Les raffineries comptent parmi les installations industrielles les plus consommatrices d'énergie, consommant de grandes quantités de chaleur et d'électricité pour transformer le pétrole brut en combustibles, lubrifiants et matières premières pétrochimiques. Depuis des décennies, cette énergie est issue presque exclusivement de la combustion de combustibles fossiles – gaz naturel, charbon et coke de pétrole. Aujourd'hui, la transition énergétique mondiale remodele ce paradigme.

Si l'intégration des énergies renouvelables dans les raffineries présente des défis d'ingénierie et d'économie, les premiers adoptants prouvent qu'un modèle d'énergie hybride, combinant l'énergie conventionnelle et les technologies émergentes comme l'hydrogène vert, est à la fois réalisable et rentable.

Le cas stratégique des énergies renouvelables dans le raffinage

L'analyse de rentabilisation de l'intégration des énergies renouvelables dans les raffineries va bien au-delà de la réduction des émissions, et porte sur la résilience opérationnelle, la conformité réglementaire et les performances de base.

Impératifs environnementaux et climatiques

Le raffinage représente environ 4 à 6 % des émissions mondiales de CO2 liées à l'énergie, avec une raffinerie typique émettant entre 1,5 et 3 millions de tonnes de CO2 par an, selon la complexité et le débit.Ces émissions proviennent de la combustion directe de combustibles dans les fours, les chaudières et les unités de production d'hydrogène (réformateurs de méthane à vapeur), ainsi que de l'électricité achetée.

Au-delà du carbone, les énergies renouvelables déplacent les polluants atmosphériques locaux tels que les SOx, les NOx et les particules.De nombreuses raffineries opèrent à proximité des zones peuplées, ce qui fait des améliorations de la qualité de l'air un facteur clé dans le maintien des relations communautaires et le respect des normes nationales de qualité de l'air ambiant.

Avantages économiques et gestion des risques

  • Coûts énergétiques réduits et stabilisés:[ Les accords d'achat d'énergie solaire et éolienne (AAE) offrent maintenant des coûts d'électricité stabilisés qui sont souvent concurrentiels ou moins chers que l'électricité du réseau à partir de combustibles fossiles. Par exemple, les récents AAE solaires de la côte du Golfe des États-Unis ont été signés à 20–30 $ par MWh, comparativement à 40–60 $ pour l'énergie alimentée au gaz.
  • Silience opérationnelle: Les énergies renouvelables sur place ou à proximité réduisent la dépendance à l'égard d'un réseau potentiellement fragile. Combinées au stockage de batteries, les raffineries peuvent maintenir des opérations critiques pendant les pannes ou les périodes de pointe de la demande, évitant ainsi des arrêts coûteux.
  • Accès aux incitations à faible émission de carbone:[ Les crédits d'impôt, les subventions et les incitations à la production dans des juridictions comme les États-Unis (Inflation Reduction Act), l'Europe (Innovation Fund, aide d'État) et le Moyen-Orient (financement vert) peuvent couvrir entre 30 et 50 % des coûts initiaux des projets renouvelables, ce qui améliore les rendements.
  • Renforcement de la réputation de l'entreprise et positionnement du marché:[ Les raffineries qui décarbonisent visiblement reçoivent un traitement préférentiel de la part des investisseurs, prêteurs et clients axés sur ESG.

Facteurs réglementaires et politiques

La phase 4 du Système d'échange de quotas d'émission (SCE) de l'Union européenne impose des plafonds toujours plus serrés, et le Mécanisme d'ajustement à la frontière carbone (MCEB) facturera bientôt les importations pour les émissions intégrées. Aux États-Unis, le crédit d'impôt 45Q de l'IRA pour le captage du carbone et 45Y pour la production d'électricité propre incite à l'appariement des énergies renouvelables avec les raffineries.

Principales technologies renouvelables déployées dans les raffineries

Une raffinerie moderne peut tirer parti de multiples sources renouvelables, chacune adaptée à des besoins énergétiques différents : électricité, chaleur à basse température ou chaleur de procédé à haute température.

Énergie solaire photovoltaïque (PV) et énergie solaire concentrée

Les réseaux de terrassement ou de toit produisent de l'électricité qui peut être utilisée pour les moteurs électriques, les compresseurs, l'éclairage et les systèmes auxiliaires. De nombreux raffineurs construisent des fermes solaires sur des terrains appartenant à des entreprises adjacentes aux raffineries ou sur des terrains de friches à boucle fermée. Une grande raffinerie typique peut consacrer 100 à 300 hectares à une installation solaire de 50 à 200 MW, ce qui correspond à 10 à 30 % de sa demande en électricité.

