Gagner le jackpot du gaz naturel

Comparé au pétrole, le gaz naturel est si abondant qu'il est stupéfiant. Les réserves prouvées de pétrole sont bonnes pour un autre billion de barils environ. Au rythme de consommation actuel, ils dureront environ 40 ans. Ajoutez des réserves de pétrole supposées exister mais encore non découvertes, et la chronologie s'étend sur environ 160 ans.

Les réserves connues de gaz naturel, composé principalement du méthane, un hydrocarbure simple, dureront environ 50 ans au rythme de consommation actuel. Les estimations des ressources gazières probables mais non encore découvertes étendent cette projection à environ 200 ans. Mais lorsque le gaz naturel que l'on pense être enfoui profondément sous l'océan dans les hydrates de méthane est ajouté, le potentiel est ahurissant. Les hydrates, cristaux de glace qui piègent les molécules de méthane, se forment à moins de 300 mètres de profondeur à cause des bactéries productrices de méthane. On sait très peu de choses sur la quantité de gaz embouteillée dans ces cristaux ou sur la façon de l'extraire, mais les meilleures suppositions sont que les réserves pourraient, même avec des taux de consommation de gaz naturel doublant au cours des prochaines décennies, durer des dizaines de milliers d'années. .

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2002

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Quelle que soit la manière dont vous faites l'arithmétique, il y a beaucoup de gaz naturel là-bas. Ce qui ajoute à son attrait en tant que carburant du futur, c'est que le méthane brûle beaucoup plus proprement que le pétrole. Mais il y a un gros problème : le gaz naturel est volatil et cher à transporter. L'une des beautés du pétrole est que vous pouvez le verser dans des tuyaux, le charger sur des pétroliers ou des barges et l'expédier en toute sécurité dans le monde entier. Le gaz naturel, en revanche, est le plus souvent expédié sous forme liquide, qui doit être maintenu à une température de -130 C ou à des dizaines d'atmosphères de pression. Il peut également être transporté sous forme de gaz dans des pipelines, mais comme le gaz doit être maintenu comprimé, c'est une proposition coûteuse : une estimation est qu'un pipeline pour acheminer le gaz de l'Alaska vers le Lower 48 coûterait entre 15 et 20 milliards de dollars. construire.

Ajoutez le fait que de nombreuses grandes réserves se trouvent dans des endroits éloignés comme le versant nord de l'Alaska ou la Sibérie, et le résultat est qu'une grande partie du gaz naturel du monde est désormais sans valeur commerciale. Sur le [gaz naturel] dont tout le monde s'accorde pour dire qu'il est là, plus de la moitié n'a absolument aucune [valeur] marchande, déclare Mark Agee, président de Syntroleum, une entreprise énergétique de Tulsa, OK. Pas du tout. C'est dans des endroits comme le plateau nord-ouest de l'Australie, la Papouasie-Nouvelle-Guinée, la côte ouest de l'Afrique, le versant nord de l'Alaska. Endroits vraiment éloignés sans marché prêt à proximité.

Pour un ingénieur chimiste, la solution à ce dilemme, du moins en théorie, est relativement simple. Si vous pouviez transformer chimiquement ce gaz dangereux en un hydrocarbure liquide, comme du pétrole synthétique ou même de l'essence, il pourrait être transporté facilement et à moindre coût à température ambiante et pression normale. Ces carburants synthétiques pourraient s'écouler directement dans les oléoducs existants ou être placés à bord de navires-citernes à destination du marché. Après perfectionnement, ils pourraient même être distribués via le réseau existant de stations-service. En outre, étant donné que le matériau de départ est du gaz naturel pratiquement sans soufre, les carburants résultants seraient également exempts de soufre et de polluants aromatiques qui altèrent les autres produits pétroliers. Vous auriez, en d'autres termes, une source de carburant facilement disponible qui est potentiellement beaucoup moins chère et plus propre que le pétrole.

Certaines des plus grandes compagnies pétrolières du monde investissent maintenant des milliards de dollars pour construire des raffineries qui utilisent la technologie gaz-liquide pour convertir le méthane en carburants diesel et essence ultrapropres. En utilisant des processus de raffinerie à haute pression et haute température, ces nouvelles usines, qui sont construites dans des endroits comme Bintulu, en Malaisie, transformeront le gaz naturel en produits liquides qui sont facilement expédiés sur le marché et très probablement compétitifs par rapport aux produits pétroliers.

