Le charbon liquéfié ou CTL (Coal-To-Liquid) connaît aujourd’hui un regain d’intérêt. Sa liquéfaction qui le transforme en un combustible liquide (essence, gazole, fioul domestique) redevient intéressante, puisqu’elle permet la production d’un baril équivalent pétrole aux alentours de 45 €.

De quoi s’agit-il réellement ? Comment peut-on transformer du charbon en carburant ? Est-ce une alternative prévisible au tout pétrole dans les transports modernes, et à  quels coûts ? Autant de questions auxquelles les experts Energie de Sia Conseil apportent des éclairages dans cet article.

Petit retour en arrière …
La liquéfaction du charbon est un procédé qui transforme le charbon à  l’état solide en combustible liquide, habituellement pour remplacer les produits pétroliers. Il apporte aux grands pays producteurs de charbon une solution pour réduire les frais de transport ainsi que la pollution associée à  l’utilisation de ce combustible.

Ce procédé date en réalité du début du XXème siècle¹, cependant les bas prix et l’abondance des réserves de pétrole brut et de gaz naturel ont marginalisé son application. Pour les mêmes raisons, toutes perspectives commerciales sont éliminés durant les années 90. Seuls quelques pays, dont l’Allemagne durant la Deuxième Guerre mondiale² et l’Afrique du Sud à  partir des années 60, ont liquéfié du charbon à  grande échelle.

Les technologies CTL peuvent être classées en deux catégories, toutes deux d’origine allemande

• La première est une liquéfaction indirecte³ mettant en œuvre une succession de technologies. Au début des années 20, Franz Fischer et Hans Tropsch font breveter un procédé permettant de produire du synthol, un mélange d’alcools, d’aldéhydes, d’acides gras et d’hydrocarbures, à  partir d’un gaz synthétique d’hydrogène et d’oxyde de carbone⁴.

Ce procédé est dit indirect, en raison de l’utilisation de ce gaz intermédiaire, obtenu par dégradation de la structure du charbon lors de sa gazéification avec de la vapeur et de l’oxygène. La réaction de ce gaz sur un catalyseur F-T approprié permet alors d’obtenir des hydrocarbures liquides, essentiellement des paraffines.

Les produits obtenus sont de très grande qualité et en particulier le diesel dont le soufre et les composés aromatiques sont éliminés. Sa combustion dans une voiture actuelle permet une importante réduction des émissions de particules et des polluants.

• La seconde est la liquéfaction directe⁵, mise au point pour une utilisation commerciale grâce aux recherches du pionnier en la matière, Friedrich Bergius. Sept usines de liquéfaction directe fonctionnaient en Allemagne juste avant la Deuxième Guerre mondiale, rapidement épaulées par cinq unités supplémentaires lors du conflit.

La plupart des procédés directs de liquéfaction du charbon qui ont été mis au point dans les années 80 sont des améliorations du concept original de Bergius. « Le charbon est broyé avant d’être incorporé à  un solvant de recyclage dérivé du charbon pour former une pâte charbon-huile. Cette pâte, qui contient de 30 à  50% de charbon, est ensuite chauffée jusqu’à  environ pendant environ une heure 450 °C dans une atmosphère d’hydrogène à  une pression comprise entre 13 900 et 20 900 kPa. »

Divers catalyseurs sont alors utilisés pour améliorer les taux de conversion en produits liquides. Deux tonnes de charbon permettent ainsi d’obtenir une tonne de dérivés liquides⁶. Des procédés ont été mis au point pour divers types de charbon, des lignites de rang bas aux charbons bitumineux à  haute teneur en matières volatiles.

Carburant alternatif au pétrole ? A quel coût ?
Aujourd’hui, 96 % de l’énergie consommée dans les transports routiers provient des produits pétroliers. La substitution par différentes énergies alternatives est motivée, d’une part, par la réduction de la dépendance vis-à -vis du pétrole et, d’autre part, par la volonté de diminuer les gaz à  effet de serre.

Jusqu’à  présent, le coût de la liquéfaction du charbon restait excessif. Jusqu’en 2003, avec un prix du baril de pétrole autour des 25 dollars, le CTL à  45 dollars ne présentait aucun intérêt économique. Aujourd’hui, le charbon est en passe de devenir la meilleure option pour garantir la sécurité énergétique d’un pays et échapper au cours élevé du pétrole. « Le CTL a tous les atouts pour répondre aux impératifs économiques et écologiques de 2007 et des années à  venir », souligne Steve Knell, directeur de l’analyse énergétique chez Global Insight.

