Depuis plus d'un siècle, le pétrole brut est la principale matière première pour la production de carburants de transport, de lubrifiants et de blocs pétrochimiques. Aujourd'hui, poussé par le resserrement des réglementations environnementales, les engagements nets des entreprises et la pression croissante de la société pour la décarbonisation, les raffineurs explorent et intègrent activement les matières premières renouvelables dans leurs activités. Cette transition n'est pas seulement une amélioration progressive mais une révision fondamentale de ce qu'une raffinerie peut être : un centre de transformation flexible capable de convertir les sources de carbone fossiles et renouvelables en produits plus propres.

Le changement vers les matières premières renouvelables : moteurs et motivations

Les cadres politiques sont un moteur essentiel: la directive de l'Union européenne sur les énergies renouvelables (RED II), la norme américaine sur les carburants renouvelables (RFS) et la norme californienne sur les carburants à faible teneur en carbone (LCFS) créent des incitations économiques pour les carburants à faible teneur en carbone. Les mécanismes de tarification du carbone et les systèmes d'échange de droits d'émission inclinent davantage l'économie en faveur des énergies renouvelables.

Principaux types de matières premières renouvelables

Les matières premières renouvelables englobent une gamme variée de matières organiques pouvant être transformées en combustibles, produits chimiques et bioproduits. La compréhension de leurs caractéristiques est essentielle pour les raffineries qui choisissent les options les plus viables et évolutives pour le co-traitement ou les unités dédiées.

Huiles et graisses usagées

L'huile de cuisson usagée (UCO), les graisses animales (juif, graisse jaune) et l'huile de maïs non comestible sont parmi les matières premières les plus avancées sur le marché. Elles sont riches en triglycérides et en acides gras libres, ce qui les rend aptes à l'hydrotraitement pour produire du diesel renouvelable et des FAS. L'offre, cependant, est limitée par l'infrastructure de collecte et la concurrence d'autres utilisations telles que les oléochimiques.

Huiles végétales

L'huile de palme, l'huile de soja, l'huile de canola et l'huile de colza sont des matières premières éprouvées, mais soulèvent des préoccupations quant au changement d'affectation des terres, à la déforestation et à la concurrence avec l'approvisionnement alimentaire.

Biomasse lignocellulosique

Les résidus ligneux, les déchets agricoles (fourneau à maïs, paille de blé) et les cultures énergétiques (miscanthus, herbiers) constituent une ressource plus abondante et concurrente non alimentaire. Ils nécessitent une conversion par gazéification ou pyrolyse pour produire des biointermédiaires tels que le gaz de synthèse ou le bio-huile, qui peuvent ensuite être améliorés dans une raffinerie.

Algues

Malgré des décennies de recherche, le coût de la culture, de la récolte et de l'extraction du pétrole demeure prohibitif pour la production de combustibles à grande échelle. Les algues sont plus susceptibles d'entrer sur des marchés à plus grande valeur (nourrissons, cosmétiques) avant de se transformer en combustibles de base, mais les percées dans le génie génétique et la conception de photobioréacteurs pourraient éventuellement changer la courbe des coûts.

Déchets de matières plastiques (recyclage chimique)

Bien que distincte des matières premières à base de biomasse, les plastiques en fin de vie représentent une source croissante de matières premières renouvelables ou circulaires. La pyrolyse et la dépolymérisation transforment les déchets plastiques mélangés en fractions d'hydrocarbures liquides (naphta, cires, huiles) qui peuvent être alimentés en cracker ou en hydrocraqueur à vapeur pour produire des oléfines et de nouveaux plastiques.

Technologies permettant l'intégration dans les raffineries

Les raffineries déploient une série de technologies pour traiter les matières premières renouvelables, soit en les co-transformant aux côtés des fractions de pétrole brut dans les unités existantes, soit en construisant des installations spécialisées. Le choix dépend du type de matière première, de l'ardoise de produit souhaitée et de la compatibilité des infrastructures.

Hydrotraitement (route HEFA)

L'hydrotraitement est la technologie la plus développée et la plus largement adoptée pour les matières premières renouvelables.Dans ce processus, les triglycérides et les acides gras libres des huiles et des graisses réagissent avec l'hydrogène à des températures et pressions élevées sur des catalyseurs spécialisés. La réaction élimine l'oxygène sous forme d'eau (hydrodésoxygénation) et de dioxyde de carbone (décarboxylation), produisant des paraffines à chaîne droite. Ces n-paraffines sont ensuite isomérisées et fissurées pour produire du diesel renouvelable, du carburant à jet et du naphta.

Pyrolyse et amélioration de la qualité

La pyrolyse rapide se décompose thermiquement en lignocellulosique en l'absence d'oxygène pour produire des gaz bio-huile, biochar et non-condensables. Le bio-huile brut est acide, riche en oxygène et instable, exigeant une hydrodésoxygénation compatible avec les unités de raffinerie. Le bio-huile amélioré qui en résulte peut être alimenté en pétrole brut par une unité de FCC ou un hydrocraqueur. Plusieurs installations de démonstration et commerciales, dont celles d'Ensyn et Honeywell UOP, produisent du diesel renouvelable cellulosique par cette voie. Le défi est le coût élevé de la mise à niveau en raison de la demande d'hydrogène et de la salissure de catalyseurs provenant des oxygénats et des minéraux.

Gazéification et synthèse Fischer-Tropsch

La gazéification transforme toute matière première carbonée en gaz synthétisée (CO + H2), qui peut être nettoyée et transformée catalytiquement en liquides d'hydrocarbures par l'intermédiaire de la synthèse Fischer-Tropsch (FT). La technologie est bien établie pour le charbon et le gaz naturel (GTL), et est démontrée avec la biomasse et les déchets. Les produits (naphtha, diesel, cires) sont pratiquement identiques aux équivalents dérivés du pétrole. Velocys est un développeur remarquable des usines de gazéification à petite échelle-à-liquides. L'intensité et l'échelle du capital sont des obstacles majeurs, mais le combustible est considéré comme une goutte-à-goutte qui ne nécessite aucune modification du réseau de distribution de carburant.

Conversion biochimique (Fermentation et digestion anaérobie)

Les microorganismes et enzymes peuvent convertir des sucres et de l'amidon (première génération) ou des hydrolysats lignocellulosiques (deuxième génération) en éthanol, butanol ou autres alcools. Ces alcools peuvent être déshydratés en oléfines (éthylène, propylène) pour la production chimique, ou mélangés en essence (éthanol). La production d'éthanol cellulosique à l'échelle commerciale a été plus lente que prévu, avec des entreprises comme POET-DSM et Abengoa face à des obstacles techniques et financiers.

Amélioration catalytique des intermédiaires dérivés de la biomasse

De nouvelles voies catalytiques sont mises au point pour convertir directement les matières premières de la biomasse en hydrocarbures à goutte sans faire de syngas ou de pyrolyse séparés.Par exemple, la pyrolyse rapide catalytique, le traitement en phase aqueuse et l'hydrodésoxygénation du bio-huile sur des catalyseurs métalliques nobles.

Les défis à relever en matière de développement et d'économie

Malgré des progrès rapides, l'adoption généralisée de matières premières renouvelables dans le raffinage fait face à des obstacles importants.

Coût et disponibilité des matières premières

Les huiles et les graisses usagées sont limitées dans l'offre; la collecte mondiale de l'UCO est estimée à environ 10 à 15 millions de tonnes par année, ce qui suffit à remplacer une petite fraction de la demande de diesel de pétrole.Les huiles végétales sont plus abondantes mais concurrencent les aliments et ont une empreinte terrestre et hydrique plus élevée.

Besoins en infrastructures et en immobilisations

Les unités de raffinerie existantes (hydrotraités, FAC, réformateurs) sont conçues pour les fractions pétrolières. L'adaptation pour gérer les matières premières à haute oxygène, acide ou minéral exige des investissements dans des matériaux résistant à la corrosion, de nouveaux systèmes d'injection d'aliments pour animaux, le traitement des eaux usées et l'approvisionnement en hydrogène.

Consommation d'hydrogène et intensité de carbone

Les technologies de traitement des matières premières riches en oxygène nécessitent de l'hydrogène important, qui est souvent produit à partir de la réforme du gaz naturel avec les émissions de CO2 associées. À moins que l'hydrogène soit alimenté par l'électrolyse verte ou que les réformateurs soient équipés de captage du carbone, l'intensité en carbone du combustible final ne peut pas atteindre les réductions prévues.

Performance et désactivation du catalyseur

Les matières premières renouvelables transportent des impuretés (chlorures, métaux, phosphore, alcalin) qui empoisonnent les catalyseurs de traitement. Les cycles de catalyseur sont plus courts et la régénération devient plus complexe, augmentant les coûts d'exploitation. La recherche continue en catalyseurs plus robustes, y compris ceux basés sur NiMo et CoMo supporte modifiés avec les promoteurs pour résister à la désactivation.

Incertitude réglementaire

Si les politiques ont stimulé la croissance, l'industrie des carburants renouvelables reste vulnérable aux changements dans les mandats, les différends commerciaux et les suppressions progressives des subventions. L'expiration du crédit d'impôt américain pour mélangeurs, les ajustements périodiques aux obligations de volume des DFS et la différence de traitement des changements indirects d'utilisation des terres dans les directives de l'UE créent une incertitude sur le marché.

Possibilités et potentiel futur

Malgré ces défis, les possibilités offertes aux matières premières renouvelables dans le raffinage se transforment.

Réduction de l'empreinte carbone

Les combustibles renouvelables en baisse peuvent réduire les émissions de gaz à effet de serre du cycle de vie de 50 à 90 % par rapport à leurs homologues fossiles, selon les matières premières et les procédés.Pour les secteurs difficiles à électrifier comme le transport aérien, maritime et routier lourd, ces combustibles sont l'option de décarbonisation à court terme la plus viable.

Économie circulaire du carbone

Les matériaux résiduaires sont retournés à la chaîne de valeur plutôt qu'incinérés ou mis en décharge. Le concept de recyclage moléculaire (recyclage des polymères qui se redressent en monomères ou en hydrocarbures intermédiaires) s'aligne sur les forces d'un hydrocraqueur ou d'une unité de craquage catalytique des fluides (CFC). Des entreprises comme Eastman et Dow investissent dans cette approche.

La co-transformation comme stratégie de pont

Les petites quantités de co-traitement (généralement 5 à 20 %) de matières premières renouvelables dans les hydrotraitements existants, les unités de FAC et les cokers permettent aux raffineries d'acquérir de l'expérience sans construire d'installations dédiées.Cette approche réduit les dépenses initiales en capital et offre une voie de transition progressive.

Élargir au-delà des combustibles : produits chimiques bio-basés

L'industrie du raffinage ne se limite pas à l'énergie, elle est la source de la plupart des éléments de construction pétrochimiques. En passant des matières premières aux sources bio-basées, les raffineries peuvent produire du naphta renouvelable pour les craquelins d'éthylène, des aromatiques BTX biobasés et du propane renouvelable.

Exemples industriels et progrès réels dans le monde

Plusieurs entreprises démontrent déjà la viabilité des matières premières renouvelables dans le raffinage à l'échelle commerciale.

  • Neste (Finlande) est le plus grand producteur mondial de diesel et de FAS renouvelables à partir d'huiles et de graisses usagées, d'une capacité supérieure à 5 millions de tonnes par an. Leurs raffineries de Porvoo et de Rotterdam sont des unités de traitement hydro-électrique (NEXBTL).
  • Phillips 66 (États-Unis) a co-traité des bio-huiles dans ses raffineries de San Francisco et de Wood River, réalisant des milliers de barils par jour d'essence renouvelable et de diesel. La société prévoit convertir la raffinerie de San Francisco (usine de Rodeo) en une installation de production 100% renouvelable d'ici 2024.
  • TotalEnergies (France) a co-traité des huiles végétales dans la raffinerie de Grandpuis et construit une unité dédiée à l'HEFA à La Mède, en plus d'une ferme solaire et d'une bioraffinerie pour gels médicaux.
  • Ensyn (États-Unis/Canada) exploite plusieurs unités de pyrolyse commerciale qui transforment les résidus de bois en biohuile RTPTM, puis sont mises à niveau pour devenir de l'essence renouvelable et du diesel à leur raffinerie en Pennsylvanie (partenariat du Groupe de l'énergie renouvelable).
  • Vélocys (Royaume-Uni, États-Unis) développe des installations commerciales de gazéification des déchets solides municipaux pour produire du jet-carburant via Fischer-Tropsch, avec le projet Altalto (Royaume-Uni) comme un phare.

Ces exemples montrent que la technologie est éprouvée et peut être économiquement viable, en particulier dans les régions où les politiques sont fortement soutenues et où les prix du crédit carbone sont élevés.

Le rôle des politiques et des investissements

La tarification du carbone, les normes de combustible à faible teneur en carbone et les mandats de mélange créent des marchés pour les carburants renouvelables, tandis que les subventions et les garanties de prêts dépassent les risques des projets de premier plan. La loi américaine sur la réduction de l'inflation (IRA) prévoit des crédits d'impôt substantiels pour les carburants d'aviation durables, l'hydrogène propre et le captage du carbone, qui sont tous directement bénéfiques pour les projets de combustibles renouvelables. De même, le Fonds européen d'innovation et les programmes Horizon Europe soutiennent la démonstration à grande échelle de technologies de pointe en matière de biocarburants.

Conclusion : Une transition stratégique, pas une révolution

L'intégration des matières premières renouvelables dans le raffinage du pétrole n'est pas une révolution du jour au lendemain mais une transition stratégique à plusieurs décennies. Les opérations de base de l'unité – distillation, hydrotraitement, fissuration, reformage – restent pertinentes; quels changements sont la source des molécules de carbone entrant dans la porte d'entrée. En embrassant un portefeuille diversifié de matières premières – huiles usagées, biomasse, plastiques et éventuellement CO2 capté – les raffineries peuvent réduire leur intensité de carbone tout en continuant à produire des produits essentiels.