Des méthaniers géants pour répondre au boom du commerce du LNG

Des méthaniers géants pour répondre au boom du commerce du LNG

Tenir mon blog m’oblige à trouver chaque jour un sujet susceptible d’intéresser mes lecteurs et j’avoue que je découvre aussi des informations que je ne soupçonnais pas en passant en revue quotidiennement une quarantaine de sites sur internet qui ne sont pas des sources d’information contrôlées par de grands groupes financiers voire par la CIA. J’ai donc cru bon de traduire pour mes lecteurs cet article de MC01, un fréquent collaborateur du site Wolf Street. Comme moi-même vous apprendrez ce que j’ignorais jusqu’à la lecture de cet article. Bonne lecture.

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Le design, les technologies et les challenges pour les navires de transport du gaz naturel liquéfié.

Les exportations de gaz naturel liquéfié (LNG) ont augmenté de 61 % en dix ans, de 160 millions de tonnes en 2007 à 258 millions en 2016. Le LNG est un mélange de deux gaz naturels, principalement du méthane avec des traces d’éthane, qui a été purifié et liquéfié à la température de – 162°C pour rendre son transport plus facile. Le gaz liquéfié occupe un volume 500 fois inférieur à sa forme gazeuse. Le traitement préalable du gaz naturel consiste à éliminer certains polluants comme des métaux lourds, des mercaptans et des oxydes de soufre.

Le LNG fut d’abord produit au début de la deuxième guerre mondiale aux USA avec les premières unités de liquéfaction opérationnelles en 1940. Après une explosion catastrophique à Cleveland en 1944 la production de LNG fut brutalement abandonnée mais les recherches ne furent pas abandonnées pour autant car il existait toujours un marché pour le transport par rail du gaz dans des régions où il n’existait pas de réseaux de gazoducs sur de longues distances. En 1959 le premier bateau de transport de LNG, le « Methane Pioneer », vogua d’une usine de liquéfaction de la société Conoco en Louisiane à l’île Canvey en Grande-Bretagne pour approvisionner la société Southern Gas Board (maintenant British Gas). Il s’agissait d’un cargo de ravitaillement propulsé par des moteurs diesel développé au cours de la guerre du type C1M cargo qui avait été équipé pour ce type de transport très particulier comme nous allons le découvrir. Dans le même temps la société Shell découvrit d’énormes quantités de gaz au large de la Groningue ce qui dynamisa les forages en Mer du Nord tuant de ce fait les importations coûteuses de LNG depuis les USA vers l’Europe.

À peu près au même moment « Gaz de France » étudia la potentialité d’importer du gaz naturel sous forme liquéfiée d’Algérie mais la demande domestique française était faible et le gaz de Lacq fut découvert ce qui fit que peu d’études furent entreprises jusqu’aux années 1970 mais le peu qui fut entrepris servit par la suite. Les bateaux transporteurs de LNG ont vécu une renaissance dans les années 1970 quand il apparut que le Japon, en pleine expansion économique, était un marché potentiel important. Un terminal de liquéfaction fut construit dans le Cook Inlet en Alaska et l’Administration américaine incita la construction de bateaux spéciaux pour le transport de gaz liquéfié (Jones Act). Cependant les deux premiers bateaux, le MV Arctic Tokyo et le MV Polar Alaska, furent construits en Norvège, profitant des nouvelles installations de transfert à bord du LNG développées par la société Moss Maritime de Norvège.

Initialement les cargos recevaient en cale des récipients de forme ellipsoïde recouverts d’épaisses couches d’isolant. Ces réservoirs étaient relativement économiques mais ils souffraient de défauts mécaniques provoqués par les phases de réchauffement au cours du déchargement et de refroidissement lors du remplissage subséquent. La société Moss développa des réservoirs sphériques renforcés au niveau de leur diamètre, un anneau équatorial directement relié à la coque du bateau pour répartir les charges et les rendre extrêmement résistants aux chocs. Ces réservoirs étaient conçus pour résister à ces phases critiques de réchauffement et de refroidissement car ils pouvaient se dilater et se recontracter librement à l’intérieur de cet anneau, les couches d’isolant thermique servant de coussins amortisseurs? Toutes les canalisations de connexion se trouvaient au sommet de la structure et elles-mêmes connectées au reste du bateau avec des joints souples. Au cours des années suivantes la société Moss améliora l’isolation thermique et mit au point des asperseurs de gaz liquide pour réduire les écarts de température afin d’éviter le plus possible les problèmes de « boiloff » (voir note en fin de billet) et ces bateaux spéciaux dominèrent le marché au cours des années 1980 et 1990 (illustration Moss Maritime) :

