Le paysage changeant du raffinage : intégrer les matières premières renouvelables

L'industrie mondiale du raffinage, longtemps ancrée dans le pétrole brut, connaît une transformation fondamentale : les gouvernements resserrent la réglementation des émissions et les consommateurs exigent des produits à faible teneur en carbone, les raffineurs se tournent de plus en plus vers des matières premières renouvelables comme complément viable, et parfois alternative, aux intrants dérivés des fossiles.Ces matières premières, issues de sources biologiques et de flux de déchets, offrent une voie pour décarboner les combustibles, les produits chimiques et les matériaux de transport sans exiger une refonte complète des infrastructures existantes.

Cet article explore les tendances émergentes les plus importantes des matières premières renouvelables pour les procédés de raffinage, les innovations qui les rendent commercialement viables et les défis qui subsistent avant qu'elles ne puissent être adoptées à grande échelle.

Comprendre les matières premières renouvelables: types et caractéristiques

Les matières premières renouvelables englobent une vaste gamme de matières organiques pouvant être transformées en combustibles, en produits chimiques et en énergie par divers procédés de raffinage.

Biomasse et résidus agricoles

La biomasse lignocellulosique, comme la poêle à maïs, la paille de blé, les résidus forestiers et les cultures énergétiques spécialisées comme l'herbe à bascule et la malcanthose, est abondante et relativement peu coûteuse. Ces matériaux sont principalement constitués de cellulose, d'hémicellulose et de lignine, qui peuvent être subdivisés en sucres et composés aromatiques par conversion thermochimique ou biochimique.

Algae et biomasse aquatique

Les algues peuvent produire des huiles qui permettent de se transformer en diesel renouvelable et en carburant d'aviation durable (FAS), tandis que la biomasse résiduelle peut être convertie en biogaz ou en biochar. Les projets commerciaux d'algues vers carburants demeurent limités en raison des coûts de culture et de récolte, mais les recherches en cours sur l'ingénierie des souches et la conception de photobioréacteurs continuent d'améliorer la viabilité économique.

Huiles et graisses usagées

L'huile de cuisson usagée (UCO), les graisses animales et l'huile de haute qualité (sous-produit de la pâte à papier) sont déjà largement utilisées comme matières premières pour les esters et les acides gras hydroprocédés (HEFA) pour produire du diesel renouvelable et des FAS. Ces matières premières à base de déchets ont une faible intensité de carbone parce qu'elles n'ont pas besoin d'utilisation spécifique des terres ou d'intrants agricoles additionnels.

Déchets solides municipaux et résidus biogéniques

Les fractions organiques de déchets solides municipaux, y compris les déchets alimentaires, les déchets de jardin et les boues d'épuration, représentent une ressource inexploitée importante.Les technologies avancées de gazéification et de pyrolyse peuvent transformer ces matériaux en gaz de synthèse (syngas) et en bio-huile, qui peuvent ensuite être transformés en combustibles et en produits chimiques.

Hydrogène vert et puissance à X

Bien que ce ne soit pas une matière première à base de carbone, l'hydrogène vert produit par électrolyse à l'aide d'électricité renouvelable apparaît comme un élément essentiel du raffinage. Il peut être utilisé pour éliminer le soufre des bio-huiles, pour réduire l'intensité en carbone des unités d'hydrotraitement existantes et comme un élément de construction des combustibles synthétiques (carburants électroniques) lorsqu'il est combiné avec le CO2 capturé.

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE) , la consommation mondiale de matières premières renouvelables dans les raffineries devrait tripler d'ici 2030, principalement en raison des mandats relatifs aux biocarburants avancés et aux FSA.

Principales tendances qui ont conduit à un changement vers les matières premières renouvelables

Plusieurs tendances interdépendantes accélèrent l'intégration des matières premières renouvelables dans les procédés de raffinage classiques et spécialisés, qui reflètent à la fois les forces du marché et les progrès technologiques.

