vignette|Un méthanier dans le terminal de Marmara.|alt=navire de grande taille, aux superstructures anguleuses, attaché à un quai vignette|Transporteur de GNL.

Le gaz naturel liquéfié (abrégé en GNL, ou LNG de l'anglais ) est du gaz naturel de qualité commerciale condensé à l’état liquide.

Il se compose essentiellement de méthane mais comprend aussi jusqu'à 10 % d'éthane et de petites quantités d'autres gaz (propane et butane notamment). Le méthane devient liquide à une température de à pression atmosphérique, il prend la forme d'un liquide clair, transparent, inodore, non corrosif et non toxique. Sous cette forme, le gaz a une masse volumique de , occupant six cents fois moins de volume que sous sa forme usuelle dans les conditions normales de température et de pression et de moins que compressé à . En tant que carburant, son PCI est de , soit 60 % de celui du gazole.

Industriellement, le GNL est produit en grande quantité dans des usines cryogéniques. Il est principalement utilisé comme un moyen de transporter le gaz naturel de pays producteurs vers des pays consommateurs par voie maritime. Environ 13,4 % du gaz naturel produit dans le monde en 2022 est acheminé selon cette méthode. Il peut aussi être vendu comme énergie finale, c'est-à-dire directement à des utilisateurs, comme carburant pour navires ou pour véhicules terrestres, et comme solution d'approvisionnement en gaz naturel pour des sites non reliés au réseau. Son rôle dans l'approvisionnement énergétique mondial est en croissance.

Le GNL ne doit pas être confondu avec le gaz de pétrole liquéfié, constitué principalement de propane et de butane, hydrocarbures saturés à trois et quatre atomes de carbone respectivement (contre un seul pour le méthane) ; ni avec les liquides de gaz naturel, aussi appelés condensats, qui sont une essence naturelle obtenue par condensation des hydrocarbures allant du pentane (cinq carbones) à l'octane (huit carbones) à la sortie des puits de gaz naturel.

Généralités thumb|Diagramme de phase : température-masse volumique, conditions de stockage du GNL et du gaz comprimé (GNC).

Liquéfaction Le gaz naturel liquéfié est produit à partir de gaz naturel, par cryogénie, et nécessite une température de . C'est un procédé très consommateur d'énergie, même si son efficacité a été considérablement améliorée au cours des années. Dans les régions où il ne peut être injecté dans le réseau de gaz ni consommé sur place, le biométhane (ou biogaz raffiné) peut aussi être liquéfié, on le nomme alors parfois LBG pour « » (biogaz liquéfié).. Une demande nouvelle pourrait émerger dans le domaine de la motorisation de navires et péniches par des carburants verts de ce type.

Quel que soit le procédé cryogénique retenu, la liquéfaction du gaz naturel demande un important apport d'énergie mécanique pour actionner les pompes ou compresseurs. Ainsi les différents processus existants pour réaliser la cryogénisation sont souvent comparés du point de vue de leur consommation énergétique, souvent exprimée en kilowatt-heure (mécaniques) consommés par kilogramme de GNL produit.

Pré-traitement du gaz Lorsque le gaz naturel utilisé est « brut », c'est-à-dire tel qu'il sort du puits, il peut contenir, en proportion très variables, des impuretés qui sont principalement le dioxyde de carbone, le sulfure d'hydrogène, et le diazote, ainsi que des coproduits à grande valeur ajoutée tels que le butane, le propane, et l'hélium. La composition du gaz naturel dépend fortement du gisement d'où il provient. Tous ces composants vont être extraits préalablement au processus de liquéfaction ou au cours de celui-ci. Le pré-traitement (avant liquéfaction) du gaz brut consiste essentiellement en une étape de traitement du gaz naturel par les amines, qui extrait le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone, qui endommagerait les unités de liquéfaction en s'y solidifiant si on ne le séparait pas du gaz brut, est généralement considéré comme un déchet. En revanche, le sulfure d'hydrogène peut être utilisé pour la production commerciale de soufre.. Ensuite, le gaz est déshumidifié, puis traverse un filtre à charbon actif dont la principale fonction est de capturer les traces de mercure présentes dans le gaz..

