Les émissions des raffineries de pétrole, un défi mondial

Qu’il s’agisse des récipients en plastique, des vêtements, des appareils ménagers, des détergents ou des médicaments que nous utilisons, du mode de transport que nous choisissons ou du chauffage que nous utilisons chez nous, d’innombrables objets et procédures commerciales au quotidien nécessitent des substances à base de pétrole pour leur fabrication ou leur fonctionnement. Les raffineries de pétrole sont indispensables pour obtenir les intrants ou les matières premières qui facilitent notre mode de vie dans toutes les sphères sociales et économiques. Les raffineries sont des installations industrielles où différents processus chimiques sont mis en œuvre pour séparer les intrants du pétrole brut. Une fois raffinés, les intrants sont transformés en une large gamme de produits qui acquièrent une valeur économique élevée parce qu’ils peuvent être utilisés dans d’autres procédés industriels. Mais, le raffinage du pétrole est l’un des principaux responsables de la pollution atmosphérique (Galván, L.E., 2007), à la fois à proximité de ses installations industrielles complexes et, de manière générale, lorsque ces polluants se propagent au loin et détériorent ainsi considérablement l’air que chacun peut inhaler.

Les différentes étapes du processus de raffinage du pétrole brut constituent la principale source d’émissions atmosphériques de l’industrie pétrolière. Elles rejettent dans l’air des gaz comme le monoxyde de carbone, le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote et les composés organiques volatils, ainsi que de fortes concentrations d’une combinaison nocive de petites substances chimiques solides et liquides, les particules en suspension.

En 2022, la capacité mondiale de raffinage du pétrole atteignait quasiment 102 millions de barils par jour. Globalement, la capacité de raffinage mondiale a presque doublé au cours des cinquante dernières années et a connu sa plus forte croissance dans les années 1970.

Bien que l’industrie pétrolière soit l’une des plus réglementées au monde et que ses émissions atmosphériques soient strictement contrôlées par la loi, il est essentiel de mettre en place des processus innovants dans la production des produits pétroliers raffinés, car les raffineries peuvent générer plus de 800 produits chimiques toxiques différents. (Adebiyi F.M., 2022). Parallèlement, il est nécessaire de surveiller les installations pétrolières à l’aide de capteurs de qualité de l’air afin de contrôler les émissions provenant des différents processus de raffinage du pétrole brut. C’est le moyen d’obtenir des valeurs fiables et précises pour garantir que les émissions de polluants n’atteignent pas l’air. L’analyse des mesures et leur gestion adéquate et en temps réel permettent d’éviter les effets néfastes sur la santé des travailleurs de l’industrie pétrolière, ainsi que leur impact sur la détérioration de la qualité de l’air pour les résidents, et pas seulement à proximité des raffineries. Les émissions de l’industrie pétrochimique peuvent être projetées avec le vent à des centaines de kilomètres de leur point d’origine. Par ailleurs, un contrôle adéquat des émissions provenant du traitement du pétrole brut contribue à protéger l’eau et le sol, ainsi que la flore et la faune environnantes.

« L’industrie pétrolière constitue l’une des principales menaces latentes pour l’environnement et affecte les écosystèmes et donc tous les organismes vivants, y compris l’homme ». (Monteiro A. et al., 2017).

Procédés d’extraction du pétrole et du gaz

Le pétrole est constitué d’un groupe de liquides et de gaz organiques (principalement des hydrocarbures) que l’on trouve dans la croûte terrestre. Le principal gaz constitutif du pétrole est le gaz naturel, qui est principalement composé de méthane (CH₄). Le composant liquide est le pétrole brut. Pour atteindre l’état bitumineux du pétrole brut, de grandes quantités d’organismes morts se sont accumulées dans des sédiments souterrains sous haute pression et ont été soumises à une décomposition microbienne anaérobie ou pauvre en oxygène pendant des millions d’années. L’industrie pétrolière représente la plus grande activité industrielle au monde et est responsable du raffinage du pétrole brut et du traitement du gaz naturel en une myriade de produits utiles, de l’essence à l’asphalte et bien d’autres encore, qui sont utilisés comme matières premières dans de nombreuses industries. Au cours du raffinage, qui est lui-même énergivore, on sépare les produits lourds comme le goudron, les produits moyens comme le diesel et la paraffine, et les produits plus légers, qui sont les plus précieux, comme l’essence. Les techniques de raffinage nécessitent la séparation des différents composants du pétrole. Ils doivent ensuite subir divers procédés de conversion pour donner des caractéristiques homogènes à chaque dérivé. De la séparation physique avec laquelle les premières raffineries ont commencé, par la distillation ou la séparation des différentes fractions ou coupes de pétrole, basée sur la distillation sèche et atmosphérique, l’industrie du raffinage du pétrole d’aujourd’hui utilise davantage de méthodes basées sur la chaleur, la catalyse, la pression et les produits chimiques. Elle respecte ainsi la réglementation en vigueur pour mener à bien les processus de transformation du pétrole en matériaux pétrochimiques les plus demandés.

