Le pétrole, un drôle de smoothie

Qu'est-ce que c'est, d'abord, que ce pétrole?

C'est la potion magique qu'on donne à boire à nos machines. Dans un seul litre, il y a quelques dizaines de jours de travail physique d'un seul homme¹.

Il provient de la lente transformation du phytoplancton, du zooplancton et d’algues marines (et non des dinosaures, comme le veut une croyance populaire), qui ont accumulé de l'énergie de leur vivant via la photosynthèse. Quand les conditions géologiques sont réunies, cette matière organique est progressivement enfouie sous les sédiments. La chaleur et la pression transforment alors ces résidus de soleil ancien en des sources d'énergie très concentrée: du pétrole et du gaz, qu'on trouve généralement aux mêmes endroits.

Le pétrole est l’énergie fossile la plus dense, mais surtout la plus pratique: elle est liquide à température ambiante. Pour transporter du gaz, il doit être sous pression (ou très froid, pour devenir liquide lui aussi vers -160 °C), ce qui lui donne une fâcheuse tendance à s'enfuir dans l'atmosphère. Le charbon est solide, ce qui le rend plus compliqué à manipuler. Il faut un cheminot avec une pelle entre le charbon et le foyer de la locomotive, plutôt qu'un simple tuyau. Il laisse des cendres partout, et les machines à vapeur sont beaucoup moins efficaces que les moteurs à combustion interne à essence ou diesel.

Malheureusement (ou heureusement?), Panoramix n'est pas dans le coin pour nous en refaire une marmite. Il ne s'est formé que 350 millions de barils de pétrole depuis que Jules César cherchait à vaincre les irréductibles Gaulois² (soit 3 jours de notre consommation actuelle, aux alentours de 100 millions de barils/jour).

Oui, l'unité standard pour compter le pétrole, dans cet article comme partout dans le monde, c'est le "baril"... (qui fait 159 L).

Pourquoi c'est une ressource importante?

Les camions, les bateaux, les tracteurs, et les engins miniers du monde entier tournent au pétrole. En deux siècles, si nous sommes passés d'une majorité de paysans à 1,5% d'agriculteurs en France et des moissonneuses-batteuses, c'est l'oeuvre du pétrole. Et si vous lisez cet article sur un appareil constitué de cuivre, zinc, étain, nickel, cobalt et plus de 40 autres métaux minés aux 4 coins du globe, c'est grâce ... au pétrole, encore.

On peut en prendre partout avec nous, et transporter tout ce que l'on souhaite à l'autre bout du monde, nous y compris. C'est pour cette raison que l'humanité en boit autant que d'eau, de façon assez constante depuis 50 ans: 2 litres par jour par humain.

C'est donc une ressource absolument cruciale, ce qui explique en partie les nombreux conflits qui apparaissent là où il y en a dans le sous-sol.

Au fait, comment on l'utilise, cette potion magique?

Ben, on la brûle dans un moteur, non?

C'est pas aussi simple. Le pétrole, c'est plutôt un smoothie avec des dizaines d'ingrédients de tailles et de textures différentes. Certains de ces ingrédients s'évaporent très facilement, quand d'autres sont extrêmement visqueux à température ambiante.

Il est donc très difficile à utiliser tel quel. On a donc besoin de le "digérer", et de le décomposer en produits pétroliers pour des usages précis. C'est à ça que sert une raffinerie. Chaque gisement pétrolier a sa propre recette de smoothie, et en pratique les raffineries sont optimisées pour certains types de gisement. Voilà à quoi ressemble la décomposition de notre smoothie:

Le pétrole brut est chauffé jusqu'à devenir gazeux, et cette vapeur de pétrole est envoyée dans une colonne de distillation, qui peut atteindre 50 mètres de haut. En se refroidissant progressivement, cette vapeur se condense à des hauteurs différentes selon la température de liquéfaction des molécules qui la composent. On obtient ainsi une coupe pétrolière, une décomposition en gaz, liquides et autres matières premières.

