Stœchiométrie et gaz naturels (GNL, GPL, GNV) — guide pratique

Stœchiométrie

En chimie, la stœchiométrie est le calcul des relations quantitatives entre les réactifs et les produits au cours d'une réaction chimique. Ces relations peuvent être déduites de la théorie atomique et s'appuient traditionnellement sur des lois et principes fondamentaux, indépendamment de la composition de la matière.

Mélange stœchiométrique et conditions

Le premier à énoncer les principes de la stœchiométrie fut Jeremias Benjamin Richter (1762–1807) en 1792. Il a écrit que la stœchiométrie est la science de la mesure des proportions quantitatives (ou rapports de masse) dans lesquelles les éléments chimiques sont impliqués.

Mélange, rapports stœchiométriques et conditions

Lorsque les réactifs d'une réaction sont en quantités proportionnelles à leurs coefficients stœchiométriques, on dit :

• Le mélange est stœchiométrique ;
• Les réactifs sont en proportions stœchiométriques ;
• La réaction a lieu dans des conditions stœchiométriques.

Ces trois expressions ont la même signification. Dans ces conditions, si la réaction est terminée, tous les réactifs sont consommés en donnant les quantités stœchiométriques des produits concernés. Si ce n'est pas le cas, le réactif limitant est celui présent en quantité insuffisante ; il détermine le déroulement des calculs.

Exemple : combustion du carbone

Quel est le montant d'oxygène nécessaire pour réagir avec 100 g de charbon (carbone) pour produire du dioxyde de carbone ?

Masse atomique de l'oxygène = 15,9994.
Masse atomique du carbone = 12,0107.

La réaction est :

Pour former une molécule de dioxyde de carbone, il faut un atome de carbone et deux atomes d'oxygène, c'est-à-dire une mole de carbone et deux moles d'oxygène :

Résolution :

Opérations effectuées :

GNL — Gaz naturel liquéfié

Le gaz naturel liquéfié (GNL) est du gaz naturel traité pour être transporté sous forme liquide. C'est souvent la meilleure solution pour valoriser des réserves situées dans des régions reculées où il n'est pas économique de transporter le gaz par gazoduc ou d'utiliser la production d'électricité locale. Le gaz naturel est transporté sous forme liquide à pression atmosphérique et environ −161 °C, ce qui réduit son volume d'environ 600 fois.

Raisons pour liquéfier le gaz naturel

Le gaz naturel est généralement transporté par pipelines, mais sur de longues distances il est souvent plus économique de le liquéfier. À température et pression ambiantes, le gaz occupe un volume important ; la liquéfaction réduit ce volume d'environ 600 fois. Environ la moitié des réserves de pétrole connues aujourd'hui sont liées à des champs de gaz naturel, souvent situés dans des régions à faible demande locale. La liquéfaction permet de transporter le gaz en toute sécurité vers son marché cible par navires, de façon similaire au transport du pétrole brut.

Impact sur l'environnement

Le GNL a un faible impact sur l'environnement comparé à de nombreux carburants du fait de sa forte teneur en hydrogène. En cas de déversement, le GNL s'évapore et se dissipe dans l'air, avec un risque limité de contamination durable du sol ou de l'eau.

Comme combustible pour véhicules, il réduit les émissions d'oxydes d'azote (NO_x) d'environ 70 % et ne produit quasiment pas de composés sulfurés ni de particules. Pour la production d'électricité, les émissions de dioxyde de soufre (SO₂) sont pratiquement éliminées et les émissions de CO₂ peuvent être réduites d'environ 40 % par rapport à certains combustibles fossiles.

Tous les systèmes de production et de transport, ainsi que les installations de traitement, sont conçus pour prévenir les fuites et les incendies. Les systèmes de transfert de GNL vers et depuis les navires, d'expédition ou de re‑vaporisation (gazéification) sont soumis à des normes strictes. Les principaux risques sont la basse température (danger cryogénique) et l'inflammabilité.

GPL — Gaz de pétrole liquéfié

Le gaz de pétrole liquéfié (GPL) est un mélange de gaz condensables issus du gaz naturel ou du raffinage du pétrole. À température et pression ambiantes, ses composants sont des gaz mais ils se condensent facilement, d'où le nom GPL. En pratique, le GPL est essentiellement un mélange de propane et de butane.

Le propane et le butane sont présents dans le pétrole brut et le gaz naturel ; une partie est également obtenue lors du raffinage du pétrole, notamment comme sous-produit du craquage catalytique en lit fluidisé (FCC, pour son sigle en anglais Fluid Catalytic Cracking).

Utilisations du GPL

Les principaux usages du GPL sont :

• Collecte des oléfines — utilisées pour la production de nombreux produits, y compris la plupart des plastiques ;
• Carburant (transport) ;
• Raffinage et production de carburants ;
• Usage domestique (bouteilles ou réseaux de distribution).

Gaz naturel (NG)

Le gaz naturel est une source d'énergie non renouvelable constituée d'un mélange de gaz que l'on trouve couramment dans les gisements pétroliers : non associé (gisement principalement gazeux), dissous dans le pétrole ou associé à d'autres dépôts. Sa composition varie selon le lieu d'extraction, mais il est composé principalement de méthane (CH₄) — souvent à plus de 90–95 % dans certains gisements — et contient parfois d'autres gaz comme l'azote, le CO₂, le H₂S, l'hélium ou des mercaptans. Des exemples de contaminants existent, par exemple un gisement contenant jusqu'à 49 % de CO₂.