En Chine, le nombre de propriétaires de voiture a nettement augmenté ces dernières années et devrait être environ 250 millions d’ici 2025. Le taux d’équipement chinois serait alors de 150 voitures pour mille personnes [China Daily 2004] contre 10 voitures pour mille personnes en 2004 alors qu’en Amérique du Nord se chiffre est stabilisé aux alentour de 770 voitures pour mille personnes [AIE 2004].
Pour la Chine la nécessité de fournir les infrastructures et les carburants représente donc un défi considérable. Le CTL peut donc y jouer un rôle crucial, comme dans tous les pays qui possèdent de larges réserves de charbon.


De nombreux projets de liquéfaction sont en cours
L’Afrique du Sud fait la preuve à  grande échelle que le charbon liquéfié fonctionne. Présente sur ce marché depuis 1955, la production atteint aujourd’hui, près de 7 millions de tonnes (Mt) par an de carburant et de produits chimiques. Sasol⁷, société sud-africaine de référence dans le monde du CTL, fait actuellement construire en Chine⁸ deux usines à  charbon liquide, pour un coût de 6 milliards de dollars l’unité. L’entreprise publique Shenhua Group, qui s’apprête dans le courant de l’année 2007 à  lancer la production dans la première usine CTL chinoise, aurait déjà  dépensé quelques 7,5 milliards de dollars.

Si les anciennes usines de CTL, comme celles en service en Afrique du Sud, sont de grandes pollueuses, la plupart des nouvelles infrastructures sont des modèles en matière d’écologie. Grâce à  la séquestration du CO2, une voiture alimentée au charbon liquide serait environ 30% plus propre que si elle roulait à  l’essence. Il existe donc aujourd’hui un avenir certain pour le CTL mais quels sont les marchés potentiels qui assureront son avenir ?

• La Chine

La Chine est le deuxième plus gros consommateur de pétrole du monde. Aujourd’hui, elle en importe environ 3 millions de barils par jour. A ce niveau, chaque augmentation de 1 dollar par baril alourdie leur facture énergétique de 1,2 milliards de dollars. Ceci a donc incité la Chine à  développer des substituts au pétrole avec ses propres capacités domestiques. Ce projet prévu dans le courant de l’année, localisé au Nord de la Chine, devrait atteindre une capacité maximale de 50 000 barils par jour.

Shenhua Group a signé un accord avec les compagnies Shanghai Huayuan Group et Shanghai Electric Group. A elles trois, elles ont investit 100 millions de yuans (soient environ 10 millions d’euros) dans l’étude de la liquéfaction du charbon en dérivés pétroliers. L’objectif est de produire, en 2008, 5 millions de tonnes de carburant à  partir de 10 millions de tonnes de charbon.

• L’Australie

L’Australie détient le cinquième rang mondial pour ses réserves de charbon et est le plus grand exportateur de charbon au monde. Cependant, elle réalise des importations pour satisfaire ses besoins en pétrole, les conditions actuelles l’incitant progressivement à  développer une industrie domestique de CTL. Monash Energy a récemment établi un projet permettant de produire 62 000 barils par jour de CTL et prévoit une usine de démonstration d’ici 2010 qui devrait produire également 220 MW d’électricité. L’usine sera située au sud-est de l’Australie et emploiera le lignite local. Les émissions de CO2 seront capturées puis transportées à  200 km pour être stockées dans les gisements de pétrole et de gaz de la basse Détroit. Les résultats de l’étude de faisabilité ont indiqué que ce projet aurait de nombreux avantages pour l’économie australienne.

• Les Etats-Unis

Les Etats-Unis représentent le plus gros consommateur et importateur de pétrole du monde, il est donc particulièrement vulnérable aux fortes hausses des prix du brut. Cependant, ils disposent de 27% des réserves mondiales prouvées de charbon, ce qui laisse prévoir un avenir certain pour les technologies CTL.

Au total, neuf Etats envisagent sérieusement de se lancer dans le charbon liquide. En octobre dernier, le gouverneur du Montana⁹ , Brian Schweitzer, annonçait la construction de la première usine CTL verte pour 1,3 milliard de dollars. « Le CTL pourrait bien un jour fournir l’ensemble du carburant pour les transports aux Etats-Unis » a-t-il dit. L’usine, d’une capacité de 22 000 barils par jour de diesel synthétique, sera implantée à  proximité de la mine de Bull Montain. Cette annonce est intervenue quelques mois après le lancement d’un premier projet CTL à  Medicine Bow dans le Wyoming¹⁰ et devrait produire, à  partir de 2009, 11 000 barils par jour. En Alaska, un troisième projet voit le jour en octobre dernier, signé entre l’Etat et Chinese Petroleum Corp, l’objectif donné est de 80000 barils par jour, près de la mine de Beluga pour un montant de 5 milliards de dollars. D’autres projets seraient en cours en Pennsylvanie et en Arizona.

