Séparer le gaz naturel des impuretés

En raison d’une présence de plus en plus élevée de contaminants dans les champs de gaz exploités et du coût associé à ces traitements, les gaziers cherchent des alternatives aux solutions classiques. Parmi celles-ci, l’utilisation de membranes connaît un développement prometteur.

Le gaz naturel est principalement constitué de méthane, mais il contient également plusieurs impuretés indésirables telles que des gaz acides comme le dioxyde de carbone, ainsi que du propane, du butane et des hydrocarbures plus lourds appelés LGN « Liquides du Gaz Naturel ».

Ces impuretés doivent être en partie éliminées du gaz naturel avant qu’il ne soit envoyé dans les pipelines, explique le cabinet de consultants Alcimed, qui expose les méthode de traitements du gaz.

Selon la société, le traitement du gaz naturel constitue l’un des plus grands marchés de la séparation de gaz. A l’heure actuelle, la technologie la plus utilisée dans le traitement du gaz naturel est l’extraction des contaminants à l’aide d’un solvant. La taille d’une installation d’extraction par solvant, comprenant, entre autres, la tour d’absorption, les pompes et les échangeurs thermiques, augmente proportionnellement à la quantité de contaminants à séparer et est relativement indépendante du volume traité.

Dans un contexte de champs de gaz de plus en plus riches en contaminants, le coût de cette technologie augmente, car les installations et les quantités de solvants à régénérer sont de plus en plus importantes. Par ailleurs, la technologie d’extraction requiert également des coûts de maintenance et de surveillance élevés, à cause des différents circuits de chauffage et de refroidissement de solvants ainsi que de la corrosion, ce qui ne facilite pas son utilisation dans des zones isolées.

Parmi les solutions alternatives existantes, la technologie membranaire, qui vise à utiliser une membrane qui laissera passer préférentiellement un des composants du mélange, se révèle être une technologie prometteuse. Depuis 20 ans, cette technologie a connu un fort développement dans la séparation des gaz et représente aujourd’hui un marché de plus de 150 millions de dollars par an. Plus de 90% du marché de la séparation de gaz par membranes concerne la séparation de l’azote de l’air, de l’hydrogène de l’azote, de l’argon ou du méthane, et constitue également une alternative prometteuse pour le traitement du gaz naturel.

« En effet, la taille d’une installation à base de membranes n’est notamment pas proportionnelle à la quantité de contaminants à enlever. Cette technologie est donc bien adaptée pour les champs riches en contaminants. La technologie membranaire est par ailleurs moins gourmande en énergie, nécessite peu de produits chimiques et requiert moins de maintenance et de surveillance, ce qui accroit son intérêt par rapport à la technologie d’extraction par solvant », explique Cécile Pairin, Consultante au sein de la BU Energie du cabinet Alcimed.

Tous ces avantages ont contribué au fort développement des membranes dans le secteur du gaz naturel. La principale application des membranes dans le traitement du gaz naturel est la séparation du dioxyde de carbone. Depuis le début des années 80, plus de 250 systèmes membranaires ont été installés, dont certains pour de larges débits de gaz de plus de 500,000 Nm3/h.

Le matériau historique qui est encore le plus utilisé aujourd’hui est l’acétate de cellulose. Depuis les premiers systèmes, les principales voies d’amélioration ont été le développement d’étapes de prétraitement appropriées pour éviter la dégradation de la membrane par des contaminants et l’optimisation des procédés membranaires pour limiter les pertes en hydrocarbures.

« Aujourd’hui, les membranes sont une solution technologique compétitive pour les gaz riches en dioxyde de carbone ou les petits débits. La tendance est au développement de nouveaux matériaux, d’une part plus résistants aux contaminants, tels que les hydrocarbures lourds, afin de limiter les étapes de prétraitement ; et d’autre part, avec des meilleures propriétés de séparation afin d’élargir leurs champs d’applications », explique Vanessa Godefroy, Responsable de l’activité Energie du cabinet de consultant.

Les membranes devraient donc occuper une part de plus en plus importante sur le marché du traitement du gaz naturel pour la séparation du dioxyde de carbone, estime la société.
 

Une nouvelle application de la technologie membranaire est également en train d’émerger ; il s’agit de la séparation des LGN, pour nettoyer le gaz qui va servir de combustible. En effet, une partie du gaz naturel produit est utilisée pour faire tourner les turbines et les moteurs sur les champs de gaz.

Pour éviter la dégradation des équipements, le gaz doit être traité avant d’être envoyé dans les turbines et notamment séparé des LGN. Une vingtaine de systèmes membranaires sont actuellement en fonctionnement pour cette application depuis le début des années 2000. Les membranes ont également été envisagées pour des applications à plus large échelle, telles que le traitement du gaz naturel produit en même temps que le pétrole, appelé gaz associé.

Cependant les membranes actuelles, à base de silicone, n’ont pas encore des performances de séparation assez élevées pour être compétitives par rapport aux technologies traditionnelles, telles que la réfrigération, pour les applications à large échelle.

Même si elles représentent aujourd’hui moins de 5% du marché, l’utilisation des membranes dans le traitement du gaz naturel est une application en pleine croissance, notamment pour la séparation du dioxyde de carbone et des LGN. « Les gaziers ont de plus en plus confiance dans la technologie membranaire pour réduire leur facture de traitement du gaz naturel, et cette confiance devrait s’accroitre avec les nouveaux développements », conclut Vanessa Godefroy.