Voilà la coupe de raffinerie consommée mondialement en 2024³:

• 28 millions de barils/jour de diesel, brûlés par les camions, une partie des voitures, les engins agricoles et miniers, et le chauffage au fioul
• 27 millions de barils/jour d'essence, brûlés par les voitures individuelles
• 15 millions de barils/jour de "liquides de gaz", découpés en:
  • un tiers d'éthane (C₂) qui sert exclusivement à la pétrochimie pour faire du plastique
  • du propane (C₃) et du butane (C₄), dont la moitié est brûlée pour cuisiner, ou sous forme de GPL à la station service, l'autre moitié servant aussi à la pétrochimie et à d'autres usages industriels
• 7 millions de barils/jour de naphta, utilisé comme matière première de pétrochimie (polyester, polystyrène, solvants pour colles et peintures, pneus, chaussures)
• 7 millions de barils/jour de kérosène, brûlés par les avions
• 6 millions de barils/jour de fioul lourd, brûlés par les navires de la marine marchande
• 12 millions de barils/jour d'autres produits:
  • des bitumes, principalement utilisés dans les routes
  • des lubrifiants, l’huile moteur par exemple
  • du coke de pétrole, résidu solide très concentré en carbone, servant dans les cimenteries ou l’industrie de l’aluminium

Les raffineries sont en réalité beaucoup plus complexes qu'une simple tour de distillation. Elles ajustent leur coupe en fonction de la demande grâce à des procédés comme le craquage, qui casse des grosses molécules en plus petites. Une partie d'un produit peut donc être convertie en un autre, tant qu'il se situe plus haut dans la tour.

On voit à travers les usages du pétrole qu’il est omniprésent. Par exemple, une voiture électrique contient des centaines de kilos de plastiques, ses pièces mobiles ont besoin de lubrifiant et les routes sur lesquelles elle roule avec des pneus en pétrole sont faites de bitume. Elle n'est donc pas vraiment "pétrole-free". D’ailleurs, le paracétamol que vous risquez de prendre après avoir fini cet article, lui aussi, vient de la pétrochimie.

Est-ce que tous les ingrédients du smoothie se valent?

Dans la consommation mondiale juste au-dessus, quelque chose a dû vous sauter aux yeux. C’est le diesel qui rend possible la plupart des flux physiques de notre économie: il alimente la quasi-totalité de l’extraction des matières premières, de la récolte agricole, de la construction, et du transport terrestre de marchandises. C’est donc l’ingrédient qui fait actuellement de notre smoothie, de la potion magique. Pour s’en rendre compte, une bonne question à se poser est la suivante: “si il disparaissait (ou même si sa quantité était divisée par 2), que se passerait-il?”

Le constat est similaire si on compare le kérosène et le fioul lourd. Si on enlève les avions, rien de si terrible ne se passe (si, si, essayez, je vous le promets!). Si on enlève les bateaux, c’est une autre histoire.

Attends, l’essence et le diesel, ce n’est pas la même chose? On fait le plein à la station service, et on roule, non?

De très loin, ils se ressemblent beaucoup, mais sous le capot c’est moins le cas. Les deux carburants sont composés d’hydrocarbures différents: C₅ à C₁₀ pour l’essence, C₁₀ à C₂₂ pour le diesel (les bornes exactes varient selon les sources, les raffineries font des choix industriels différents). Ces molécules ont des caractéristiques physiques différentes. Plus elles sont lourdes, plus elles s’enflamment facilement à forte pression. C’est ce mécanisme que les moteurs Diesel utilisent pour fonctionner, alors que les moteurs à essence ont besoin d’une bougie pour déclencher la combustion.

Les caractéristiques physiques “naturelles” de ces carburants sont renforcées en raffinerie, pour optimiser leur fonctionnement dans les moteurs qui vont les utiliser. On optimise l’essence par divers procédés pour avoir un fort indice d’octane, ce qui caractérise sa résistance à l’inflammation spontanée, alors qu’on optimise le diesel pour augmenter son indice de cétane, qui caractérise sa capacité à l’auto-inflammation sous compression.

Sans rentrer dans les détails, retenez qu’un moteur à essence fonctionne comme des petits coups de marteau fréquents, et un moteur Diesel comme des gros coups de masse plus espacés. Cette différence de technologie explique pourquoi le diesel est le roi des carburants pour les véhicules plus lourds qu’une voiture: quand une machine doit aller lentement, mais avec beaucoup de puissance, les moteurs Diesel ont plus de facilité.

En pratique, ces coups de marteau sont des petites explosions, dont on arrive seulement à récupérer entre 20 et 40% de l'énergie sous forme mécanique. La majorité de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Là aussi, il y a avantage au moteur Diesel, qui est plus efficace d’à peu près 15%⁴, ce qui compte quand il est allumé toute la journée.

