Procédé Fischer-Tropsch

Le procédé Fischer-Tropsch est un procédé chimique où intervient la catalyse de monoxyde de carbone et d'hydrogène en vue de les convertir en hydrocarbure. Les catalyseurs les plus courants sont le fer, le cobalt ou le ruthénium, ainsi que le nickel, mais ce dernier aura tendance à former du méthane CH₄ (on parle alors de méthanation). L'intérêt de la conversion est de produire du pétrole brut de synthèse à partir de charbon ou de gaz. C'est un procédé très performant en termes de rendement, mais qui nécessite des investissements très lourds, ce qui le rend économiquement vulnérable aux fluctuations à la baisse du cours du pétrole.

Mécanisme

Le procédé Fischer-Tropsch tel que découvert par ses deux inventeurs est schématiquement le suivant :

D'autres hydrocarbures sont également formés en quantité importante : des 1-alcènes ainsi que des traces d'alcools, cétones, aldéhydes et esters. Le mélange réactif de monoxyde de carbone et d'hydrogène est appelé gaz de synthèse ou syngas. La production résultante, qui se présente sous la forme de cires solides à température ambiante ou d'un mélange liquide d'hydrocarbures, est ensuite transformée par un procédé appelé hydroisomérisation pour obtenir le carburant synthétique désiré (majoritairement constitué de gazole et d'essence).

Histoire

L'invention du procédé Fischer-Tropsch remonte à 1923, date qui correspond à la date de dépôt du premier brevet attribuée à deux chercheurs allemands, Franz Fischer et Hans Tropsch, travaillant pour le Kaiser Wilhelm Institut (Allemagne) à l'époque dédié à la valorisation du charbon.

Ce procédé repose sur la réduction catalytique des oxydes de carbone par l’hydrogène en vue de les convertir en hydrocarbure. Son intérêt est de produire un mélange d’hydrocarbures qui est ensuite hydrocraqué (hydroisomérisé) afin de fournir du carburant liquide synthétique (synfuel), à partir de charbon, de gaz ou, plus récemment, de biomasse.

Ce procédé a été mis au point et exploité au cours de la Seconde Guerre mondiale par l'Allemagne, pauvre en pétrole et en colonies pétrolifères mais riche en charbon, pour produire du carburant liquide, massivement utilisé par les Allemands et les Japonais durant le conflit mondial. Ainsi a été montée la première usine pilote par Ruhrchemie AGS en 1934 et industrialisée en 1936. Au début de 1944, le Troisième Reich produisait quelque 124 000 barils/jour de combustibles à partir de charbon, ce qui représentait plus de 90% de ses besoins en essence d'aviation et plus de 50% du besoin total du pays en combustibles. Cette production provenait de 18 usines de liquéfaction directe mais aussi de 9 petites usines FT, qui produisaient quelque 14 000 barils/jour.

Le Japon a aussi tenté de produire des combustibles à partir de charbon, la production s’effectuant principalement par carbonisation à basse température, un processus peu efficace mais simple. Cependant, l'entreprise Mitsui a acheté une licence du procédé Fischer-Tropsch à Ruhrchemie pour construire trois usines à Miike, Amagasaki et Takikawa, qui n'ont jamais atteint leurs capacités nominales en raison de problèmes de conception. En 1944, le Japon produisait 114 000 tonnes de combustible à partir de charbon, mais seulement 18 000 d'entre elles étaient faites selon le procédé Fischer-Tropsch.

Entre 1944 et 1945, les usines allemandes et japonaises ont été très endommagées par les bombardements alliés, et la majorité a été démontée après la guerre.

Les scientifiques allemands qui avaient mis au point le procédé Fischer-Tropsch ont été capturés par les Américains et sept d'entre eux envoyés aux États-Unis dans le cadre de l’opération Paperclip. Cependant, après la structuration du marché pétrolier et la forte baisse des prix, les États-Unis ont abandonné les recherches et le procédé Fischer-Tropsch est tombé en désuétude. Cependant il a retrouvé de l'intérêt en Afrique du Sud au cours des années 1950, suite à l'isolement du pays consécutif à sa politique d'apartheid : ce pays, disposant d'abondantes ressources de charbon, a construit des mines hautement mécanisées (Sasol) qui approvisionnent des unités CTL (Coal to Liquids), dont la production repose sur deux synthèses Fischer Tropsch distinctes :

• Procédé Arge (développé par Ruhrchemie-Lurgi) pour la production d’hydrocarbures à haut point d’ébullition, tels que le gasoil et les cires.
• Procédé Synthol pour la production d’hydrocarbures à points d’ébullition plus bas, tels l’essence, l’acétone et les alcools.

La production suffisait à son alimentation en carburants routiers. En 2006, ces unités couvrent environ un tiers des besoins sud-africains, et la société Sasol est devenue l'un des spécialistes mondiaux en la matière.

Après le premier choc pétrolier de 1973, qui a provoqué l’augmentation du prix du pétrole brut, plusieurs sociétés et chercheurs ont essayé d’améliorer le procédé de base de Fischer-Tropsch, ce qui a donné naissance à une grande variété de procédés similaires, regroupés sous le volet de synthèse Fischer-Tropsch ou chimie Fischer-Tropsch.

Perspectives

Centrale de conversion Fischer-Tropsch à Güssing, Burgenland, Autriche

Conduites de la centrale de Güssing, Burgenland, Autriche

C'est dans les années 2000 et l'augmentation du prix du pétrole que le procédé retrouve un intérêt économique. Ainsi le département de la Défense des États-Unis a préconisé^{[réf. nécessaire]} en septembre 2005 le développement d'une industrie pétrolière basée sur l'exploitation des ressources énergétiques des États-Unis en charbon en vue de produire du carburant par le procédé Fischer-Tropsch et ainsi de ne pas être dépendant de ressources naturelles extérieures pour ses propres besoins.

Depuis 2006, un Boeing B-52 Stratofortress de l’US Air Force réalise des essais avec du carburant Fischer-Tropsch, en mélange à 50% ou pur. Pour l'instant, c'est un succès^{[réf. souhaitée]} qui va permettre à l'armée américaine de retrouver une indépendance stratégique pour son carburant militaire.

Le principe général de la réaction Fischer-Tropsch s'est beaucoup enrichi depuis l'origine, et a donné naissance à des procédés et appellations plus génériques, telles que CTL (Coal to Liquids), GTL (Gas to Liquids), BTL (Biomass to Liquids), parfois décrits génériquement par « xTL ».

Les difficultés croissantes d'approvisionnement en pétrole, ainsi que la tendance à la hausse du prix de cette matière première, laissent envisager un renouveau d'intérêt pour cette application dans les pays où le charbon est abondant. Elle présente le désavantage d'un bilan CO₂ très lourd qui pourrait cependant être limité en mettant en place des solutions de captage et de stockage de ce CO₂. Le rendement énergétique global de cette technologie demeure également un point faible.

Voir aussi

Articles connexes

• Essence synthétique
• Yvan Makhonine
• Houille

Liens externes

• (en) Fischer-Tropsch archive, site web rassemblant un corpus de textes des années 1920 à nos jours pour comprendre le procédé Fischer-Tropsch et les procédés voisins.

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