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Il restait tout de même un gros problème avec ces bateaux : l’espace de la cale perdu qui de ce fait limitait critiquement la capacité de transport de ces bateaux. Pour remédier à cet inconvénient la société japonaise IHI mit en chantier en 2014 un bateau équipé de réservoirs dits prismatiques après des années d’études et d’essais. Ces réservoirs occupent beaucoup plus d’espace de cale, sont plus résistants aux écarts de température et amortissent le phénomène dit de ballotement (sloshing) apparaissant lors de mers grosses : en cas de gros temps le LNG a tendance à être brassé dans les réservoirs ce qui induit d’énormes contraintes mécaniques aux parois du réservoir. Il y eut de terribles accidents en raison de ce phénomène et c’est toujours un danger redouté par les équipages en particulier lorsqu’il faut traverser l’Océan Indien réputé pour ses gros coups de tabac en période de mousson.

Le paramètre défavorable des réservoirs prismatiques est leur coût très élevé mais cette technologie a trouvé un marché de niche avec des bateaux équipés d’unités de liquéfaction à bord qui opèrent sur les sites des champs gaziers. Cependant les compagnies de transport dédaignent cette technologie car elle est trop coûteuse. À peu près au moment où les compagnies américaines développaient l’acheminement de gaz naturel liquéfié vers le Japon Gaz de France avait achevé le terminal de regazification de Fos-Tonkin près de Marseille qui entra en service en 1972. Si la nationalisation de l’industrie gazière algérienne ralentit le processus le gaz naturel devint un gros business en Europe et les petits méthaniers développés après les années 1950 devinrent incontournables. Il s’agissait d’une amélioration des premiers bateaux conçus au cours de la deuxième guerre mondiale munis de réservoirs dits à membranes. Plutôt que de construire des réservoirs en acier ou aluminium épais ces réservoirs étaient constitués d’alternances de métaux et de couches isolantes relativement souples. Cette technologie a été reprise depuis et les réservoirs modernes sont constitués d’une première couche d’acier SAE 304 appelée aussi Invar (alliage nickel-fer) en contact direct avec le LNG isolée par une première couche d’isolant, le tout étant contenu dans un autre réservoir en acier plus épais dit structurel lui-même isolé par une autre couche d’isolant. Les isolants ont aussi traversé des étapes successives de progrès techniques. Ils sont aujourd’hui confectionnés en briques de perlite. Ces couches d’isolant sont en permanence baignés d’azote gazeux sous légère pression et cet azote est analysé en temps réel afin de détecter toute trace suspecte de méthane qui révélerait une fuite. Les deux société françaises à l’origine de la conception de ces réservoirs, Gaz Transport et Technigaz fusionnèrent en 1994 et sont maintenant connues sous le nom de GTT.

Les réservoirs membranaires qui occupent beaucoup plus d’espace de soute ont relégué les méthaniers type Moss au second plan. Ci-dessous un méthanier à réservoirs membranaires de nouvelle génération (crédit Dynagas) :

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Qatargas, la plus grande compagnie de LNG au monde et propriétaire de la plus importante flotte de méthaniers a aussi apporté d’immenses changements dans cette industrie particulière énumérés ci-après. Les plus gros transporteurs de LNG, de la classe des Q-Flex, entrés en service en 2007, ont une capacité nominale de 210000 m3 soit 50 % de plus que les méthaniers précédemment construits. Les Q-Max construits après 2008 ont une capacité de 266000 m3, une longueur de 345 mètres et une largeur de 53,8 mètres. Ce sont les plus grands bateaux pouvant mouiller le long des terminaux qataris tout aussi gigantesques.

Qatargas a passé commande pour 14 Q-Max et 31 Q-Flex à ce jour. Ces énormes commandes ont bénéficié aux « Big Three » coréens, Daewoo, Hyundai et Samsung. Qatargas, propriétaire du design des bateaux a passé commande à part égale entre ces trois compagnies. Les chantiers japonais comme Imabari et Japan Marine United dominent le marché pour les méthaniers plus petits et les FPSO (Floating Production Storage and Offloading) mouillant sur les sites d’extraction du LNG. La situation pour les chantiers navals européens est devenue critique alors qu’ils dominaient ce marché il y a encore 30 ans.

