Une bonne façon d'expliquer ce qu'est le bitume est de le comparer au pétrole brut classique. Ce dernier est liquide, alors que le bitume ne l'est pas. À température ambiante, il ressemble à de la mélasse froide et doit être réchauffé ou dilué pour s'écouler. À l'instar de toute autre forme de pétrole, le pétrole brut classique et le bitume sont faits d'hydrocarbures, c'est-à-dire de composés organiques ne contenant que du carbone et de l'hydrogène. Toutefois, lorsqu'on le compare au pétrole brut classique, le bitume contient davantage de carbone que d'hydrogène et beaucoup plus d'impuretés comme l'azote, le soufre et des métaux lourds. Pour produire le pétrole brut synthétique, on doit retirer les impuretés et corriger le ratio carbone-hydrogène.(Voir aussi Sables pétrolifères.)

Réserves

Les réserves canadiennes de bitume, c'est-à-dire les sables bitumineux, se trouvent dans trois régions de l'Alberta : Athabasca, Cold Lake et la rivière de la Paix. Le gisement de Wabiskaw-McMurray, situé près de Fort McMurray dans la région des sables bitumineux de l'Athabasca, est le plus grand et le plus près de la surface du sol. Le lit de la rivière Athabasca traverse en partie les sables bitumineux et les Autochtones utilisent le bitume goudronneux pour calfater leurs canots avant l'arrivée des Européens à la fin du XVIIIe siècle.

À leur arrivée, les Européens découvrent d'autres façons d'utiliser le bitume, dont l'asphalte. Dans les années 1920, on utilise le bitume pour paver les rues de plusieurs villes albertaines et d'Ottawa. Dans les années 1930, l'International Bitumen Co. et l'Abasand Oils Ltd. produisent de l'asphalte à partir des sables d'Athabasca.

Depuis la fin du XIXe siècle, plusieurs ont tenté d'exploiter la richesse en pétrole des sables bitumineux. En 1967, la Great Canadian Oil Sands Ltd., qui fait maintenant partie de Suncor Énergie Inc., inaugure la première usine de traitement commerciale. Syncrude Canada Ltd. ouvre ses portes en 1978, et à la fin des années 1990, de nouveaux projets voient le jour : Canadian Natural Resources Ltd. construit le projet Horizon, Shell développe Albian Sands et la production démarre au projet Fort Hills de Pétro-Canada.

Extraction du bitume

Dans les années 1920, le chimiste Karl Clark, de l'Alberta Research Council, met au point le procédé d'extraction à l'eau chaude, qui permet d'extraire le bitume des sables bitumineux. Ce procédé est encore utilisé de nos jours.

Les sables bitumineux exploités commercialement contiennent en moyenne de 10 % à 12 % de bitume, de 83 % à 85 % de matières minérales et de 4 % à 6 % d'eau. La plupart des matières minérales sont recouvertes d'une mince pellicule d'eau, ce qui rend possible l'extraction à l'eau chaude.

Au cours de ce processus, les sables bitumineux sont mélangés à de l'eau dans des tambours rotatifs ou dans des pipelines. Les particules de bitume se séparent des grains de sable et s'accrochent à de minuscules bulles d'air, qui aide le bitume à remonter à la surface. La boue ainsi formée est déposée dans une cuve de séparation où la mousse bituminée est récoltée à la surface. Celle-ci contient environ 65 % de pétrole, 25 % d'eau et 10 % de solides. Le gros sable se dépose au fond pour être ensuite pompé vers une décharge.

Généralement, ce procédé permet de récupérer entre 88 % et 95 % du bitume contenu dans les sables bitumineux. Le gros sable qui provient des séparateurs primaires est utilisé pour construire des digues entourant les gros bassins à résidus qui contiennent les matières résiduelles dans l'eau après l'extraction du bitume des sables bitumineux. Les particules fines s'y déposent lentement dans les bassins et l'eau décantée est réutilisée dans le processus d'extraction. Les particules fines ne retrouvent pas leur densité originale et chaque mètre cube de sable bitumineux extrait laisse ainsi davantage de résidus, soit 1,4 m3.

Les bassins à résidus et les grandes quantités d'eau et d'énergie requises pour extraire le bitume suscitent des préoccupations environnementales. Des solutions de remplacement continuent d'être explorées.

Valorisation du bitume

Le bitume extrait des sables bitumineux exige un traitement supplémentaire, la valorisation, avant de pouvoir être vendu aux raffineries qui le transformeront en produits comme le carburant. Le bitume est valorisé au moyen de la cokéfaction, de l'hydrotraitement, ou d'une combinaison de ces deux procédés.

Lors de la cokéfaction, le carbone est extrait des composants lourds du bitume, qu'on appelle fractions. Ce procédé provoque le craquage thermique des fractions lourdes à des températures variant de 468 °C à 498 °C et produit des fractions plus légères, comme l'essence et les gaz combustibles, et du coke de pétrole, qui peut être utilisé comme combustible

L'hydrotraitement est un procédé qui ajoute de l'hydrogène au bitume. Comparativement à la cokéfaction, l'hydrotraitement permet d'augmenter la production des liquides, d'obtenir des distillats de meilleure qualité et de réduire les niveaux d'émission de dioxyde de soufre. Il est toutefois beaucoup plus coûteux.