Cycles ouverts Dans les procédés en cycle ouvert, le gaz naturel à liquéfier passe lui-même à travers les compresseurs, il est utilisé comme fluide frigorigène. La façon la plus simple de liquéfier un gaz est l'effet Joule-Thomson, qui consiste simplement à comprimer le gaz, le refroidir avec un échangeur de chaleur, puis le détendre à travers une valve, la chute de température lors de la détente suffisant à le liquéfier partiellement (le reste étant recyclé). Ce procédé est cependant très peu utilisé à l'échelle industrielle pour le gaz naturel, car il est trop consommateur d'énergie, notamment parce que la détente du gaz à travers une soupape ne produit pas de travail utile, l'énergie nécessaire à la compression est ainsi perdue.. L'utilisation d'une turbine d'expansion, par laquelle la détente du gaz restitue une partie de l'énergie nécessaire à la compression, améliore l'efficacité de ce procédé en cycle ouvert..

Cycles de réfrigération en cascade Pour les grandes usines de liquéfaction à terre, le procédé de liquéfaction le plus courant est dit « en cascade », car il implique trois étapes de refroidissement successives du gaz naturel, réalisées par trois cycles frigorifiques imbriqués, dont les fluides frigorigènes sont respectivement le propane, l'éthylène et le méthane. Dans le premier échangeur, le gaz naturel est refroidi par la chaleur latente absorbée par l'ébullition du propane, et est porté à environ . Le deuxième échangeur abaisse encore la température à environ . À ce moment, le propane et le butane qui étaient éventuellement présents dans le gaz sont liquéfiés, on peut donc les récupérer séparément, pour les utiliser comme matière première pétrochimique, ou comme carburant sous le nom de gaz de pétrole liquéfié. Une partie peut cependant être conservé dans le GNL (« moyen » ou « lourd »). Le troisième échangeur liquéfie enfin le gaz naturel, à . L'azote et l'hélium, eux, sont encore gazeux à la fin du processus de liquéfaction du méthane, ce qui permet de les récupérer..

La consommation d'énergie dans le procédé en cascade est d'environ de GNL produit. De nombreux travaux sont menés pour réduire ce chiffre. En 2016, a ainsi été proposé un procédé où le premier cycle de réfrigération, au propane, serait remplacé par un système de réfrigération par absorption alimenté par la chaleur résiduelle des deux autres cycles (et des turbines les actionnant). Sur le papier, la consommation d'énergie serait réduite d'environ 30 %..

Procédés à réfrigérants mélangés Un autre procédé largement utilisé est celui dit à « mélange de réfrigérants » (MR) : ici aussi, plusieurs fluides frigorigènes sont utilisés, mais ils partagent la même pompe à chaleur, même s'ils sont séparés à certaines étapes du fait de leur changement d'état à des températures différentes. Cette technique présente des avantages en matière de compacité mais est légèrement moins efficace d'un point de vue énergétique, elle est plutôt adaptée à la liquéfaction à petite et moyenne échelle, et aux usines de liquéfaction en offshore.

Le procédé C3MR (C3 pour propane), commercialisé par APCI est une solution intermédiaire entre les solutions cascade et MR : il se fait en deux étapes, avec un cycle propane qui refroidit le gaz naturel jusqu'à , suivi d'un système à réfrigérants mélangés, utilisant un mélange de méthane (très majoritaire), d'éthane, de propane, de butane, et d'azote..

