Gaz de pétrole liquéfiés (GPL)

L’appellation « Gaz de Pétrole Liquéfiés » ou « GPL » (LPG en anglais) désigne deux gaz à l’état liquide : le propane et le butane.

Ce sont tous les deux des hydrocarbures « saturés » qui sont composés de liaisons simples d‘atomes de carbone et d’hydrogène. Ils présentent l’intérêt de se liquéfier sous une pression moins forte que les autres gaz (notamment le méthane) : entre 1,5 et 7 bar, soit une pression équivalente à celle de l’eau du robinet ou à celle de l’air dans un pneu.

Plus de 60% des volumes de propane et de butane produits dans le monde proviennent de champs de gaz, le reste étant issu du raffinage du pétrole brut.

L’usage des GPL est aujourd’hui largement répandu en raison de leur facilité de stockage et de transport. Leur distribution a débuté dans des bouteilles dès les années 1930 et s’est étendue avec le développement du stockage en citernes (ou « vrac ») dans les années 1960. Les GPL sont aujourd’hui largement exploités par les industriels, mais aussi par les particuliers dans leurs activités itinérantes. Mélangés, les GPL peuvent également être utilisés comme carburant pour véhicules (GPL-c).

Notons que les GPL ne doivent pas être confondus avec le GNL (Gaz Naturel Liquéfié), dont la température de liquéfaction est beaucoup plus basse.

Formule chimique

Les molécules de propane et de butane sont formées respectivement de 3 et 4 atomes de carbone et de 8 et 10 atomes d’hydrogène :

• La formule chimique du propane est C₃H₈.
• La formule chimique du butane est C₄H₁₀.

Ces atomes sont tous reliés par des liaisons simples (ou covalentes). Cela signifie que tous les atomes liés entre eux mettent en commun un électron de leurs couches externes afin de former des doublets d’électrons qui maintiennent l’attraction entre les atomes.

Pression et température

Le propane et le butane sont naturellement gazeux à pression atmosphérique (1 bar) et à température ambiante (15°C). Ils peuvent toutefois facilement être liquéfiés et sont alors qualifiés de GPL. Cet état liquide permet de les manipuler, de les transporter et de les stocker dans de faibles volumes :

• 1 litre de butane liquide libère 239 litres de gaz (à 15 °C sous 1 bar de pression).
• 1 litre de propane liquide libère 311 litres de gaz (à 15 °C sous 1 bar de pression).

Le propane et le butane se différencient l’un de l’autre par la température et la pression auxquelles ils passent de l’état gazeux à l’état liquide. A pression atmosphérique (1 bar) :

• le propane devient liquide dès que la température descend en dessous de -42°C.
• le butane devient liquide dès que la température descend en dessous de 0°C.
• Notons que le GPL carburant, mélange de propane et de butane, a également un point de liquéfaction différent de celui des deux gaz le constituant : il se situe à -25°C à pression atmosphérique.

A titre de comparaison, le méthane (CH₄), principal composant du gaz naturel, se liquéfie sous haute pression (47 bar à - 82°C) ou à très basse température (1 bar à -161°C).

Pouvoir calorifique

Le PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur) désigne la quantité totale d'énergie produite par la combustion d'une quantité donnée de combustible, par exemple 1 m³ pour un gaz.

Le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) désigne l'énergie libérée par la combustion, à l'exclusion de l'énergie qui a servi à vaporiser l'eau de la réaction de combustion (considérée comme perdue).

• 1 m³ de butane à l’état gazeux peut délivrer 30 kWh.
• 1 m³ de propane à l’état gazeux peut délivrer 24 kWh.

A titre de comparaison, 1 m³ de méthane à l’état gazeux peut délivrer près de 10 kWh.

Les principaux producteurs de GPL dans le monde⁽²⁾ sont les États-Unis, l’Arabie saoudite et la Chine. A eux trois, ils délivrent près de 37% des GPL produits dans le monde.

Ce sont également les trois principaux consommateurs de GPL dans le monde (la Chine se trouvant en 2^e position devant l’Arabie saoudite).

En Europe, les GPL proviennent principalement du Royaume-Uni, de la Norvège et du pourtour méditerranéen. Les trois principaux marchés dans cette zone sont la Pologne, l’Italie et l’Allemagne.

Les GPL proviennent de deux origines :

• les champs de gaz (pour plus de 60%) ;
• les raffineries de pétrole (pour moins de 40%).

Les champs de gaz

En moyenne, un champ de gaz naturel fournit près de 90 % de méthane (CH₄) mais aussi 5 % de propane et 5 % d'autres gaz dont le butane. Les pourcentages de butane et de propane contenus dans le gaz naturel et le pétrole brut sont très variables d'un gisement à un autre.