Il faut cependant noter qu'il n'y a pas d’impossibilité technique de faire rouler les gros engins à l’essence si on le voulait vraiment, la transition prendrait juste beaucoup de temps.

Cette distinction diesel/essence pourrait être importante pour l’avenir. Imaginons que toutes les voitures à essence soient remplacées par des véhicules électriques sans toucher à la flotte au diesel (l’hypothèse n’est pas irréaliste, 80% de l’électrification touchant les véhicules pour particuliers dans le monde en 2025⁵). On aurait donc plus besoin des 27 millions de barils d’essence par jour consommés par les voitures. Est-ce qu’on pourrait diminuer la quantité de pétrole brut extraite du sol de 27 millions de barils en gardant autant de diesel? C’est pas complètement sûr…

Si vous arrêtez de manger des ailes de poulet, mais que vous voulez toujours autant de cuisses, est-ce que vous avez besoin d'élever moins de poulets? Ca dépend si vous en faites des nuggets...

Bref, tous les carburants ne sont pas égaux. Et tous les pétroles ne sont pas égaux pour les fabriquer, ce qui va nous compliquer la tâche pour essayer de comprendre combien il en reste.

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PS: vous reprendrez bien un peu de chimie organique?

Pourquoi le carbone est la brique de base du vivant ET de la pétrochimie?

La chimie organique, c’est la chimie de tout ce qui est constitué de carbone. Tout le vivant, donc, et les hydrocarbures étant des restes de vie ancienne, ils n’y échappent pas.

Le carbone est en fait un atome très particulier pour former des molécules plus complexes. C’est l’un des rares qui peut former 4 liaisons avec d’autres atomes (avec toute sa colonne du tableau périodique de Mendeleïev: le silicium, le germanium, l’étain, le plomb et le flérovium). Parmi ceux-ci, c’est le plus petit, ce qui lui permet de créer des liaisons plus solides. La combinaison de ces propriétés fait que c’est celui qui peut former le plus facilement de très grandes molécules en se liant seulement à lui-même.

Bref, c’est le meilleur légo qu’il y ait dans la nature, et c’est pour ça que le vivant l’a choisi comme base de tous ses mécanismes. De la même façon, c’est pour cela que c’est la base de la chimie des médicaments, des parfums, et des plastiques.

Le smoothie ressemble à quoi, pour de vrai?

Dans tout l’article, j’ai simplifié les molécules en précisant juste leur nombre d’atomes de carbone. En réalité, elles contiennent aussi de l’hydrogène: le méthane a pour formule CH₄, l’octane C₈H₁₈, le cétane C₁₆H₃₄.

Mais, c’est plus complexe que ça. Par exemple, il y a plusieurs façons de fabriquer une molécule avec 4 atomes de carbone (C₄), en voici quelques-unes (la liste n’est pas exhaustive). Elles ont toutes des propriétés différentes.

Vous vous en doutez sûrement, plus il y a de carbones dans une molécule, plus il y a une explosion combinatoire du nombre de configurations possibles. Dans un carburant, il y a des milliers de molécules différentes, qu’on ne sépare jamais vraiment pour des raisons économiques. 

On fait donc seulement des opérations “sur toute la soupe”, ce qui change les proportions et types de molécules qui s’y trouvent dans une direction. Par exemple, l’essence est optimisée pour comporter plus de molécules aromatiques (des molécules cycliques formées de double-liaisons alternées comme le benzène), qui résistent plus à la combustion spontanée. Ce procédé s’appelle le reformage catalytique.

Est-ce qu’on peut fabriquer davantage de diesel sans avoir plus de pétrole brut?

Oui. Dans l’industrie, certaines raffineries utilisent des procédés comme l’hydrocraquage, qui consiste à casser des molécules plus lourdes avec de l’hydrogène pour obtenir davantage de diesel et d’essence. Cela représenterait actuellement environ 10% du diesel mondial⁶. Les raffineries optimisées pour sortir le plus de diesel possible vont jusqu’à 40 à 42%⁷ de rendement en diesel par rapport au pétrole brut qui y entre, par rapport à 27% en moyenne aujourd’hui. 

Il y a donc sans doute un peu de marge, si on voulait fabriquer plus de diesel à partir de la même quantité de pétrole brut. Mais comme une raffinerie ne change pas du jour au lendemain, et que son rendement dépend des caractéristiques du pétrole en entrée, il paraît peu probable qu’on se rapproche de ces 40% un jour, surtout qu’on aurait alors beaucoup moins de bitume, lubrifiants, fioul lourd qui ont aussi leur utilité.