Matières premières bio: de la première génération à des sources avancées

Les biocarburants de première génération, issus de cultures alimentaires comme le maïs et la canne à sucre, ont été critiqués pour avoir fait concurrence à la production alimentaire et entraîné un changement indirect d'affectation des terres. Par conséquent, l'industrie se consacre à des matières premières de deuxième génération (lignocellulosique) et de troisième génération (algue) qui ne sont pas en concurrence avec l'approvisionnement alimentaire.

Parallèlement, le développement de technologies de prétraitement de la biomasse, telles que l'explosion de vapeur, l'hydrolyse acide et la dissolution ionique des liquides, améliore l'efficacité des rejets de sucre du lignocellulose, ce qui permet des rendements plus élevés et des coûts moindres.Le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a été à l'avant-garde de la caractérisation de la variabilité des matières premières et du développement de modèles de conversion qui aident à optimiser l'économie des processus.

Les algues en tant que ressource évolutive : progrès et obstacles restants

Les algues sont depuis longtemps considérées comme une matière première prometteuse en raison de leur forte teneur en huile (jusqu'à 60% du poids sec chez certaines souches) et de leur capacité à croître dans des terres non arables et dans l'eau saumâtre. Les progrès récents comprennent le développement de souches génétiquement modifiées qui accumulent plus de lipides et tolèrent des concentrations de CO2 plus élevées, ainsi que l'amélioration des méthodes de récolte telles que la floculation et la centrifugation qui réduisent la consommation d'énergie.

Les estimations actuelles font que le coût de la production de biomasse d'algues demeure un obstacle, comparativement à celui de la cuisinière de maïs, qui est de 30 $ à 400 $ par tonne sèche. Des initiatives de recherche comme le programme de biomasse d'algues du département américain de l'énergie ont fixé des objectifs de coûts ambitieux de 85 $ par tonne sèche d'ici 2030, ce qui rendrait les matières premières d'algues compétitives par rapport aux huiles usagées pour de nombreuses applications.

Technologies de valorisation des déchets : transformer la corbeille en trésor

La digestion anaérobie des déchets alimentaires produit du biogaz (méthane) qui peut être mis à niveau en gaz naturel renouvelable (GNR) ou transformé en hydrogène. La gazéification peut transformer les flux de déchets mixtes en gaz synthétisé, qui peut ensuite être transformé en méthanol, éthanol ou hydrocarbures synthétiques par la synthèse Fischer-Tropsch. Des entreprises comme Fulcrum BioEnergy et Enerkem exploitent des usines commerciales produisant respectivement du SAF et du méthanol à partir de déchets solides municipaux.

Une tendance émergente est le co-traitement des bio-huiles dérivées des déchets dans les raffineries de pétrole existantes. En alimentant un faible pourcentage (généralement de 5 à 20 %) de matières premières biobrûlées ou à base de lipides en un cracker catalytique fluide (CFC) ou en hydrotreat, les raffineurs peuvent produire un produit partiellement renouvelable sans investissement important en capital.

Hydrogène vert et électrification des procédés de raffinage

La production d'hydrogène vert est une pierre angulaire de nombreuses stratégies de décarbonisation des raffineries. Traditionnellement, les raffineries utilisent l'hydrogène issu du reformage du méthane de vapeur (RSM) du gaz naturel, qui émet du CO2. Le remplacement de cet hydrogène par de l'hydrogène électrolytique provenant des énergies renouvelables peut réduire l'empreinte carbone des opérations de traitement de 50 à 90 % selon la source d'électricité.

Des projets comme la Hydrogen Forward Coalition aux États-Unis et l'European Clean Hydrogen Alliance encouragent l'augmentation de la capacité de fabrication d'électrolysers, en vue de réduire les coûts installés d'environ 1 000 $/kW aujourd'hui à moins de 500 $/kW d'ici 2030.

Innovations dans le perfectionnement des technologies pour les matières premières renouvelables

L'utilisation réussie des matières premières renouvelables dépend non seulement des matières premières elles-mêmes, mais aussi des technologies qui les transforment en produits prêts au marché.