Procédés à cycle de Brayton inversé Une autre grande filière technologique est celle des pompes à chaleur de type turbo-expandeurs, sans changement d'état, dont le fonctionnement s'approche d'un cycle de Brayton inversé. Dans la version la plus simple, le diazote est le seul fluide frigorigène utilisé, et le gaz naturel est liquéfié en une seule passe.. Si la consommation d'énergie est plus élevée que celle d'un procédé cascade ou SMR, avec environ ., l'avantage en matière de sécurité dû à l'utilisation d'un gaz non inflammable et la simplicité du procédé rendent cette technique particulièrement pertinente pour la liquéfaction à petite échelle.., par exemple pour les stations-services produisant leur propre GNL à partir de gaz du réseau ou pour la reliquéfaction du gaz évaporé à bord de certains méthaniers..

Classification et mesure

Le GNL est habituellement classé en trois catégories. : le GNL « léger » se rapproche le plus du méthane pur (98 %), avec une masse volumique de ; le GNL « moyen » comporte 7 % d'éthane et de propane. Sa masse volumique monte à ; le GNL « lourd » compte 12 % d'éthane, propane et butane. Il atteint ainsi une masse volumique de .

Le gaz sous sa forme habituelle est mesuré en unités de volume normalisées, c'est-à-dire dans les conditions normales de température et de pression (CNPT), en mètres cubes, ou pieds cubes aux États-Unis, tandis que le gaz naturel liquéfié est presque toujours mesuré en tonnes. Une tonne de gaz naturel liquéfié « léger » occupe un volume de selon sa composition exacte, mais, regasifié et ramené dans les CNPT, correspond à environ normalisés de gaz naturel.. En termes d'énergie (PCI), cette tonne de GNL correspond à , soit ou encore ..

Stockage

Le GNL nécessite des réservoirs extrêmement bien isolés, que ce soit pour son stockage à terre (réservoirs des terminaux) ou pour son transport (réservoirs des méthaniers, citernes sur camion). Un réservoir mobile (navire, citerne pour camion) de gaz naturel liquéfié est généralement constitué d'une double paroi en acier (acier inoxydable à l'intérieur, acier carbone à l'extérieur), avec un vide assez poussé dans l'espace entre les deux parois afin d'empêcher tout échange de chaleur par convection..

Les réservoirs fixes, notamment dans les ports méthaniers, sont en général installés dans une structure porteuse en béton précontraint. Le réservoir interne est en acier inoxydable. D'importantes épaisseurs de perlite ou de laine de roche séparent les réservoirs internes et externes.. Il existe des réservoirs enterrés, mais la majorité sont construits au-dessus du sol, et souvent posés sur un maillage de pilotis en acier pour réduire les échanges thermiques par conduction avec l'importante capacité thermique du sol..

Un réservoir de GNL, quel qu'il soit (méthanier, citerne, réservoir fixe), ne peut être directement rempli quand il est vide et à température ambiante. Il faut mettre en froid le réservoir, pour éviter un choc thermique lorsque le GNL est versé. Il faut aussi le rendre inerte, c'est-à-dire éliminer l'oxygène présent dans le réservoir, pour des raisons de sécurité afin d'éviter toute combustion accidentelle. Pour répondre à ces deux impératifs, on utilise de l'azote liquide ; sur un méthanier cette opération prend une douzaine d'heures..

Historique

Le procédé de liquéfaction cryogénique du méthane a initialement été développé aux États-Unis dans les années 1910. À l'époque, l'objectif principal était la séparation de l'hélium contenu naturellement dans le gaz naturel par distillation fractionnée. Un premier brevet sur le transport par barge fut déposé dès 1914., mais ne fut pas suivi d'application industrielle.

Les États-Unis expérimentent la production d'hélium selon ce procédé à l'échelle semi-industrielle au printemps 1918 en vue de fournir aux Britanniques du gaz pour les dirigeables..

En 1941, une première usine commerciale de liquéfaction de gaz naturel ouvrit à Cleveland. Elle servait au stockage temporaire du gaz, pour lisser la consommation sur le réseau et comprenait trois réservoirs isolés à l'aide de liège. En 1944, cette installation connait un qui cause la mort de ..