• L’Indonésie

L’Indonésie a des réserves importantes de charbon et a été particulièrement concentrée sur le marché d’exportation dans le passé. Entre 2003 et 2004, la production indonésienne de charbon a augmenté 17.3%, plus rapidement que dans tous les autres pays du monde [BP 2005]. L’Indonésie est donc devenue un importateur net de pétrole en 2004. En conséquence, la production de charbon a été de plus en plus concentrée sur le marché domestique, pour la production d’électricité et potentiellement pour les carburants synthétiques. Début 2006 Bumi, la plus grande compagnie privée d’énergie de l’Indonésie, a annoncé un projet de construction au sud de Sumatra, permettant de produire 80 000 de barils par jour.

• L’Allemagne

L’Allemagne est le quatrième importateur mondial de pétrole et le neuvième producteur de charbon. Le projet de Spreetal prévoit une première phase de production à  20 000 barils par jour. Il intégrera également une augmentation de la production de méthanol et de la puissance de la centrale qui emploie actuellement des syngas (CO + H2) dérivés du charbon, des rebuts de pétrole, de la biomasse et des déchets municipaux. Le projet cherche actuellement une aide financière auprès du gouvernement d’Etat de Saxe (Sachsen).

• L’Inde

L’Inde importe actuellement plus de 70% de ses besoins en pétrole, disposant pourtant de 92 milliards tonnes de réserves prouvées de charbon. à€ la production actuelle, l’Inde détient à  elle seule, plus de 200 ans de réserves de charbon.
Bien qu’aucun projet de CTL n’ait été formellement proposé jusqu’ici, Sasol a eu un certain nombre de discussions avec le gouvernement et l’industrie. La Commission de l’investissement envisagerait des investissements d’environ 6 milliards de dollars [Business Standard 2006], la commande d’une étude de faisabilité est en cours par le ministère du charbon.

Jusqu’en 2005, le prix du charbon est resté stable, évoluant dans un intervalle allant de 35 à  50 dollars la tonne contrairement à  celui du pétrole qui est passé de 10 à  50 dollars par baril sur les vingt dernières années, avec de brutales fluctuations. « Dans un monde où tout, même la politique, se joue sur l’économie et où l’économie a un besoin incontournable d’énergie, cet aspect est loin d’être négligeable et laisse encore augurer de beaux jours pour le charbon ». La production mondiale de charbon liquéfié devrait passer de 150.000 barils par jour actuellement à  600.000 en 2020, pour atteindre 1,8 million de barils quotidiens en 2030. En Chine, la filière reçoit aujourd’hui quelques 25 milliards de dollars d’investissements.

Sia Conseil

Notes :
(1) En 1931, Carl Bosch et Friedrich Bergius ont reçu le Prix Nobel de Chimie pour leurs travaux sur la liquéfaction du charbon.
(2) Durant la Deuxième Guerre Mondiale, l’Allemagne produira 5 millions de tonnes d’essence par an à  partir de la houille
(3)
(4) Le procédé Fischer-Tropsch (F-T) est à  la base de la liquéfaction indirecte du charbon.
(5)
(6) Avec un charbon à  10 000 kcal/kg et un rendement de la pyrolyse du charbon de 60%, 1,8 tonnes de charbon est nécessaire pour faire une tonne de pétrole. Ainsi, pour produire 43 millions de barils jour, soit 5,6 millions de tonnes de pétrole jour ou 2 040 millions de tonne de pétrole par an , il faut donc 3 672 millions de tonne de charbon annuellement pour satisfaire la demande à  partir de 2020.
(7) Sasol, entreprise semi-publique, couvre 30% des besoins énergétiques dans les transports en Afrique du Sud.
(8) Une première dans la région du Ningxia et la deuxième dans la province du Shaanxi.
(9) Le Montana est le 6ème Etat pour la production avec 40 millions de tonnes extraites en 2005 et le premier pour ses réserves estimée à  environ 120 milliards de tonnes avec six mines dont une souterraine.
(10) Il s’agit du premier Etats pour la production avec 404 millions de tonnes en 2005. Il comprend au total dix-huit mines dont une souterraine.

Liens externes:
- Le Coal-To-Liquid : http://events.ifp.fr/IFP/fr/fichiers/ifp/IFP_LiquefactionDuCharbon_ColinBaudoin_EPFL-AISEN_021105.pdf
- Les carburants alternatifs : http://vivelatrottinette.free.fr/pageperso/toulou/soutenance-2006_biocarburants.ppt#258,1,LES CARBURANTS ALTERNATIFS
- Les révolutions de l’après pétrole : http://www.lexpansion.com/art/6.0.135140.0.html

Articles dans : Articles, Charbon, Pétrole

| 15 juin 2007 | | |