L'énergie solaire concentrée (PSC) avec stockage thermique peut fournir de la chaleur à des températures allant jusqu'à 400 °C, adaptée à la production de vapeur dans des procédés de raffinerie tels que la distillation, l'hydrotraitement et le craquage de vapeur. Bien que le PSC soit plus coûteux que le PV, sa dispatibilité par stockage de sel fondu le rend attrayant pour fournir de la chaleur continue.

Énergie éolienne

Les éoliennes terrestres et offshore fournissent de l'électricité de haute capacité, ce qui complète souvent le profil diurne du solaire. Les raffineries situées dans des régions venteuses, comme la côte de la mer du Nord de l'Europe, le golfe du Mexique et les grandes plaines des États-Unis, peuvent accueillir des turbines sur place ou signer des AAE virtuels pour les parcs éoliens hors site. Par exemple, la raffinerie Phillips 66 (maintenant WRB Refining) en Illinois utilise un parc éolien de 175 MW pour compenser une partie de sa consommation d'électricité.

Biomasse et bioénergie

Les raffineries ont une occasion unique d'utiliser la biomasse et les flux de déchets biogéniques comme combustible.

  • Chaudières à biomasse[ qui brûlent des granulés de bois, des résidus agricoles ou des déchets forestiers pour produire de la vapeur.
  • Gasification des déchets[ pour produire des gaz de synthèse qui remplacent le gaz naturel dans la production d'hydrogène ou les chauffages de procédé.
  • Les biogaz provenant de la digestion anaérobie des déchets organiques (p. ex., de la transformation des aliments ou de sources municipales) peuvent être nettoyés et utilisés dans les chaudières ou les turbines.
  • Intégration avec bio-affinage:[ De nombreuses raffineries convertissent des unités pour produire du diesel renouvelable et du carburant d'aviation durable (FAS), en utilisant des huiles végétales et des graisses animales comme matières premières. Le processus lui-même génère des coproduits (p. ex., du biogaz) qui peuvent être recyclés comme intrants énergétiques, créant ainsi un système circulaire.

Hydrogène vert

L'hydrogène est essentiel pour l'hydrotraitement et l'hydrocraquage afin d'éliminer le soufre et de mettre à niveau les fractions lourdes. Traditionnellement, il est produit à partir de gaz naturel par reformage du méthane à vapeur (RSM), produisant environ 10 kg de CO2 par kg de H2. L'hydrogène vert, produit par électrolyse à l'aide d'électricité renouvelable, offre une alternative à zéro carbone. Les raffineries commencent à installer des électrolyseurs sur place alimentés par des parcs solaires ou éoliens spécialisés.

Systèmes de stockage d'énergie des batteries (BESS)

Pour gérer l'intermittence du solaire et du vent, les raffineries associent les énergies renouvelables à des batteries de grande envergure. BESS peut stocker l'énergie solaire excédentaire pendant la journée et la décharger la nuit, lisser la puissance et permettre une pénétration plus élevée des énergies renouvelables. Les batteries fournissent également des services de réseau, générant des revenus grâce à la régulation de fréquence et à la réduction de la charge de la demande.

Études de cas : Raffineries à la tête de la transition

1. TotalEnergies – Raffinerie de Grandpuits (France)

TotalEnergies a transformé sa raffinerie de Grandpuis, qui a cessé de traiter le brut en 2021, en une plateforme à zéro brut dédiée aux biocarburants et aux bioplastiques. Le site comprend une ferme solaire de 40 MW qui alimente les opérations de bioraffinerie, ainsi qu'une unité de stockage de batteries. Le réseau solaire couvre 60 hectares et produit 50 GWh chaque année, couvrant 30 % des besoins en électricité du site. L'entreprise installe également des électrolyseurs pour la production d'hydrogène vert, ciblant 100 % d'énergie renouvelable pour le site d'ici 2028.

2. Marathon Petroleum – raffinerie Garyville (Côte du Golfe des États-Unis)

Marathon Petroleum, l'un des plus grands raffineurs américains, a signé un PPA de 15 ans pour 200 MW d'énergie solaire provenant d'une ferme solaire à échelle de service au Texas. L'électricité est livrée par le réseau ERCOT, déplaçant environ 250 000 tonnes de CO2 par an. Marathon a également installé un réseau solaire de 5 MW sur place pour les charges auxiliaires et explore la gazéification de la biomasse pour ses besoins en hydrogène.

3. Préem – Raffinerie de Lysekil (Suède)

Suède Preem AB investit massivement dans l'intégration des énergies renouvelables à sa raffinerie de Lysekil, la plus grande en Scandinavie. Le projet Preem CCS incluait des plans pour un grand parc solaire, des éoliennes terrestres et une centrale combinée de chaleur et d'électricité alimentée par biomasse (CHP) qui fournit de la vapeur et de l'électricité. Preem vise à produire 5 millions de mètres cubes de carburants renouvelables (HVO et SAF) d'ici 2030, en utilisant l'énergie renouvelable tout au long de la chaîne de production.

