
Amont : extraction et traitement
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 C
5 à C
8.
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 C
1 à C
4, CO
2, H
2S 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 C
2 à C
4 sont vendus sous le nom de
gaz de pétrole liquéfié (GPL, et non pas
Gaz naturel liquéfié (GNL)). Le CO
2 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
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 considérablement améliorée 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 sous forme
liquide, à -162°C et à
pression atmosphérique,
dans des méthaniers du lieu de production vers les lieux de
consommation : c'est ce que l'on appelle le GNL, ou Gaz Naturel
Liquéfié. Sous cette forme liquide, le gaz naturel offre, à volume égal
avec le
fioul domestique, un pouvoir calorifique qui correspond à plus de la moitié du pouvoir calorifique de celui-ci
Mais cette solution qui permet de " condenser " l'
énergie gazeuse sous un volume réduit exige des investissements très lourds, tant pour la
liquéfaction que pour le transport
.
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 : en 2006, plus de 200 millions d'euros pour
une capacité de 100 000 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
XXIe 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.
Utilisation
Le
gaz naturel est l'un des moyens énergétiques les moins polluants. En effet, lorsque sa
combustion est complète, il n'émet que de l'
eau et du dioxyde de carbone :
- 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 sur le cycle complet " du puits au brûleur " 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 pratiquement 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 est utilisé en France comme
carburant pour les véhicules (GNV). Mais déjà plus d'un million de véhicules au gaz naturel roulent déjà dans le monde, dans des
pays comme l'Argentine et l'Italie.
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 :
- engrais,
- résines,
- plastiques,
- solvants.
- Raffinage du pétrole
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 (NH
3) et l'urée (CO(NH
2)
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 en général, moins polluant,
il permet également une diversification des approvisionnements
énergétiques des pays importateurs (géopolitique), même si la crise
entre l'Ukraine et la Russie au début de l'
année
2006 montre que ce n'est pas "LA" solution miracle. 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
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 (m³(n)) 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 0°C (zéro
degré Celsius), tous les produits de combustion étant ramenés à 0°C et une pression de 1,01325 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 PCI/PCS pour le gaz naturel : environ 0,9028 (3,25/3,6)
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.
Enjeux géopolitiques
Le gaz naturel, en tant que ressource abondante, peu chère et
disponible n'est plus d'actualité. En effet, les pays qui disposent des
ressources les plus importantes (Russie en tête avec un tiers des
réserves mondiales, mais aussi Algérie, Bolivie, etc) l'utilisent
dorénavant à des fins politiques et diplomatiques
. Le gaz est en
train
de devenir un enjeu majeur et la pérennité des approvisionnements est
une préoccupation illustrée par les nombreux débats au sein de l'Union
européenne autour de la signature de la Charte européenne de l'énergie
par la Russie ou pas.
Les pays de l'ancien bloc soviétique, qui cherchaient à sortir de la
sphère d'influence russe pour ne plus dépendre de
Moscou, dépendent aujourd'hui en grande partie de
Gazprom,
le groupe que le Kremlin a constitué pour assurer une domination de ce
secteur économique mais aussi pour accroître la dépendance des pays
européens vis-à-vis des livraisons russes.
Le
contexte
actuel, marqué par une insécurité des approvisionnements en provenance
du Moyen-Orient (avec la question de l'Iran et son programme nucléaire),
accroît les tensions sur les marchés mondiaux des hydrocarbures. La
Russie cherche à en tirer profit afin de remettre en
route son économie mais aussi pour retrouver la
puissance perdue. Elle est ainsi qualifiée de "super-puissance énergétique" (Richard Lugar) ou de "énergocratie" (Françoise Thom).
Chiffres
En 2005, selon BP, le monde a produit 2743 milliards de mètres cubes
de gaz naturel, en hausse de 2,5% par rapport à l'année précedente
(alors que la production de pétrole n'a augmenté que de 1%). La Russie
représente 22% de la production mondiale.
Les chiffres de production de gaz naturel sont assez complexes à
interpréter, selon les modes de calcul on peut ou non compter le gaz
associé brulé en torchère, compter les volumes de gaz avant ou après
extraction des polluants, etc. Les chiffres de l'AIE sont d'ailleurs
différents de ceux de BP, avec une production mondiale de 2871 G(m
3) pour la même année, soit près de 5% plus que BP.
|
Pays |
Production (G.m3) |
Production (Mtep) |
Notes |
1 |
Russie |
598 |
540 |
Principalement en Sibérie Occidentale |
2 |
Etats-Unis |
525 |
473 |
Rôle croissant du gaz non conventionnel et de l'offshore profond |
3 |
Canada |
185 |
167 |
En déclin probable |
4 |
Algérie |
88 |
79 |
Plus de 50% de la production africaine |
4 |
Royaume-Uni |
88 |
79 |
Déclin rapide |
6 |
Iran |
87 |
78 |
Réserves sous-exploitées |
7 |
Norvège |
85 |
76 |
Troll, Ormen Lange |
8 |
Indonésie |
76 |
68 |
Exportations en déclin |
9 |
Arabie Saoudite |
70 |
62 |
Réserves sous-exploitées |
10 |
Pays-Bas |
62 |
57 |
Voir Groningue (gisement) |
11 |
Malaisie |
60 |
54 |
|
12 |
Turkmenistan |
59 |
53 |
Dauletabad. |
13 |
Ouzbékistan |
56 |
50 |
|
14 |
Chine |
50 |
45 |
Croissance très rapide (prod. doublée en 5 ans) |
15 |
Emirats |
47 |
42 |
|
16 |
Argentine |
46 |
41 |
Déplétion rapide des réserves |
|
TOTAL MONDIAL |
2763 |
2486 |
|
Pour plus d'informations sur la production par pays, on pourra se
reporter à la série régions pétrolifères. Les principaux pays
exportateurs, suivant l'EIA, sont :
|
Pays |
Exportations (G.m3) |
Exportations (Mtep) |
Types d'exportations |
Clients principaux |
1 |
Russie |
203 |
183 |
Gazoduc |
Europe, Turquie |
2 |
Canada |
106 |
95 |
Gazoduc |
Etats-Unis |
3 |
Norvège |
82 |
74 |
Gazoduc |
Europe |
4 |
Algeria |
68 |
62 |
Gazoducs et GNL |
Europe |
5 |
Pays-Bas |
52 |
47 |
Gazoduc |
Pays voisins |
6 |
Turkmenistan |
49 |
45 |
Gazoducs |
Injection dans le réseau russe |
7 |
Indonesie |
36 |
33 |
GNL |
Japon, Corée du Sud |
8 |
Malaysie |
32 |
29 |
GNL |
Japon, Corée du Sud |
9 |
Qatar |
28 |
25 |
GNL |
Europe, Asie |
Ici encore, ces
données demandent quelques remarques :
- Il s'agit d'exportations brutes, c'est-à-dire que le volume des
importations n'en est pas déduit. Par exemple, le Canada a exporté 105
G.m3 aux Etats-Unis, mais a aussi importé 10 G.m3 de ce pays. De même,
la Russie importe du gaz turkmène.
- Ces données n'incluent pas les exportations de produits directement dérivés du gaz, comme le méthanol ou l'ammoniac.