Principales sources de polluants atmosphériques dans les raffineries

L’extraction du pétrole est un processus complexe impliquant plusieurs opérations basées sur des technologies avancées. Ce processus génère des émissions de gaz à effet de serre (GES) comme le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄). Les raffineries sont le troisième plus grand émetteur de gaz à effet de serre au monde. Les émissions gazeuses constituent le principal dommage environnemental de l’industrie pétrolière (Damian, C., 2013), qui est responsable de 6 % des émissions industrielles nettes mondiales.

Dans une raffinerie, les émissions sont produites lors du craquage du pétrole brut en différentes unités. Globalement, pendant le raffinage, de nombreuses sources contribuent de manière substantielle à la détérioration de la qualité de l’air par l’émission de :

• Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Il existe plus d’une centaine de substances produites, entre autres, par la combustion du pétrole, du charbon et de l’essence. Elles se mélangent généralement entre elles et adhèrent aux particules de poussière. En outre, elles peuvent réagir au contact de la lumière du soleil et à d’autres substances en suspension dans l’air. Une exposition élevée et prolongée aux HAP provoque des problèmes sur la peau et les yeux, a un potentiel cancérigène élevé et diminue la capacité du système immunitaire à combattre les infections.
• Dioxyde de soufre (SO₂). Bien que 98 % du soufre produit par les raffineries puisse être traité dans des installations de désulfuration et de récupération du soufre, il est rejeté dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de soufrelorsqu’il est brûlé. Il s’agit d’un gaz incolore à l’odeur désagréable et au pouvoir irritant, qui est également très toxique et peut provoquer des accidents vasculaires cérébraux et des cancers du poumon.
• Oxydes d’azote (NO_x). Il s’agit de gaz jaunâtres, à forte odeur, issus de la combustion des hydrocarbures. Solubles dans l’eau, ils donnent naissance à l’acide nitrique (NO₂). Il s’agit d’un gaz nocif qui provoque des maux de tête, des vertiges, des vomissements et des faiblesses, et qui irrite les yeux et les voies respiratoires. Il peut également provoquer des bronchites et des œdèmes pulmonaires, et peut être mortel en cas d’exposition prolongée.
• Monoxyde de carbone (CO). Inodore et inflammable, c’est un gaz qui ne provoque pas d’irritation immédiate et dont la présence est donc facilement négligée. L’inhalation provoque une confusion mentale et des vertiges, des maux de tête et même des évanouissements. Une exposition prolongée provoque des troubles neurologiques et cardiovasculaires.
• Sulfure d’hydrogène (H₂S). Avec son odeur caractéristique d’œuf pourri, il est considéré avec le_CO2 comme un gaz acide. Il est hautement toxique et inflammable et l’exposition à des niveaux élevés de H₂S entraîne la mort en peu de temps. Lorsqu’il est présent en faibles proportions dans l’air, il provoque des maux de tête, une fatigue, des vomissements, un essoufflement et une irritation des yeux.
• Matières particulaires (PM). Le soufre présent dans l’atmosphère, lorsqu’il est combiné à l’humidité existante, est finalement converti en trioxyde de soufre, puis en sulfures et en acide sulfurique. Substances qui, sous forme d’aérosols, contribuent à augmenter la proportion de particules toxiques en suspension  dans l’atmosphère, en particulier les particules les plus petites ou fines (PM_2,5) et les particules ultrafines (PM₁). Elles sont à l’origine de maladies cardiovasculaires et respiratoires, et augmentent l’incidence du cancer.
• Composés organiques volatils (COV). Il s’agit d’hydrocarbures qui, à température ambiante, restent à l’état gazeux. Ils sont très volatils et abondants dans l’air. La raffinerie dans son ensemble est le plus grand émetteur de COV et sa gestion doit inclure la détection et le contrôle des fuites, ainsi que de bonnes pratiques d’entretien et de nettoyage afin qu’ils n’atteignent pas l’atmosphère. Ils sont à l’origine du smog ou du brouillard rougeâtre qui rend les environnements irrespirables et favorise les maladies respiratoires et les accidents cardiovasculaires. Certains COV sont extrêmement dangereux pour la santé, affectant le foie, le système nerveux central ou provoquant des lésions rénales et des cancers.