Mais certains chercheurs pensent avoir une bien meilleure idée. Les procédés utilisés dans les nouvelles usines sont basés sur une chimie qui remonte au début des années 1920 et sont coûteux et inefficaces. Un petit groupe de chimistes et d'ingénieurs chimistes s'efforce de découvrir des catalyseurs - des matériaux qui accélèrent les réactions chimiques mais ne sont pas eux-mêmes consommés dans le processus - pour convertir directement le gaz naturel en combustibles liquides à basse température et pression. Si ces catalyseurs fonctionnent - et c'est encore un géant si -ils rendront possible des procédés de raffinage simples et bon marché qui pourraient libérer les vastes réserves inexploitées de gaz naturel. En effet, ils obligeraient les experts à refaire leurs calculs des approvisionnements énergétiques mondiaux. Du coup, les ressources de méthane inexploitées de la Sibérie et du nord du Canada pourraient être tout aussi importantes pour le monde que les vastes champs pétrolifères de l'Arabie saoudite.

Passé noir

L'idée de fabriquer des carburants synthétiques liquides n'est pas nouvelle. En 1923, deux chercheurs allemands sur le charbon, Franz Fischer et Hans Tropsch, ont découvert un moyen de transformer les abondantes réserves de charbon de la vallée de la Ruhr en pétrole synthétique. Fischer et Tropsch savaient que s'ils chauffaient un tas de charbon, ils produiraient un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Les scientifiques ont découvert qu'en passant ce gaz sur des catalyseurs métalliques, ils pouvaient fabriquer du carburant synthétique. Pendant la Seconde Guerre mondiale, le gouvernement allemand a utilisé le procédé Fischer-Tropsch pour produire environ 600 000 barils par an de carburant militaire à partir des abondants gisements de charbon du pays.

Après la guerre, les agences de renseignement alliées ont déchiré les usines allemandes pour comprendre comment elles fonctionnaient, et une petite usine Fischer-Tropsch a été exploitée à Brownsville, Texas, de 1948 à 1953. Dans les années 1950, le gouvernement sud-africain s'est retrouvé, comme le régime nazi, avec peu ou pas d'accès au pétrole ; elle s'est tournée vers le procédé Fischer-Tropsch et a construit plusieurs usines pour convertir le charbon des vastes gisements du pays en carburants synthétiques.

Et là, la technologie aurait pu rester, confinée pour la plupart aux nations affamées de pétrole, à l'exception de la tentation croissante d'aujourd'hui de puiser dans les vastes réserves de gaz naturel éloigné et bon marché. Le méthane, comme le charbon, peut être utilisé pour produire un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène ; à l'exception de la matière première, le processus de synthèse du combustible fonctionne exactement de la même manière qu'avec le charbon. Exxon Mobil, Shell et le sud-africain Sasol sont tous impliqués dans de grands projets de conversion de gaz naturel en liquide. Au total, les grandes compagnies pétrolières prévoient de dépenser près de 10 milliards de dollars en capacité gaz-liquide dans les futures usines.

L'un des joueurs les plus petits et les plus agressifs est le Syntroleum de Tulsa. Comme les grandes sociétés pétrolières, Syntroleum mise sur la conversion Fischer-Tropsch pour transformer le gaz naturel échoué en hydrocarbures liquides ultrapropres faciles à transporter. Grâce à l'amélioration des catalyseurs et de la conception des réacteurs, selon la société, les hydrocarbures liquides fabriqués à partir de méthane sont désormais extrêmement compétitifs par rapport au pétrole sur le marché. Les carburants synthétiques que nous pouvons fabriquer sont 100 % compatibles avec les produits conventionnels, déclare Mark Agee, président de Syntroleum. Avec le gaz naturel, le coût de la charge d'alimentation [en barils d'équivalent pétrole] varie de zéro à 10 $ le baril, contre 20 $ pour le pétrole. On nous a offert du gaz sur la côte ouest de l'Afrique à un nickel par millier de pieds cubes, ou 50 cents le baril.

Catalyseur parfait

Mais le procédé Fischer-Tropsch est intrinsèquement inefficace et coûteux, et du point de vue d'un chimiste, intrinsèquement maladroit. Le processus nécessite des températures d'environ 800 à 900 oC, et celles-ci sont atteintes en brûlant une partie du gaz qui est converti. La technologie est également relativement non sélective, produisant une large gamme de molécules d'hydrocarbures, dont certaines sont inutiles. Fondamentalement, ce qui ne va pas, c'est qu'il s'agit d'une technologie des années 40, explique Roy Periana, chimiste à l'Université de Californie du Sud. Il utilise la force brute et des températures élevées pour réaliser les conversions.