Il existe aussi un procédé industriel pour fabriquer des hydrocarbures comme le diesel à partir de molécules plus légères: le procédé Fischer-Tropsch. Pour cela, on assemble progressivement de longues chaînes carbonées à partir de monoxyde de carbone et d’hydrogène. On utilise pour cela principalement du charbon et du gaz, et non du pétrole, comme matière première. C’est pour cela que les carburants qui viennent de ce procédé sont catégorisés CTL (coal-to-liquid) et GTL (gas-to-liquid) dans les statistiques.

Ce procédé n’est pas efficace énergétiquement (40% de perte⁸), et il est responsable de moins d’1% du diesel dans le monde⁸.

Enfin, il y a des agrocarburants, pour lesquels c’est encore une autre histoire: il faut des terres, des engrais, de l’eau, et du diesel pour cultiver du colza, du tournesol, du soja, ou d’autres plantes qu’on sait transformer en carburants. Ils représentent quand même 4% du diesel mondial, avec une croissance annuelle proche de 10% par an⁹.

Mais a-t-on assez de terres cultivables pour en faire à plus grande échelle? Affaire à suivre…

Sources

[1] Un litre d’essence contient 10 kWh d’énergie, mais un moteur thermique n’en rend qu’entre 2 et 4 sous forme mécanique.

Imaginons un magasinier qui prend toutes les 10 secondes, un colis de 10 kilos pour le ranger 1 m plus haut, ou un déménageur qui monte toutes les 2 minutes un carton de 20 kilos de 6 m, soit deux étages. En 8h de travail et avec la formule E=mgz, cela correspond à 300 kJ, soit 0,08 kWh d’énergie fournis, à la sueur du front. Avec un seul litre d’essence, une machine accomplit entre 25 et 50 jours de ce travail là.

Le même ordre de grandeur (et beaucoup plus d’explications) est donné par Jean-Marc Jancovici, dans son article “Combien suis-je un esclavagiste”.

[2] Il y aurait 7000 milliards de barils techniquement extractibles en tout dans le sol (d’après le World Energy Outlook 2012 de l’IEA, figure 3-13, ces chiffres n’étant plus reportés depuis). Prenons en compte le fait que la plupart du pétrole qui s’est formé est remonté à la surface et s’est décomposé, et multiplions par un facteur 5 cette quantité. Prenons aussi pour hypothèse que ce pétrole s’est formé dans les 200 millions d'années précédents. Ramené sur 2000 ans, ça donne 350 millions “nouveaux” barils depuis Jules César, en ordre de grandeur.

[3] Rapport Oil 2024 de l'IEA, d'où j'ai tiré la demande en 2024 pour les différents produits pétroliers. Ce n'est pas exactement "ce qui sort des raffineries", mais l'hypothèse que la coupe pétrolière mondiale correspond à la demande ne paraît pas farfelue.

[4] Décryptage “les véhicules essence et diesel” de l’Institut Français du Pétrole, donnant les rendements optimaux à 36% pour l’essence et 42% pour le diesel.

[5] Rapport Global Electric Vehicles Outlook 2025 de l’IEA, d’où j’ai tiré que 80% des véhicules électriques remplacent des voitures et des 2-roues, chapitre 8

Certaines des sources suivantes proviennent de wikipédia, qui référence des articles payants auxquels je n’ai pas eu accès, comme la grande majorité de la recherche en procédés de raffinerie. 

[6] Chiffres trouvé sur Wikipedia: 265 Mt/an qui subit un procédé d’hydrocraquage en 2010. Avec 7 barils par tonne, on obtient 5 millions de barils / jour, dont on peut raisonnablement assumer que 2 millions de barils sont du diesel (soit 10% de la production)

[7] Notes de méthodologie du rapport Oil 2012 de l’AIE, dans lesquels certaines raffineries arrivent à 40 et 42% de rendement en diesel

[8] Pour le procédé Fischer-Tropsch, sur Wikipedia également, la somme des plus gros projets produit 500 000 barils de liquides à partir de charbon et de gaz naturel. Avec la même hypothèse (40% de ce qui sort est du diesel), on obtient un peu moins d’1% de la production

[9] Rapport Oil 2025 de l’AIE, contenant en 5a un tableau de la production annuelle de biodiesel en croissance à 10% par an et 1,3 millions de barils/jour en 2025