Schématiquement, on refroidit le gaz naturel extrait pour en séparer les différents constituants. On obtient alors des GPL (butane et propane à l’état liquide) alors que le méthane se trouve encore à l’état gazeux, ces gaz ayant des points de liquéfaction différents. Du butane et du propane sont également récupérés lors de l’extraction de pétrole, sous forme de gaz associés dissous (d’où l’appellation de gaz « de pétrole » liquéfiés).

Les raffineries de pétrole

Lors du raffinage du pétrole brut, le butane et le propane constituent entre 2 et 3 % de l'ensemble des produits obtenus. Selon sa provenance, une tonne de pétrole brut traitée produit 20 à 30 kg de GPL.

Ils constituent les coupes les plus légères issues de la distillation du pétrole brut. Ces gaz sont également récupérés à l’issue d’opérations de traitement « secondaires », après la phase de distillation.

Schéma des produits issus de la distillation du pétrole brut (©DR)

Au total, les GPL ne pourront dépasser une part d’approximativement 5% de la ressource mondiale en hydrocarbures.

Les GPL sont souvent utilisés là où les réseaux de gaz naturel sont inaccessibles, pour des applications variées :

• applications itinérantes : bouteilles pour restauration, briquets, lampes, etc. ;
• applications domestiques : cuisson, chauffage, production d’eau chaude sanitaire ;
• applications industrielles : métallurgie, pétrochimie, industrie textile et du papier, etc. Par exemple, ils sont utilisés dans les fours de traitement thermique, de cuisson et d’émaillage (notamment pour le verre, les poteries ou les porcelaines). Les propriétés oxydantes ou réductrices des GPL y sont exploitées, notamment pour jouer sur les couleurs ;
• applications agricoles : agriculture, élevage, etc. Par exemple, les GPL sont des alternatives aux produits chimiques pour le désherbage ;
• transports : carburant pour des véhicules, des bateaux de plaisance, des montgolfières, etc.

Répartition de la consommation française de GPL par usages (©DR, d'après données 2013 CEREN/CFBP)

Pour des raisons de sécurité, seul le butane peut être stocké en intérieur

Le butane a une température de vaporisation plus élevée (-0,5 °C à pression atmosphérique) comparée au propane (-42 °C). Cela signifie que, à des températures intérieures habituelles, le butane reste sous forme liquide à une pression relativement faible. Cette pression plus basse réduit le risque de fuites et d'explosions, rendant le butane plus sûr pour un stockage en intérieur.

Les bouteilles de butane stockent le gaz à une pression inférieure à celle des bouteilles de propane, ce qui diminue le risque en cas de défaillance du récipient. Les pressions typiques pour le butane sont de l'ordre de 2 bars à température ambiante, contre environ 8 bars pour le propane.

En raison de ces caractéristiques, les normes de sécurité et les réglementations (comme celles établies par l'Institut national de l'environnement industriel et des risques - INERIS en France) stipulent que seul le butane peut être stocké à l'intérieur des bâtiments résidentiels. Cela vise à minimiser les risques d'accidents domestiques liés au gaz.

Pour des raisons de pression, seul le propane peut être utilisé par températures négatives

Le propane et le butane ont des propriétés différentes qui affectent leur performance à basse température.

Le propane a une température de vaporisation beaucoup plus basse (-42 °C) que le butane (-0,5 °C). Cela signifie que le propane peut se vaporiser et fournir du gaz même à des températures extrêmement basses, où le butane resterait liquide et ne pourrait pas être utilisé efficacement.

À des températures négatives, le butane ne génère pas suffisamment de pression pour être utilisé efficacement dans les équipements de gaz courants. Par exemple, à 0 °C, la pression de vapeur du butane est trop faible pour alimenter correctement les appareils domestiques ou industriels. En revanche, le propane maintient une pression de vapeur adéquate pour une utilisation normale même par temps froid.

En raison de ces caractéristiques, le propane est préféré pour les applications en extérieur et pour les utilisations dans des environnements où les températures peuvent descendre en dessous de zéro. Il est couramment utilisé pour le chauffage extérieur, les barbecues, les camping-cars et dans les zones rurales ou montagnardes pendant l'hiver.

Des facilités de stockage et d’accessibilité

Près de 70 % des 36 000 communes françaises ne sont pas desservies par les réseaux publics de gaz naturel.

La distribution des GPL est assurée par voie routière et ferroviaire depuis les centres de stockage vers les citernes, les revendeurs de bouteilles et les stations de GPL carburant.