Qatargas a aussi promu la reliquéfaction à bord. Les Q-Flex et Q-Max sont équipés de cet équipement, nous y reviendrons plus bas. Qatargas a aussi privilégié les moteurs de propulsion diesel deux-temps au détriment des turbines à gaz, deux aspects qui sont en fait liés comme nous le verrons plus loin. Si les techniques d’isolation ont fait d’énormes progrès ces 50 dernières années il n’en reste pas moins que le gaz liquéfié est en permanente ébullition et les méthaniers modernes perdent quotidiennement entre 0,1 et 0,25 % de leur cargaison, une perte due au vieillissement de l’isolation et aux conditions de navigation. Le Methane Pioneer laissait tout simplement le méthane s’échapper dans l’atmosphère quand le réservoir atteignait une pression critique. Mais les constructeurs et les propriétaires affréteurs des méthaniers se sont vite préoccupé de ce problème économiquement désastreux tout simplement en utilisant ce gaz pour propulser le bateau. En remplaçant les moteurs par des turbines qui acceptent n’importe quel combustible. Le design des tubulures fut l’un des premiers problèmes à résoudre car le gaz sortant des réservoirs se trouve à une température largement en dessous de zéro et doit être d’abord réchauffé à la température de 20 °C et il a fallu des années pour maîtriser l’ensemble de cette technologie. Aujourd’hui la technologie a atteint l’excellence avec des coûts de maintenance bien inférieurs aux moteurs diesel deux-temps.

Mais il y a encore des inconvénients. D’abord les turbines tournent à plusieurs milliers de tours par minute alors que les moteurs de propulsion tournent au plus à 300 tours/minute ce qui signifie qu’il faut des réducteurs de vitesse d’un coût extrêmement élevé pour actionner les hélices. Des turbines à gaz pour alimenter des alternateurs qui eux-mêmes font fonctionner des moteurs de propulsion électriques constituent une technologie très coûteuse qui est réservée aux marines militaires et n’est pas adaptée à la taille des grands méthaniers. De plus il existe sur le marché du travail très peu de techniciens capables de faire fonctionner de tels équipements sophistiqués. Enfin les turbines à gaz ont un rendement légèrement inférieurs à celui des moteurs diesel deux-temps, 2 à 3 % de moins, mais c’est suffisant pour décourager les affréteurs à une époque où les marges sont épaisses comme du papier à cigarettes !

L’idée de faire fonctionner les moteurs diesel deux-temps en injectant du méthane dans le fuel lourd ne date pas d’aujourd’hui puisque dès 1973 le méthanier MV Venator dédié à l’exportation de LNG depuis l’Alaska vers le Japon fut équipé de deux moteurs diesel acceptant du méthane mélangé au fuel lourd construits par la société suisse Sulzer qui fut rachetée en 1996 par le finlandais Wärtsilä. Cette technologie a depuis été améliorée mais n’a toujours pas atteint sa maturité. Des firmes comme Hyundai Heavy Industries et Doosan en Corée, Daimler et MAN en Allemagne et Mistubishi Heavy Industries et Diesel United au Japon construisent de tels moteurs et les perfectionnent. Les Q-Flex et Q-Max ont résolu ce problème en disposant à bord d’une unité de reliquéfaction du gaz qui s’évapore à – 162 °C en le réinjectant dans les réservoir par pulvérisation pour maintenir l’ensemble à cette température. Ceci confirme le fait qu’une utilisation du méthane pour la propulsion deviendra rapidement abandonnée.

Notes additionnelles. 1. La technologie de liquéfaction utilisée dans le monde est entièrement originaire des USA. Air Products & Chemicals (ACPI) et ConocoPhillips (COP) ont construit 96 % des unités de liquéfaction existant dans le monde. COP a accepté des transferts de technologie à des pays tiers mais ACPI construit entièrement les unités vendues. Le procédé de liquéfaction APC C3MR le plus utilisé dans le monde a une efficacité énergétique de 240 W par kilo de LNG produit. Cette efficacité dépend largement du moteur produisant l’énergie pour l’ensemble du process. Les méthaniers de Qatargas utilisent l’énergie électrique disponible sur l’embarcation. Par contre à terre les unités de liquéfaction sont équipées de turbines à gaz lourdes à haute température fabriquées par Rolls-Royce Trent. À ce sujet l’activité industrielle de la société Rolls-Royce comprend les moteurs d’avions et les turbines à gaz d’une technologie directement dérivée des moteurs d’avion. La fiabilité de ces moteurs a fait la réputation de R-R puisque certains moteurs ont fonctionné plus de 100000 heures sans aucun incident. La Corée, en particuliers les Big Three sont maintenant positionnés sur ce marché.

2. Pour ce qui concerne les chantiers navals européens ces derniers restent encore actifs sur des marchés de niche si on les compare aux Coréens et aux Japonais. Une société comme Fiantieri (Italie), le plus important constructeur de bateaux de croisière du monde appartient au gouvernement italien et ne survit qu’avec de généreuses subventions étatiques. La construction de ferrys est un marché beaucoup important que celui des méthaniers, il suffit de penser à l’Indonésie, la Malaisie ou aux Philippines et leurs milliers de bateaux.

3. Pour terminer ce panorama d’une activité commerciale peu connue les consignes de sécurité sur un méthanier moderne sont infiniment plus strictes que celles qui doivent être observées dans un aéronef commercial malgré le fait que les risques d’explosion sont presque nuls en raison de la très basse température du gaz liquéfié.

Note à propos du « boiloff » . Prenez une canette de bière, si possible en métal, et laissez la tomber à terre. Quand vous allez l’ouvrir de la mousse sortira intempestivement. Avec le méthane liquide quand il est trop agité dans le réservoir l’ensemble de la masse liquide toujours à la température de – 162 °C a tendance à entrer en ébullition. Et c’est catastrophique car ce phénomène est hors de contrôle.

4 réflexions au sujet de « Des méthaniers géants pour répondre au boom du commerce du LNG »

  1. « Aujourd’hui la technologie a atteint l’excellence avec des coûts de maintenance bien inférieurs aux moteurs diesel deux-temps.  »

    S’il s’agit de maintenance technique, et non le coût total carburant compris, c’est étonnant ! J’avais lu que les moteurs diesel avait un avantage, c’est d’avoir un carburant « lubrifiant », alors que le gaz est sec. D’où des problèmes de lubrification à long terme. Il s’agit tout de même d’un milieu marin agressif : humidité, sel, choc, …

  2. Si l’on se réfère aux nouvelles glanées une fois encore du côté de Kobé (l’occasion de se remémorer au passage les exaltantes grillades du boeuf éponyme dégustées là-bas 😉 ), l’activité industrielle liée à ce marché des super-tankers LPG semble en effet se porter très bien : https://is.gd/E5a7Lj .
    Preuve apportée, soit dit en passant, qu’à l’image du Japon, les pays qui ont eu la chance d’être dirigés par des gouvernements un minimum responsables et censés, en tout cas réalistes, sont parvenus, coûte que coûte, à préserver et à maintenir leur tissu industriel lourd.
    Chez nous, à La Ciotat, à La Seyne, à Dunkerque, et ailleurs encore, j’en oublie, les autrefois glorieux chantiers navals ne sont plus hantés que par les souvenirs de leurs activités défuntes et baignés de rouille.
    Mais à l’Élysée, on sait parfaitement organiser une soirée « électro » pour célébrer la fête de la musique, alors ! Une affaire de priorités autrement dit…

    • Les chantiers navals Kawasaki se trouvent, il me semble dans la ville de Yokohama où se trouvent des chantiers immenses dont on peut voir les portiques depuis l’autre côté de la baie de Tokyo et il y a également une gigantesque aciérie au sud de Yokohama et deux centrales électriques qui brûlent du charbon. Je n’ai jamais vu une telle concentration d’industries autre part dans le monde sans oublier la ville de Kawasaki où se trouvent de nombreuses industries chimiques et les usines de motos du même nom. Quand au boeuf de Kobé c’est effectivement une viande très grasse (on dit persillée) excellente dont on trouvait presque l’équivalent autrefois dans le Charolais …

      • Le berceau historique de la firme mondialement célèbre pour ses « Broncos » mécaniques à 2 roues est bien situé à Kobé. Si je me fie aux informations Corporate du groupe, les principaux chantiers navals nationaux actuellement actifs, ceux de Kobé et Sakaide n’en sont géographiquement parlant pas très éloignés (http://global.kawasaki.com/en/corp/profile/division/ship/index.html).
        Des points de détail qui n’enlèvent rien à l’étonnante résilience des divers Sumos industriels nippons (Mitsui, Mitsubishi, Sumitomo, Toshiba etc…), sans doute l’une des clés de la capacité qu’a eu le pays de se relever des pires coups, inattendus ou provoqués, du sort.
        Vous avez raison de rappeler l’excellence de la « vraie » viande de charolais, qui supportait sans problème la comparaison avec celle de son cousin de la préfecture de Hyōgo ! Mais l’imparfait est sans doute de circonstance.

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