Donnez à n'importe quel chimiste organique un crayon et un bloc de papier, et il ou elle pourrait rapidement tracer une voie simple et plus élégante vers les hydrocarbures liquides. Le gaz naturel est en grande partie du méthane; le transformer en méthanol, un liquide facilement transportable, consiste simplement à ajouter un atome d'oxygène à la molécule de méthane. Il y a, cependant, quelques gros problèmes pour transformer cette théorie de la synthèse directe en réalité chimique. Le catalyseur doit rompre les liaisons étroites carbone-hydrogène dans le méthane pour permettre à l'oxygène de réagir. Et c'est là que ça devient vraiment délicat, la réaction doit ajouter un seul atome d'oxygène à chaque molécule de méthane ; laissez-le continuer et ajoutez un atome d'oxygène supplémentaire, et vous créez du dioxyde de carbone sans valeur.

L'astuce peut être réalisée en laboratoire, mais les catalyseurs existants ne sont pas assez efficaces pour produire les rendements requis pour concurrencer le pétrole. Periana, pour sa part, recherche le catalyseur parfait depuis plus d'une décennie. Au milieu des années 90, Periana travaillait dans une petite entreprise californienne appelée Catalytica, où il dirigeait une équipe travaillant sur de nouveaux catalyseurs pour cette conversion directe. Chez Catalytica, nous avons découvert deux systèmes, dit-il. L'un était un catalyseur au mercure qui donnait un rendement de 40 % en une étape à 180 degrés. L'autre était un système au platine qui donnait un rendement de 70 pour cent à 220 degrés. À ce moment-là, les gens ont commencé à dire que c'était peut-être vraiment possible. Mais ces débuts prometteurs se sont heurtés à des faits immuables de la chimie de base. Alors que la conversion directe du méthane était impressionnante d'un point de vue chimique, elle n'était toujours pas commercialement viable. Si vous voulez remplacer un processus de marchandise comme celui-ci, dit Periana, vous devez vraiment avoir un processus révolutionnaire. Des améliorations marginales ne vont pas le faire.

Malgré les barrages routiers de la chimie, Periana reste optimiste. Nous avons quelques pistes, et nous combinons cela avec la connaissance du fonctionnement des systèmes précédents. Et pour le moment, il est juste de dire qu'il s'agit d'une course. Les fondamentaux sont posés, et il s'agit de savoir qui y arrivera en premier, dit-il. La question qui préoccupe tout le monde maintenant est de savoir qui trouvera le bon catalyseur, quand et quel sera-t-il. Ce n'est même pas une question de savoir si.

Casse-tête de la nature

Même les grandes compagnies pétrolières qui investissent dans la conversion du méthane en carburants liquides par des approches indirectes financent des recherches sur la conversion directe. L'année dernière, BP a attribué 1 million de dollars par an pendant 10 ans chacun à l'Université de Californie, à Berkeley et à Caltech pour la recherche sur la conversion du méthane, une partie de la subvention étant destinée à la conversion directe. La recherche de catalyseur, explique Alex Bell, ingénieur chimiste à Berkeley, est une combinaison d'art et de science. Je ne peux pas m'asseoir maintenant et dire qu'il existe un algorithme pour trouver un catalyseur pour une réaction donnée. Vous construisez des connaissances antérieures sur ce qui fonctionne et essayez de les améliorer avec une connaissance de la chimie fondamentale. Une grande partie essaie d'établir des modèles et une réflexion stratégique sur les principes chimiques qui amènent le méthane aux produits ciblés.

Et personne ne s'attend à une percée demain. Enrique Iglesia, un autre ingénieur chimiste de Berkeley impliqué dans le programme BP, travaille sur la conversion du méthane depuis près de 20 ans. La conversion directe du méthane est quelque chose dont nous rêvons, mais la nature nous gêne, dit-il. Le méthane a l'une des liaisons les plus fortes que nous connaissons, et ses produits de réaction ont généralement des liaisons plus faibles. Il est difficile de s'arrêter aux produits souhaités, c'est donc une chimie difficile.

Peu de gens pourraient soupçonner que la solution aux problèmes énergétiques mondiaux viendra du domaine ésotérique de la science de la catalyse. Mais avec les vastes réserves inexploitées de gaz naturel qui alimentent l'imagination des chimistes, la recherche du catalyseur parfait se poursuit. Chimie difficile, mais si elle réussit, cela changera les calculs énergétiques du monde.

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