La quantité d’émissions produites dépend de plusieurs facteurs, notamment de l’efficacité de la raffinerie et du type de pétrole raffiné dans les installations de la raffinerie. En général, les raffineries plus modernes et plus efficaces ont tendance à produire moins d’émissions que les raffineries plus anciennes, car leurs systèmes sont moins optimisés et moins propres. En outre, les raffineries génèrent des émissions au cours du processus de torchage utilisé pour éliminer les gaz résiduels qui ne peuvent être récupérés ou recyclés. Ce processus produit à son tour des émissions, dont la quantité varie en fonction de l’efficacité de la raffinerie et du type de gaz torché. (Sojinu, S. O., & Ejeromedoghene, O., 2019).

Principaux problèmes liés à la pollution de l’air par les raffineries

Les raffineries de pétrole, malgré leur importance dans l’économie mondiale en raison des ressources stratégiques qu’elles fournissent pour un nombre infini d’utilisations, ont un impact significatif sur l’environnement en raison de leur production. Outre leur forte consommation d’énergie et de ressources naturelles comme l’eau, elles génèrent un niveau élevé de déchets, dont certains sont toxiques. Parmi les produits les plus nocifs, on trouve les émissions atmosphériques qui polluent non seulement l’air, mais aussi le sol et l’eau. La présence accrue d’oxyde nitreux (N₂O) dans l’air favorise sa combinaison avec l’humidité atmosphérique pour produire des pluies acides. Les dommages causés par les pluies acides aux écosystèmes sont énormes : elles détruisent les forêts et acidifient les masses d’eau intérieures et océaniques. La réduction du pH ou de l’acidité de l’eau altère la biodiversité qui dépend des écosystèmes aquatiques marins et d’eau douce. Les organismes aquatiques sont également gravement touchés lorsque les hydrocarbures aromatiques polycycliques, qui font partie des émissions des raffineries, se déposent dans l’eau. Les oxydes d’azote et les composés organiques volatils émis dans les raffineries réagissent au contact de l’oxygène présent dans l’air pour modifier le taux d’ozone ambiant au niveau du sol. Les NO_x, issus de réactions photochimiques déclenchées par un fort rayonnement solaire, deviennent des précurseurs de la formation de fortes concentrations d’ozone troposphérique. L’ozone troposphérique est considéré comme un polluant secondaire très nocif, car il affecte les cultures agricoles, les forêts, la croissance des plantes et la faune associée. De même, les émissions de gaz à effet de serre des raffineries contribuent de manière significative au dérèglement climatique mondial. La combustion de combustibles fossiles dans ces raffineries produit de grandes quantités de dioxyde de carbone, l’un des principaux gaz à effet de serre. Outre les émissions de CO₂, les raffineries émettent également du méthane en grandes quantités, un gaz à effet de serre plus puissant que le CO₂. Les émissions nettes de gaz à effet de serre des raffineries constituent un problème environnemental majeur pour l’humanité, car elles contribuent au réchauffement de la planète et provoquent des perturbations climatiques radicales qui se manifestent par des tempêtes et des ouragans violents.