Défis et solutions

Malgré les avantages évidents, l'intégration des énergies renouvelables dans les activités de raffinerie n'est pas sans obstacles.

Exigences relatives à l'engagement et au chargement de base

Les raffineries nécessitent un approvisionnement stable et continu en chaleur et en électricité. Le solaire et le vent produisent une production variable. Une chute soudaine de la production renouvelable peut perturber des processus sensibles comme la distillation ou le craquage.

Solution: Les systèmes hybrides combinant les énergies renouvelables avec le stockage de la batterie, les turbines à gaz de secours et la flexibilité de la demande. Par exemple, l'utilisation d'énergie renouvelable excédentaire pour préchauffer les matières premières ou produire de l'hydrogène (électrolyse) peut agir comme une charge flexible.

Coûts élevés en capital et périodes de remboursement prolongées

L'installation de parcs solaires, d'éoliennes, d'électrolyseurs et de stockage nécessite un investissement initial important.

Solution:[ Tirer parti des incitations gouvernementales (crédits d'impôt à l'investissement, dépréciation accélérée, subventions) et du financement par des tiers, comme les accords de services solaires ou énergétiques (ASE), réduit le risque initial. La tarification interne du carbone peut également améliorer l'économie des projets; par exemple, en supposant que le coût du carbone de 50 $ par tonne ajoute de 5 à 10 $ par MWh à la valeur de l'électricité renouvelable.

Contraintes spatiales et utilisation des sols

Les raffineries sont souvent situées sur des parcelles encombrées avec des terrains limités disponibles pour de grands réseaux. La proximité des zones résidentielles ou des écosystèmes protégés peut restreindre davantage l'emplacement.

Solution: Les énergies renouvelables hors site via des AAE ou des programmes solaires communautaires évitent les problèmes de terres. Le solaire flottant sur les bassins d'eau (étangs de refroidissement, lagunes d'eaux usées) peut générer de l'énergie sans concurrence pour les terres.

Compatibilité du procédé thermique

De nombreux procédés de raffinerie nécessitent une chaleur à haute température (au-dessus de 400 °C) pour laquelle les énergies renouvelables actuelles ne sont pas directement adaptées. La chaleur solaire à haute température est coûteuse, et les alternatives de chauffage électrique (p. ex. induction, résistance) peuvent être coûteuses à l'échelle.

Solution: On peut brûler de l'hydrogène vert pour produire de la chaleur à haute température, mais avec des pertes d'énergie. Des chaudières électriques utilisant de l'électricité renouvelable sont déployées pour la vapeur à basse température (jusqu'à 250 °C). Pour des températures plus élevées, l'électrification progresse: des pompes à chaleur industrielles et des fours à arc électrique sont en cours de développement pour les produits chimiques.

Perspectives et recommandations stratégiques

L'intégration des énergies renouvelables dans le raffinage en est encore à ses débuts, mais le rythme s'accélère. D'ici 2030, il est plausible que de nombreuses raffineries obtiendront 30 à 50 % de leur énergie à partir de sources renouvelables, alimentées par la baisse des coûts, une réglementation plus stricte en matière de carbone et des percées technologiques.

Les principales tendances à suivre sont les suivantes :

  • Hydrogènes : Les raffineries ancreront les écosystèmes régionaux de l'hydrogène vert, partageant la capacité d'électrolyse avec les industries et les transports voisins.
  • Électrification de la chaleur de procédé:[ Les unités de chauffage électrique modulaire et les pompes à chaleur à haute température remplaceront les chauffages au gaz par étapes, en commençant par les processus à température moyenne.
  • Les logiciels avancés optimiseront l'expédition des énergies renouvelables, le stockage et la puissance de sauvegarde en temps réel, maximisant ainsi le rendement des actifs.
  • Le captage du carbone alimenté par des énergies renouvelables:[ Le couplage du captage et du stockage du carbone (SCC) avec l'électricité renouvelable assure une production d'hydrogène réellement négative à partir de la biomasse.

Pour les propriétaires et exploitants de raffineries, le moment est venu d'agir. Commencez par des investissements à faible taux d'intérêt comme le photovoltaïque sur place pour les charges auxiliaires et signez des AAE à long terme pour l'éolien ou l'énergie solaire.

En intégrant aujourd'hui l'énergie solaire, l'énergie éolienne, la biomasse, l'hydrogène vert et le stockage, les raffineurs peuvent se positionner comme des leaders dans l'économie à faible intensité de carbone, sécuriser leurs opérations contre les marchés volatils de l'énergie fossile et contribuer de façon significative aux objectifs climatiques mondiaux. La raffinerie de l'avenir ne fonctionnera pas uniquement sur le brut, elle fonctionnera sur un mélange d'énergies diverses et propres.

Ressources externes pour la lecture supplémentaire: