L'impératif croissant pour les combustibles marins sans soufre

Le secteur maritime est soumis à des pressions croissantes pour réduire son empreinte environnementale, les émissions d'oxyde de soufre (SOx) étant au cœur du programme réglementaire. Comme le commerce mondial continue de dépendre du transport maritime, la combustion de mazout lourd, historiquement élevé en soufre, a été une source de SOx, qui contribue aux pluies acides et aux maladies respiratoires. La réglementation internationale, en particulier le plafond de soufre de l'Organisation maritime internationale (OMI) pour 2020, a forcé l'industrie à pivoter vers des carburants de remplacement plus propres.

Les compagnies maritimes qui adoptent des procédés de pointe d'élimination du soufre peuvent bénéficier de coûts d'exploitation moins élevés, d'une meilleure perception du public et de la préparation à des limites encore plus strictes à l'avenir. Cet article examine l'état actuel de la technologie de remplacement du soufre, explore les innovations émergentes et prévoit comment ces développements remodeleront le raffinage des combustibles marins au cours de la prochaine décennie.

Technologies actuelles d'enlèvement du soufre : forces et limites

Dans ce processus, l'hydrogène est réagi avec des hydrocarbures contenant du soufre à des températures élevées (habituellement 300–400 °C) et des pressions (30–130 bar) en présence d'un catalyseur, habituellement cobalt-molybdène ou nickel-molybdène. Le soufre est converti en sulfure d'hydrogène (H2S), qui est ensuite retiré du combustible et transformé en soufre élémentaire ou acide sulfurique. Le HDS est très efficace pour éliminer les thiols, les sulfures et d'autres composés simples de soufre, ce qui permet de réduire le soufre à 10 parties par million (ppm) ou moins.

Malgré son efficacité, le HDS fait face à plusieurs inconvénients critiques. Le processus est à forte intensité énergétique[, nécessitant une chaleur et un gaz d'hydrogène importants, qui génère à leur tour des émissions de CO2, à moins que l'hydrogène ne soit produit à partir de sources à faible teneur en carbone. La déssulfuration profonde – surtout pour satisfaire aux normes de combustible à très faible teneur en soufre – nécessite des conditions d'exploitation plus sévères et des temps de réaction plus longs, entraînant des coûts d'investissement et d'exploitation.

Une autre approche largement utilisée est l'utilisation de épurateurs sur les navires, qui éliminent les oxydes de soufre des gaz d'échappement après la combustion plutôt que du carburant lui-même. Bien que les épurateurs permettent aux navires de continuer à brûler du mazout à haute teneur en soufre, ils nécessitent un important équipement à bord, des systèmes de manutention de l'eau et une gestion des rejets.

La réglementation du paysage

La compréhension du cadre réglementaire est essentielle pour comprendre l'urgence des progrès réalisés en matière de déplacement du soufre. L'annexe VI de l'OMI MARPOL a fixé un plafond mondial de soufre de 0,50 % en masse (m/m) à compter du 1er janvier 2020, en baisse par rapport aux 3,5 % précédents. Dans les zones de contrôle des émissions (ZCE), comme la mer Baltique, la mer du Nord et les côtes nord-américaines, la limite est encore plus serrée à 0,10 % m/m. Ces limites ont entraîné deux voies principales de conformité : le passage à des combustibles à faible teneur en soufre (p. ex., le gazole marin, le très faible mazout de soufre) ou l'installation de systèmes de nettoyage des gaz d'échappement (bruts).

L'OMI envisage de nouvelles réductions du plafond mondial du soufre, qui pourrait atteindre 0,10 % en dehors des CEA, dans le cadre de sa stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre d'ici 2050. De plus, les organismes régionaux, comme l'Union européenne avec son initiative CarburantEU Maritime, font pression pour que les carburants à émissions nulles soient utilisés, ce qui nécessitera des matières premières pratiquement exemptes de soufre.

Innovations émergentes dans l'élimination du soufre

Une vague de recherche et de développement donne lieu à de nouvelles approches qui promettent de surmonter les limites du HDS et des épurateurs, qui peuvent être regroupées en plusieurs catégories, chacune comportant des mécanismes et des avantages distincts.

Déssulfurisation adsorbive

La déssulfurisation adsorbive (ADS) utilise des sorbants solides, comme les zéolites, le charbon actif, les cadres métal-organiques (MOF) et les silices mésoporeuses, pour capturer sélectivement les composés de soufre des combustibles liquides dans des conditions ambiantes ou quasi-ambientes. Le processus ne nécessite pas d'hydrogène et peut être effectué à des températures modérées (ambientes à 200 °C).

Avantages: Le SAD peut être actionné à faible consommation d'énergie, ne produit pas de H2S et est efficace pour éliminer les dibenzothiophènes résistants au HDS. Les sorbants peuvent être régénérés thermiquement ou par lavage au solvant, réduisant ainsi les déchets.

Challenges: Les capacités actuelles de sorbant nécessitent toujours une amélioration pour les volumes de carburant marins commerciaux. Les composés aromatiques et azotés peuvent réduire la sélectivité.

Les travaux récents menés dans des institutions comme le Laboratoire national des énergies renouvelables ont porté sur les moteurs à haut débit ayant des surfaces exceptionnellement élevées, atteignant des absorptions de soufre supérieures à 20 mg S/g de sorbant dans des conditions réalistes.

Biodéssulfurisation

La biodésulfurisation (BDS) emploie des microorganismes, typiquement des bactéries comme Rhodococcus érythropopolis ou Gordonia des espèces qui peuvent métaboliser les composés de soufre sans briser l'épine dorsale carbone-carbone. La voie -appelée -(Spathe) -(sulfoxyde/sulfone/sulfonate/sulfate) convertit le dibenzothiophène en 2-hydroxybiphényle et sulfate, libérant le soufre sous une forme soluble dans l'eau qui peut être éliminée à un prix abordable.

Avantages:[ Environnemental, pas d'hydrogène requis, une grande spécificité pour les composés de soufre récalcitrants, et les bactéries peuvent être continuellement cultivées. Le processus ne produit aucun sous-produit toxique et le sulfate peut être récupéré pour utilisation industrielle.

Challenges: Les vitesses de réaction sont lentes par rapport à la catalyse chimique, le débit limite. Les bactéries doivent être séparées de la phase hydrocarbonée et maintenir des conditions optimales (pH, température, apport de nutriments) ajoute de la complexité.Le génie génétique est utilisé pour améliorer l'activité et la stabilité des enzymes, comme le montre la recherche de Université technique du Danemark.

La commercialisation des SDB a été lente en raison des contraintes de productivité volumétrique, mais les systèmes hybrides qui combinent le SHD avec une étape finale de polissage des SDB sont prometteurs.Les usines pilotes en Europe et en Asie ont démontré des réductions de soufre de 50 ppm à moins de 10 ppm en utilisant des souches de Rhodococcus.

Technologies de la membrane

La déssulfurisation à base de membranes utilise des membranes perméables sélectivement pour séparer les molécules contenant du soufre des flux d'hydrocarbures. En général, un mélange d'aliments pour animaux traverse une membrane qui favorise soit l'espèce de soufre, soit les molécules de combustible. La pervaporation, processus où la membrane absorbe et transporte de préférence un composant sous forme de vapeur, a été étudiée de façon approfondie.

Avantages:[ Faible consommation d'énergie (pas de changement de phase pour le combustible en vrac), fonctionnement continu, aucun additif chimique et empreinte compacte, ce qui les rend adaptés aux applications offshore ou de modernisation.

Challenges: Les encrassements de membrane par des contaminants plus lourds, la sélectivité limitée dans les matrices complexes de combustible et la nécessité de matériaux robustes qui résistent à des températures et des pressions élevées. Les progrès récents dans les membranes mixtes (polymères combinés avec des particules de MOF ou de zéolite) ont amélioré la sélectivité, comme l'indique l'Université des sciences et de la technologie du Roi Abdullah .

Déssulfuration oxydative

La déssulfurisation oxydative (SDO) utilise des agents oxydants, comme le peroxyde d'hydrogène, l'ozone ou les peracides, pour convertir les composés de soufre en sulfoxydes et en sulfons, qui sont plus polaires et peuvent être extraits facilement par extraction liquide-liquide ou adsorption. La SDO fonctionne dans des conditions légères (50–100 °C, pression atmosphérique) et peut éliminer les espèces de soufre réfractaires que le SHD manque.

Avantages: Aucun hydrogène nécessaire; efficace pour la désulfuration profonde; peut être couplé avec l'extraction pour obtenir des niveaux de soufre inférieurs à 5 ppm.

Challenges: Les agents oxydants ajoutent des coûts et peuvent provoquer des réactions secondaires (p. ex. suroxydation des oléfines, formation d'acides corrosifs). L'étape d'extraction génère un flux organique qui nécessite un traitement ou une élimination plus poussés.

Analyse comparative des technologies

Le tableau ci-dessous (voir le texte, mais non le tableau HTML par contrainte de sortie) peut être résumé comme suit sous forme de liste:

  • HDS: Meilleur pour l'élimination en vrac du soufre des aliments légers à moyens; mature, fiable, mais à forte intensité énergétique et moins efficace pour les composés réfractaires.
  • ADS: Excellent pour le polissage à des niveaux ultra-faibles; faible énergie; coût sorbant et régénération sont des facteurs limitants.
  • BDS: Bénigné sur le plan de l'environnement; adapté pour l'élimination finale en profondeur; cinétique lente empêche une utilisation à grande échelle à moins que les souches conçues ne s'améliorent.
  • Membranes: Bon pour améliorer l'alimentation en HDS ou réduire la consommation d'hydrogène; modulaire; susceptible de s'encrasser.
  • ODS: Efficace pour les composés réfractaires; conditions modérées; coûts oxydants et complexité des processus sont des obstacles.

Pour le raffinage du combustible marin, une voie future probable combinera le HDS pour éliminer la majorité du soufre, suivie d'une étape de polissage utilisant le SAD ou le SAO pour atteindre des niveaux de sous--10 ppm. La biodéssulfurisation peut trouver un créneau dans les bio-affineries spécialisées ou comme solution verte pour les endroits éloignés.

Défis et limites sur la voie à suivre

La mise en valeur de ces nouvelles technologies, de la réalité du laboratoire à la réalité commerciale, présente des obstacles redoutables. La viabilité économique est primordiale : le coût de la déssulfurisation profonde doit être concurrentiel avec le prix actuel des carburants conformes.

La variabilité des matières premières du pétrole brut est un autre défi : les raffineries qui traitent des matières brutes lourdes et acides se heurtent à des concentrations plus élevées de soufre et de composés réfractaires, repoussant les limites de toute technologie. La désactivation catalysante, l'attrition sorbante, l'encrassement des membranes et l'inhibition bactérienne deviennent plus prononcées dans des conditions réelles. De plus, la transition vers des carburants marins de remplacement – comme le GNL, le méthanol, l'ammoniac ou l'hydrogène – pourrait réduire complètement le besoin de désulfuration.

L'incertitude réglementaire complique également les décisions d'investissement.Si l'OMI 2020 est en place, les futures limites de soufre sont encore à l'étude. Les armateurs et les raffineurs hésitent à s'engager dans des installations à forte intensité de capital sans signaux politiques clairs.

Perspectives et implications stratégiques

La feuille de route pour les technologies d'élimination du soufre dans le raffinage des combustibles marins indique une plus grande diversité, modularité et intégration.

  • Systèmes hybrides combinant HDS avec ADS ou ODS pour un enlèvement profond à moindre coût énergétique.
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  • Optimisation numérique des processus[ utilisant l'IA et les capteurs pour contrôler dynamiquement les paramètres de désulfuration, minimisant l'utilisation d'énergie et de produits chimiques.
  • Unités de désulfuration mobile[ destinées à être utilisées dans les ports plus petits ou comme systèmes auxiliaires pour les bateaux équipés d'un épurateur qui ont besoin de souplesse en matière de carburant.
  • La biosulfurisation se fait par la biologie synthétique, ce qui permet aux microorganismes de génie d'être plus actifs et plus stables.

L'adoption d'un procédé perfectionné d'élimination du soufre peut réduire l'empreinte carbone de la production de carburant (en réduisant la demande d'énergie et d'hydrogène) et améliorer la qualité de l'air dans les villes portuaires. Il peut également créer de nouvelles possibilités de marché pour les mélanges de combustibles à faible teneur en soufre et pour les fournisseurs de technologies.

Le IMO continue d'examiner les progrès technologiques, et les règlements futurs pourraient inciter à utiliser la désulfuration avancée par le biais des marchés du carbone ou des normes de combustible à faible émission. La collaboration entre les raffineries, les concepteurs de technologies et les intervenants maritimes sera essentielle pour accélérer l'expansion du projet pilote vers le marché.

Conclusion

Bien que l'hydrodésulfuration demeurera probablement le cheval de bataille de l'élimination en vrac du soufre, la prochaine génération de méthodes adsorbives, biologiques, membranaires et oxydantes permettra une déssulfurisation plus profonde, plus propre et plus rentable.Ces innovations ne sont pas seulement des réponses à la pression réglementaire, elles offrent des possibilités de moderniser les infrastructures de raffinage, de réduire les dommages environnementaux et de s'aligner sur la tendance mondiale à la viabilité du transport maritime.