Fischer Tropsch: combustible solide à carburant liquide

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Le procédé de Fischer Tropsch de synthétisation d’un carburant liquide

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Le procédé Fischer Tropsch est un procédé de liquéfaction assez complexe d’un combustible solide ou gazeux. Autrement dit, il permet d’obtenir un carburant liquide à partir d’un carburant solide ou gaz.

L’intérêt du procédé de liquéfaction est évident, voici ses 2 principaux arguments:

– un carburant liquide présente généralement un pouvoir calorifique volumique plus intéressant, c’est à dire que la même énergie chimique potentielle prendra un volume bien moins important lorsque le carburant est sous forme liquide que solide et encore plus pour le gaz. Ceci permet un stockage et un transport plus faciles.
Exemple: pour une même énergie stockée, les pellets de bois prennent environ 3,5 fois plus de volume que le mazout.

un carburant liquide est généralement bien plus facilement « enflamable » et permet une régulation de la puissance bien plus facile. Ce qui peut être un critère fondamental dans certains domaines énergétiques comme les transports, par exemple.

Le procédé Fischer-Tropsch (selon Wikipédia)

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, de bois 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.

Equation de Fischer-Tropsch

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

CH4 + 1/2O2 –> 2H2 + CO

(2n+1)H2 + nCO –> CnH(2n+2) + nH2O

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.

Origine et histoire de ce procédé (selon Wikipédia)

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, à partir de charbon ou de gaz, un pétrole de synthèse (syncrude) qui est ensuite rafiné afin de fournir du carburant liquide synthétique (synfuel).

L’origine allemande: 124 000 barils synthétiques par jour en 1944…

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.

Le carburant obtenu était tout de même de moins bonne qualité (et surtout constance) que les carburant d’origine pétrolière, les ingénieur ont donc eu recours à des injection d’eau afin de compenser des indices d’octane assez faibles. En savoir plus: l’injection d’eau dans les Messerschmitt.

Cette production provenait de 18 usines de liquéfaction directe mais aussi de 9 petites usines FT, qui produisaient quelque 14 000 barils/jour.

…mais aussi au Japon

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.

Abandon de la technologie après la guerre sauf en Afrique du Sud

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.

Toujours utilisé actuellement

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.

Un B-52 qui vole au charbon aux USA

Depuis les années 2000, le procédé retrouve donc un intérêt économique. Ainsi le département de la Défense américaine 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.

Applications éconologiques et durables

Le fait de liquéfier le charbon ou du gaz ne change rien, ou pas grand chose, à l’effet de serre et à l’épuisement des ressources fossiles, en effet; le carbone sera rejeté tôt ou tard dans l’atmosphère et la ressource naturelle employée n’est pas renouvelable.

Il en va tout autrement en utilisant le procédé Fischer-Tropsch à partir de la biomasse, de biogaz ou même de déchets industriels organiques.

Ainsi le principe général de la réaction Fischer-Tropsch s’est beaucoup diversifiée depuis l’origine, et a donné naissance à des procédés et appellations plus génériques, telles que CtL (Coal to Liquids), GtL (Gas to Liquids) mais surtout BtL (Biomass to Liquids). C’est cette dernière filière qui intéresse particulièrement l’éconologie.

De nombreux organismes, dont le CEA, travaillent actuellement à améliorer les procédés de conversion, en effet, le rendement énergétique global de cette technologie demeure également un point faible.

Exemple, liquéfaction d’un déchet industriel par une entreprise allemande (diffusé dans Autoplus en Novembre 2005):

fischer tropsch dans autoplus

En savoir plus:

Liquéfaction de la biomasse par le CEA
Une autre liquéfaction du charbon: le procédé Makhonnine
Le mix énergétique, la solution énergétique du futur?

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