Le propane en cuve est particulièrement utile pour les régions rurales ou isolées où le gaz naturel n'est pas disponible, offrant une source fiable de chauffage et de cuisson même par temps froid, grâce à sa capacité à se vaporiser à des températures très basses. De plus, les grandes capacités des cuves de propane permettent de stocker des quantités suffisantes pour plusieurs mois, réduisant ainsi la nécessité de ravitaillements fréquents.

Depuis 2003, les communes et regroupements de communes, jusqu’alors non desservis par le gaz naturel, peuvent confier la desserte de gaz en réseau aux sociétés distributrices de propane agréées par les pouvoirs publics. Des réseaux peuvent aussi être installés sous contrat privé comme pour des copropriétés de maisons individuelles.

Les GPL peuvent d’autre part être stockés sous la forme de bouteilles de gaz. Ils sont utilisés principalement pour satisfaire les besoins énergétiques de cuisson mais aussi de chauffage d’appoint ou d’itinérance. D’une contenance de 1 à 35 kg, ces bouteilles sont de formes multiples et de couleurs variées (lesquelles permettent d’identifier les gaz et distributeurs). Soumises à la réglementation des équipements sous pression transportables, les bouteilles de butane et de propane sont commercialisées par un réseau de 50 000 revendeurs locaux en France.

Les distributeurs nationaux de GPL en France⁽³⁾ sont :

• Antargaz
• Butagaz
• Primagaz
• Vitogaz

Une plus grande sécurité par rapport aux autres gaz

Pour pouvoir brûler, les GPL doivent être mélangés à l’air dans des proportions bien précises. La combustion des GPL n'est possible que si la teneur en GPL dans l’air se situe entre 2 et 10 %, une fourchette plus restreinte que les autres gaz. A titre de comparaison, la plage d’inflammabilité dans l’air intervient entre :

• 4 et 75 % dans le cas de l’hydrogène ;
• 2,5 et 80 % dans le cas de l’acétylène ;
• 5 et 15 % dans le cas du gaz naturel.

Toutes les installations subissent des contrôles réguliers, notamment réalisés par les DREAL (Directions Régionales de l'Environnement, l’Aménagement et du Logement). L’installation des réservoirs de GPL doit respecter des règles de distances de sécurité vis-à-vis des habitations et de la voie publique, d’entretien de l’environnement autour du réservoir.

Des mesures de sûreté doivent être également prises par les usagers afin d’éviter tout risque :

• Les bouteilles de GPL doivent en particulier être placées bien droites verticalement et de façon stable à plus d’un mètre des ouvertures d’un bâtiment et sur un sol incombustible, c’est-à-dire exempt de papiers, chiffons, essences, herbes sèches et de tout autre produit facilitant un départ de feu.
• Une bouteille de GPL « vide » contient encore du gaz et doit être manipulée avec précaution. Contrairement au gaz naturel, le propane et le butane sont en effet plus lourds que l’air.

Une alternative aux carburants traditionnels

Un litre de GPL carburant (GPLc) a une valeur énergétique de 22,5 % inférieure à celle contenue dans un litre d'essence. Ce carburant se distingue toutefois d’un point de vue environnemental : les émissions de CO₂ d’un véhicule GPL sont inférieures de 16 % à celles d’un véhicule à motorisation essence et de 11 % à celles d’un véhicule diesel⁽¹⁾. La combustion du GPL carburant est complète et ne produit donc pas de particules. Cette caractéristique confère un avantage au GPL dans un contexte de lutte contre la pollution atmosphérique et les maladies respiratoires.

A l’heure actuelle, la consommation de GPL carburant reste toutefois marginale en France. Elle constitue moins de 0,5% de la consommation nationale de carburant en volume. Le carburant dispose pourtant d’une fiscalité avantageuse (Accise sur les énergies plus faible que les autres carburants) depuis 1996. La distribution de ce carburant est assurée par près de 1 750 stations-service sur les 12 500 que compte la France.

On compte près de 200 000 véhicules équipés d’une carburation au GPL en circulation en France. Dans le monde, 21 millions de véhicules GPL en circulation, consommant 22 millions de tonnes de GPL par an et alimentés par un réseau de distribution de 55 000 stations-service.

Dans le monde, l’énergie GPL (gaz butane et propane) constitue 1,2% de l’énergie primaire consommée.

En France, les GPL sont utilisés quotidiennement ou ponctuellement par près de 10 millions de foyers. Ils fournissent :

• 2% de la production de chaleur française et de la production eau chaude ;
• 30% de la cuisson ;
• 31% pour les trois usages.

En 2011, la consommation mondiale de GPL atteint près de 260 millions de tonnes⁽⁴⁾. Près de 24 millions de tonnes sont consommées au sein de l’Union européenne, dont 2,1 millions de tonnes en France.

Évolution de l’approvisionnement de la France en GPL

©DR