Réductions des émissions dues au raffinage

De toutes les activités liées à l’industrie pétrolière (extraction, stockage, transport et raffinage), c’est l’activité de raffinage qui présente le plus grand défi en termes d’émissions nettes. Elles contribuent à la détérioration de la qualité de l’air et ont un impact environnemental significatif, ce qui a une incidence directe sur le non-respect des réglementations environnementales en matière d’atténuation du dérèglement climatique. Alors que le raffinage du pétrole brut améliore constamment ses techniques, en raison de la demande mondiale croissante d’une grande variété de produits pétroliers, les raffineries sont confrontées à un défi permanent pour se conformer à la législation environnementale. Ses dispositions ne régissent pas seulement leurs opérations pétrochimiques, mais exigent également que les produits pétroliers soient améliorés pour répondre aux qualités requises par la législation environnementale afin d’être acceptés sur les marchés commerciaux. Ce n’est pas seulement la sélection des équipements et des processus qui peut être améliorée, mais aussi la manière dont l’installation est exploitée, y compris le fonctionnement, la maintenance et les arrêts. Il est également essentiel d’agir, sur la base des procédures scientifiques et techniques appliquées, pour :

• optimiser l’utilisation des matières premières. L’amélioration du traitement du pétrole dans les raffineries permet d’améliorer les rendements des produits à haute valeur ajoutée comme l’essence et le diesel en leur donnant des résultats d’utilisation meilleurs et plus propres.
• promouvoir l’efficacité énergétique. L’utilisation de la chaleur résiduelle produite, l’utilisation d’énergies renouvelables ainsi que l’incorporation de procédés de raffinage innovants contribuent à réduire la consommation d’énergie dans les raffineries.
• réduire les émissions atmosphériques. Les raffineries plus modernes intègrent des pratiques industrielles et des technologies qui minimisent la quantité d’émissions produites. Elles sont directement liées à la perturbation des écosystèmes et à l’accélération du dérèglement climatique, ou encore aux pathologies chroniques pour la santé humaine.
• réduire la quantité de déchets générés. Les déchets et les sous-produits des raffineries de pétrole sont une source dangereuse de pollution. En plus de l’air, ils peuvent accidentellement affecter l’air, le sol et l’eau et ainsi endommager les écosystèmes, provoquant de graves problèmes environnementaux.
• surveiller et contrôler les émissions. Le contrôle régulier et en temps réel des émissions produites au cours de chaque processus de raffinage, tel qu’il est effectué par les capteurs de Kunak, permet de détecter rapidement les gaz et les particules en suspension qui affectent la qualité de l’air. C’est le moyen d’optimiser les opérations de raffinage en identifiant les anomalies par la détection d’éventuelles fuites de gaz ou de processus anormaux et en favorisant la réduction de l’impact sur la qualité de l’air dans les raffineries.
• promouvoir l’utilisation des nouvelles technologies. Le secteur du raffinage du pétrole met en œuvre des mesures novatrices pour promouvoir la durabilité, comme l’utilisation de technologies permettant de capturer et de stocker des tonnes de carbone en vue d’une utilisation future sûre et de promouvoir la décarbonisation à l’échelle mondiale. Il souligne également l’importante transition que l’industrie pétrolière encourage vers l’utilisation de sources d’énergie plus propres comme les biocarburants et l’hydrogène vert.

L’industrie pétrolière moderne doit relever un défi majeur dans les décennies à venir :  équilibrer les avantages économiques du pétrole et les dommages causés à l’environnement. (Al-Rubaye, A.H., et al. 2023).

Pour réaliser la transition vers une économie mondiale à faibles émissions et contribuer à freiner le dérèglement climatique, il est nécessaire de disposer de raffineries de pétrole plus efficaces et plus propres (Granda, M.L., 2023), guidées par une activité continue de bonne gestion et de conduite des affaires dans le respect des mesures environnementales en vigueur et engagées en faveur du développement durable.

Sources et références

Adebiyi, F.M. (2022) – Air quality and management in petroleum refining industry: A review. Al-Rubaye, A.H., et al. (2023) – The side effect of oil refineries on environment: as a mini review. Damian, C. (2013) – Environmental pollution in the petroleum refining industry. Galván Rico, L., et al. (2007). Los macroprocesos de la industria petrolera y sus consecuencias ambientales.  Granda, M.L., (2023). Análisis de las emisiones en la articulación productiva de España: determinación de sectores clave en la contaminación del medio ambiente.  Monteiro, A., et al. (2017) – Towards an improved air quality index Sojinu, S. O., & Ejeromedoghene, O. (2019). Environmental challenges associated with processing of heavy crude oils.