Bioraffineries : Plateformes intégrées pour une extraction de valeur maximale

Un bioraffinerie moderne est analogue à une raffinerie de pétrole : il fractionne la biomasse en plusieurs flux de produits, maximisant les rendements économiques. Par exemple, le modèle bioraffinerie -lignine-premier , isole la lignine à haute pureté (polymère pouvant être transformé en bioplastiques, adhésifs et fibres de carbone) tout en utilisant la fraction glucidique pour la fermentation en éthanol ou butanol. Le U.S. Department of Energy (DOE) a financé plusieurs bioraffineries intégrées à l'échelle pilote qui démontrent la faisabilité de la production d'éthanol cellulosique, de diesel renouvelable et de produits chimiques bio-basés à partir d'une seule matière première.

Les progrès réalisés dans les cocktails enzymatiques, développés par des entreprises comme Novozymes et DuPont, ont amélioré l'efficacité de la saccharification de la biomasse lignocellulosique, réduisant ainsi les coûts de charge des enzymes de plus de 50 % au cours de la dernière décennie.

Amélioration catalytique : adapter les bio-huiles aux combustibles d'entrée

Les travaux récents comprennent le développement de catalyseurs bimétalliques et de phosphatures métalliques qui permettent d'atteindre une plus grande sélectivité et une durée de vie plus longue que les catalyseurs traditionnels NiMo ou CoMo sulfurés. Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne ont démontré des catalyseurs qui peuvent améliorer le bio-huile en hydrocarbures à jets en une seule étape, réduisant ainsi la complexité du processus.

Une autre approche prometteuse est l'utilisation de catalyseurs de zéolite dans les unités de craquage catalytique des fluides (FCC) pour co-transformer le bio-huile avec du gazole sous vide. Optimiser la formulation et les conditions d'exploitation du catalyseur permet aux raffineurs de maintenir des rendements élevés d'essence et de propylène tout en intégrant du carbone renouvelable.

Améliorations des hydrotraitements et stratégies de co-traitement

L'hydrotraitement, qui consiste à éliminer le soufre, l'azote et l'oxygène des flux d'hydrocarbures à l'aide d'hydrogène, est une unité de travail dans les raffineries. Lors du traitement des matières premières renouvelables comme les huiles végétales et les graisses animales, le procédé HEFA (esters hydroprocédés et acides gras) est devenu la technologie dominante pour produire du diesel renouvelable.

Plusieurs raffineurs n'ont signalé aucun problème opérationnel majeur lors de l'utilisation de mélanges d'UCO ou d'hydrodésoxygénate d'huile de palme. Cependant, la matière première doit être soigneusement traitée avant d'éliminer les acides gras, les métaux et le phosphore libres, qui peuvent empoisonner les catalyseurs. Les technologies de prétraitement comme le blanchiment de la filtration de la terre et les réacteurs à lit de protection sont en cours de mise au point pour relever ces défis.

Fermentation et voies de circulation basées sur les Syngas

Les voies de conversion biochimique, y compris la fermentation des sucres en éthanol, sont commerciales depuis le début des années 2000. Cependant, de nouvelles voies permettent la production d'hydrocarbures à chaîne longue. Par exemple, des entreprises comme LanzaTech utilisent la fermentation de gaz pour convertir les gaz syniques (à partir de déchets gazifiés ou de biomasse) en éthanol, en 2,3-butanediol, et même en isopropanol. L'éthanol peut ensuite être déshydraté en éthylène et oligomérisé en carburant jet et diesel. De même, le procédé -alcool-à-jet (ATJ) développé par Gevo et Honeywell UOP convertit l'isobutanol ou l'éthanol en kérosène paraffinique synthétique (SPK) qui répond à la certification ASTM D7566 pour l'utilisation de la SAF à un mélange pouvant atteindre 50 % dans le carburant jet conventionnel.