On étudie également les dépôts d'hydrate de méthane, qui pourraient représenter des réserves supplémentaires d'énergie considérables. Le gaz naturel peut aussi être obtenu par décomposition de déchets organiques (déchets, végétaux — gaz de marais) dans des installations de traitement (stations d'épuration, usines de traitement des déchets, etc.). Le gaz ainsi produit est appelé biogaz.

Production de CO₂ en comparaison

Le gaz naturel produit beaucoup moins de CO₂ que d'autres combustibles comme le pétrole et surtout le charbon. Il brûle plus proprement et plus efficacement. La raison pour laquelle il produit moins de CO₂ est que le méthane contient quatre atomes d'hydrogène pour un atome de carbone, produisant ainsi deux molécules d'eau pour chaque molécule de CO₂, tandis que des hydrocarbures plus longs produisent proportionnellement plus de CO₂ par quantité d'énergie.

Autre avantage : c'est un combustible polyvalent utilisable dans des systèmes de production efficaces (cycle combiné, piles à combustible) et son approvisionnement est souvent plus aisé. En revanche, son contenu énergétique par unité de volume est inférieur à celui de certains autres carburants.

Liquides de gaz naturel (LGN) et usages

Les liquides de gaz naturel (LGN), composés d'éthane, propane, butane et d'autres hydrocarbures plus lourds, sont utilisés sur le marché intérieur comme combustibles et matières premières (y compris pour la pétrochimie).

Pour convertir le gaz naturel en liquide, le gaz traité est refroidi à environ −161 °C, température à laquelle le méthane — composant principal — devient liquide. Le procédé de liquéfaction est analogue au refroidissement par cycles de réfrigération utilisés pour les gaz comprimés comme le propane, l'éthane, l'azote ou leurs mélanges : le gaz naturel échange de la chaleur avec un fluide frigorigène et se liquéfie. Une fois liquéfié, il subit une détente (effet Joule-Thomson) ou une mise sous pression adaptée afin d'être stocké à pression atmosphérique. Le GNL produit est stocké dans des réservoirs spéciaux puis transféré vers des camions-citernes ou des méthaniers.

Le gaz naturel extrait des gisements est un gaz incolore, inodore (on lui ajoute souvent un odorant pour la sécurité), non toxique et plus léger que l'air. Il résulte de la décomposition de matière organique piégée entre des couches de roche et se présente comme un mélange d'hydrocarbures légers dominé par le méthane (CH₄), avec des concentrations variables d'autres composants selon le site.

GNV — Gaz naturel pour véhicules (avantages et inconvénients)

Le GPL ou LPG (Liquefied Petroleum Gas) se compose principalement de butane et de propane. On l'obtient à la fois du gaz naturel et du raffinage du pétrole. Le gaz naturel est disponible en grandes quantités dans le monde, de sorte qu'il n'est pas facilement épuisable à court terme.

Son principal avantage est que toute voiture à essence peut, avec une légère modification, utiliser le gaz naturel : elle devient bi‑carburant et peut rouler indifféremment au gaz ou à l'essence.

Avantages

• Économie pour l'utilisateur : coûts de production faibles ; le gaz naturel est souvent moins cher que les carburants traditionnels. Cette économie se traduit aussi par des coûts d'entretien réduits et une durée de vie accrue de certains composants (bougies d'allumage, système d'échappement, carburateur, lubrifiant).
• Protection de l'environnement : combustion plus propre et émissions polluantes réduites comparées à l'essence et au diesel.
• Transport et distribution : possibilité d'exploiter l'infrastructure existante (gazoducs, réseaux domestiques) et d'adapter des stations-service pour la distribution de GNC/CNG.
• Fiabilité d'approvisionnement : pour le GNC, l'approvisionnement via réseaux de gaz est souvent plus sûr et plus stable que par transport routier.
• Entrée de devises supplémentaires : l'exportation de volumes d'hydrocarbures liquides peut générer des recettes en devises.

Inconvénients

Inconvénients :

• Poids / volume des cylindres : les réservoirs de stockage prennent de l'espace et ajoutent du poids, réduisant la capacité de charge, ce qui est particulièrement critique pour les petites voitures. Cet inconvénient est moins problématique pour les véhicules utilitaires (minibus, autobus, camionnettes) qui disposent de plus d'espace et de capacité de charge.
• Perte d'accélération : le gaz naturel peut entraîner une perte de puissance d'environ 15 %, surtout notable au démarrage pour les moteurs de petite cylindrée.

Sécurité

Pour leurs propriétés physiques, le GNV (ou GNC) est un carburant plus sûr que certains carburants traditionnels : il est plus léger que l'air et se dissipe rapidement, tandis que les vapeurs d'essence sont plus lourdes et peuvent s'accumuler dans les zones peu ventilées, créant des mélanges explosifs.

La plage d'inflammabilité des mélanges air‑carburant est différente selon le carburant. La limite inférieure d'inflammabilité est généralement plus basse pour l'essence que pour le GNV, ce qui signifie que l'essence forme plus facilement des mélanges inflammables avec l'air que le GNV. De plus, l'auto‑allumage de GNV exige généralement une température plus élevée que celle de l'essence.