Sciences · Chimie
Le pétrole et son raffinage
Le pétrole brut est un mélange de milliers d’hydrocarbures, formé en millions d’années à partir de matière organique enfouie. Le raffinage le transforme en carburants et matières premières.
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Le pétrole (du latin petra oleum, « huile de pierre ») est la première source d’énergie primaire mondiale et la matière première de la majorité des plastiques, solvants, lubrifiants et de nombreux médicaments. Tel qu’il sort du sol, il est inutilisable : c’est un liquide visqueux, noir ou brun, dont la composition varie d’un gisement à l’autre. Le raffinage le transforme en une gamme de produits adaptés à chaque usage.
Comment se forme le pétrole ?
- Accumulation : au fond de mers ou de lacs pauvres en oxygène, des restes de plancton et d’algues s’accumulent avec des sédiments fins.
- Enfouissement : recouverte par de nouvelles couches, la matière organique se transforme en kérogène dans la roche mère.
- Maturation : vers 2 à 4 km de profondeur, entre environ 60 et 120 °C (la « fenêtre à huile »), le kérogène se craque en pétrole ; plus profond et plus chaud, il donne surtout du gaz naturel.
- Migration : moins dense que l’eau, le pétrole remonte à travers les roches poreuses jusqu’à être piégé sous une couche imperméable : c’est le gisement, dans une roche réservoir.
Ce processus prend des millions à des dizaines de millions d’années : à l’échelle humaine, le pétrole est une ressource non renouvelable.
Composition du brut
| Constituant | Proportion typique |
|---|---|
| Carbone | ≈ 83 à 87 % en masse |
| Hydrogène | ≈ 10 à 14 % |
| Soufre | 0,05 à 6 % |
| Azote, oxygène | < 2 % |
| Métaux (nickel, vanadium) | traces |
On qualifie un brut de léger ou lourd selon sa densité, et de doux ou soufré selon sa teneur en soufre. Les bruts légers et doux, comme le Brent de la mer du Nord, donnent plus de carburants et sont mieux cotés.
Étape 1 : la distillation atmosphérique
Le brut, dessalé, est chauffé vers 350 à 400 °C puis injecté dans une colonne de distillation fractionnée de plusieurs dizaines de mètres. Les vapeurs montent et se condensent sur des plateaux selon leur température d’ébullition.
| Fraction (du haut vers le bas) | Atomes de carbone | Ébullition approximative | Produits |
|---|---|---|---|
| Gaz | C₁ à C₄ | < 20 °C | gaz de raffinerie, propane, butane (GPL) |
| Naphta, essences | C₅ à C₁₀ | 20 à 180 °C | essence, matière première de la pétrochimie |
| Kérosène | C₁₀ à C₁₆ | 150 à 250 °C | carburant d’avion |
| Gazole | C₁₄ à C₂₀ | 250 à 350 °C | diesel, fioul domestique |
| Résidu atmosphérique | > C₂₀ | > 350 °C | envoyé en distillation sous vide |
La distillation sous vide du résidu, à basse pression, sépare sans les décomposer des huiles lourdes (lubrifiants, paraffines) et laisse un résidu final : fioul lourd et bitume.
Étape 2 : la conversion
La distillation seule donne trop de produits lourds et pas assez d’essence et de gazole. Les raffineries modifient donc les molécules.
| Procédé | Principe | Résultat |
|---|---|---|
| Craquage catalytique | casser les grosses molécules vers 500 °C sur un catalyseur (zéolithes) | essence, gaz, propène |
| Hydrocraquage | craquage sous hydrogène à haute pression | gazole et kérosène de qualité |
| Vapocraquage | craquage du naphta vers 800 °C en présence de vapeur d’eau | éthylène, propylène, base des plastiques |
| Reformage catalytique | réarranger les chaînes linéaires en molécules ramifiées et aromatiques | essence à haut indice d’octane, hydrogène |
| Alkylation, isomérisation | assembler ou ramifier de petites molécules | composants d’essence |
| Cokéfaction | craquage thermique sévère des résidus | coke de pétrole, produits plus légers |
L’indice d’octane
Il mesure la résistance d’une essence à l’auto-inflammation (le « cliquetis ») dans le moteur. Par convention, l’isooctane (un octane ramifié) vaut 100 et l’heptane linéaire 0. Les molécules ramifiées et aromatiques ont un indice élevé : c’est pourquoi le reformage et l’isomérisation sont indispensables pour produire du SP95 et du SP98.
Étape 3 : les traitements de finition
- Hydrodésulfuration : le soufre est éliminé sous forme de sulfure d’hydrogène, puis transformé en soufre solide. Les carburants routiers européens contiennent au plus 10 mg de soufre par kilogramme, ce qui limite les pluies acides.
- Mélange (blending) : chaque carburant commercial est un assemblage de plusieurs flux, additivé d’antioxydants, de détergents et, pour l’essence, d’éthanol.
Ce que devient un baril
Un baril contient environ 159 litres. La répartition des produits dépend du brut et de la raffinerie ; dans le monde, la plus grande part sert aux transports (essence, gazole, kérosène, fioul marin), le reste au chauffage, à la production d’électricité, à la pétrochimie, aux lubrifiants et aux bitumes routiers.
Enjeux
La combustion des produits pétroliers émet du CO₂ ; elle est, avec celle du charbon et du gaz, la principale cause du réchauffement climatique. L’extraction et le transport comportent aussi des risques de marées noires. Les alternatives se développent : électrification des transports, biocarburants, plastiques biosourcés et recyclage (voir la chimie verte).
Questions fréquentes
Le pétrole vient-il des dinosaures ?
Non. Il provient essentiellement de micro-organismes marins (plancton, algues), accumulés au fond des mers sur de longues périodes, et non de grands animaux terrestres.
Quelle est la différence entre pétrole brut et essence ?
Le brut est le mélange naturel extrait du sous-sol. L’essence n’en est qu’une fraction (molécules de 5 à 10 carbones environ), purifiée, transformée et additivée en raffinerie.
Pourquoi appelle-t-on le gazole « diesel » ?
Du nom de l’ingénieur Rudolf Diesel, qui a mis au point à la fin du XIXᵉ siècle le moteur à allumage par compression dans lequel ce carburant est utilisé.