La synthèse thermochimique, telle que la synthèse Fischer-Tropsch (FT), est également à l'étude. La combinaison de la gazéification de la biomasse et des catalyseurs FT produit du pétrole brut synthétique qui peut être ensuite hydroprocédé. Le défi réside dans l'économie d'échelle : les usines FT ont généralement besoin d'importantes dépenses en capital et d'une alimentation constante pour être économiquement viables.

Surmonter les défis : coûts, scalabilité et soutien stratégique

Malgré les progrès rapides, l'adoption généralisée de matières premières renouvelables dans le raffinage se heurte à plusieurs obstacles redoutables qui doivent être surmontés par la poursuite de la recherche, de l'investissement et de l'action politique.

Coût et volatilité de l'offre

Le coût des matières premières renouvelables demeure un obstacle majeur : les huiles et les graisses usagées sont déjà évaluées à un prix plus élevé en raison de la forte demande, souvent en échangeant au-dessus du diesel de pétrole sur une base équivalente à l'énergie. Les résidus agricoles sont moins chers mais nécessitent une collecte, une densification et un transport coûteux.

Évolutivité technologique et intégration des processus

De nombreuses technologies de conversion qui fonctionnent bien à l'échelle pilote sont confrontées à des défis lorsqu'elles sont multipliées par 100. Les limitations du transfert de chaleur et de masse, la désactivation du catalyseur en raison des impuretés et l'encrassement des équipements sont des problèmes courants. Par exemple, les gazéificateurs qui manipulent des matières premières hétérogènes comme les déchets solides municipaux connaissent souvent des pertes de chaleur et de goudron.

Incertitude en matière de réglementation et de politique

Les critères de durabilité des matières premières (par exemple, le changement d'affectation des terres, l'impact sur la biodiversité) deviennent également plus stricts, ce qui limite potentiellement l'utilisation de certaines sources comme l'huile de palme. Les mécanismes de tarification du carbone, les normes de combustible à faible teneur en carbone (par exemple, la LCFS de Californie) et les grands défis tels que la voie de 1,5 °C façonnent tous le paysage politique.

Perspectives et implications stratégiques

Les analystes du projet BloombergNEF estiment que la capacité mondiale de diesel renouvelable pourrait atteindre 70 milliards de litres par an d'ici 2030, contre environ 15 milliards de litres en 2023, tandis que la demande de FAS devrait croître encore plus rapidement en raison des accords de rachat et des mandats gouvernementaux. Cette croissance sera soutenue par la baisse des coûts de l'hydrogène vert et des catalyseurs avancés, l'amélioration des technologies de conversion biochimique et la mise en place d'une chaîne d'approvisionnement en déchets et résidus.

Les raffineries qui investissent de façon proactive dans la flexibilité, la capacité de passer d'une matière première fossile à une matière première renouvelable, seront les mieux placées pour gérer les coûts de conformité au carbone et pour saisir les incitations du marché émergent. Par exemple, une raffinerie qui peut co-traiter aujourd'hui 10 % de l'huile usagée tout en conservant la capacité d'augmenter jusqu'à 30 % à mesure que l'hydrogène vert sera disponible aura un avantage concurrentiel clair.

De plus, la dimension circulaire ne peut être négligée: à mesure que les matières premières renouvelables seront plus répandues, l'industrie du raffinage dépendra de plus en plus de technologies de recyclage et de captage du carbone pour fermer la boucle de carbone. L'utilisation du CO2 capturé pour produire du méthane synthétique ou du méthanol — par l'intermédiaire de la puissance au gaz ou de la puissance au liquide — pourrait éventuellement faire des raffineries des exportateurs nets de combustibles à faible teneur en carbone.

En conclusion, la transition vers les matières premières renouvelables n'est pas une tendance marginale, mais un pivot stratégique de base pour l'industrie mondiale du raffinage.Bien que des défis liés au coût, à l'évolutivité et à la cohérence des politiques demeurent, la convergence de l'innovation technologique, de la pression réglementaire et de la demande du marché crée un argument convaincant pour accélérer l'adoption.