Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Charbon

Introduction

Depuis la révolution industrielle, le charbon a vu sa consommation augmenter dans des proportions considérables. En 1950, la part du charbon représentait encore 57 % de la consommation mondiale d'énergie primaire commerciale, puis elle a décliné pour atteindre un plancher de 27 % en 2002. Depuis cette date, elle oscille entre 25 et 31 %.

L'importance de ses réserves et leur répartition géographique complémentaire de celle des hydrocarbures en font un concurrent potentiel sérieux pour ces derniers, le principal obstacle à son utilisation étant son impact beaucoup plus fort sur l'environnement.

Formation du charbon

Les charbons ont été formés à partir des immenses masses végétales de l'époque carbonifère (il y a environ 300 millions d'années), mélangées à des éléments minéraux. Ils sont composés de carbone, de matières volatiles (hydrogène), d'hydrocarbures et de cendres.

On distingue trois grandes catégories de charbons (ou combustibles solides) : la tourbe, le lignite et la houille, dont l'anthracite est une variété de qualité supérieure.

  • la tourbe s'est formée à l'ère quaternaire. Fibreuse, légère, fortement imprégnée d'eau, elle constitue un combustible de qualité médiocre ;

  • le lignite remonte à l'ère tertiaire. Fibreux, sa structure laisse apparaître des vestiges de rameaux et grosses branches. Meilleur combustible que la tourbe, il reste d'un rendement faible, mais est assez largement utilisé ;

  • La houille s'est formée à l'ère primaire. Son pouvoir calorifique est beaucoup plus élevé que celui du lignite ou des tourbes. La houille comprend diverses catégories de charbons, qui diffèrent par leur teneur en carbone. Les anthracites et les houilles maigres sont utilisées comme combustible, tandis que, par distillation, on retire des houilles grasses du gaz pauvre, des goudrons et du coke.

Filière charbonnière

Bien qu'on ne parle généralement pas de filière charbonnière au même titre que pétrolière ou gazière, mais plutôt d'industrie charbonnière, on retrouve bien les mêmes étapes dans la mise en valeur du charbon.

L'étape d'exploration est appelée prospection. Elle consiste à effectuer des études géologiques pouvant comporter des forages de reconnaissance, les techniques de géophysique permettant de déterminer la position des gisements et leur potentiel.

Les autres étapes sont présentées ci-dessous, celle de production étant appelée exploitation.

Industrie charbonnière

Deux grandes catégories de produits sortent de la mine : les charbons de qualité supérieure sont soit directement mis sur le marché comme charbons et agglomérés après criblage et épuration, soit vendus à la cokerie, tandis que les bas produits sont utilisés comme combustible pour la production d'électricité en centrale.

Dans la cokerie, outre le coke, sont fabriqués un certain nombre de produits de synthèse (ammoniac, méthanol, etc.) du gaz de cokerie et des produits de récupération (goudrons, benzols, sulfate d'ammoniac, etc.).

L'exploitation du charbon se fait dans des mines, à ciel ouvert ou souterraines :

  • les mines à ciel ouvert sont exploitées de manière analogue à des carrières. Les taux de récupération que l'on peut y atteindre sont très élevés (90 % contre 40 % en souterrain), et les coûts de production généralement plus bas qu'en souterrain. En revanche, les mines à ciel ouvert peuvent avoir des effets désastreux sur l'environnement ;

  • les mines souterraines comportent au moins deux puits, pour permettre la ventilation, nécessaire pour évacuer les gaz et climatiser la mine. Les installations de surface sont groupées autour du puits. Diverses méthodes d'exploitation existent, le lecteur se reportera pour plus de détails aux livres spécialisés. Les mines souterraines posent de grands problèmes de sécurité, du fait des risques d'éboulement, de coup de grisou (gaz inflammable composé principalement de méthane) et d'inondation. A ces accidents, il faut ajouter les maladies pulmonaires : silicose et pneumoconiose du mineur.

Mine de charbon à ciel ouvert

Transformation du charbon

Afin de répondre à la demande des utilisateurs, le charbon extrait subit une transformation en plusieurs étapes.

Il est tout d'abord nettoyé, trié et calibré, pour être séparé en fonction des tailles et des qualités.

Pour la production d'énergie, on utilise, sous le terme de charbon-vapeur, des variétés abondantes et peu coûteuses. La taille des unités d'utilisation est en effet telle qu'elles peuvent s'adapter à diverses sortes de charbon.

Centrale électrique au charbon

Des transformations supplémentaires peuvent être opérées pour répondre à des demandes spécifiques ou à des normes antipollution de plus en plus contraignantes. C'est ainsi notamment que l'on cherche aujourd'hui à broyer le charbon de plus en plus finement pour augmenter les surfaces de contact avec l'air de combustion et obtenir des températures de combustion plus élevées. Ce faisant, les rendements augmentent tandis que diminuent les émissions de polluants (oxydes d'azote, imbrûlés).

L'une des techniques les plus prometteuses de ce point de vue est la combustion en lit fluidisé, où le charbon, finement broyé, est brûlé en suspension dans un courant d'air ascendant.

La cokéfaction ou carbonisation engendre le coke, carbone assez pur, indispensable à la métallurgie de la fonte.

Depuis 1973, un certain nombre de procédés de valorisation sont à l'étude :

  • la production de charbon propre, décendré et désulfurisé, en cours de développement aux Etats-Unis ;

  • l'élaboration d'un mélange charbon/eau destiné à être brûlé dans des chaudières à fuel ;

  • la liquéfaction du charbon par hydrogénation pour obtenir des carburants (méthanol) et des matières premières pour l'industrie chimique. Les techniques les plus utilisées ont été mises au point en Allemagne pendant la seconde guerre mondiale, le Troisième Reich ayant un impératif besoin de carburants pour son armée, et disposant à défaut de pétrole des gisements charbonniers de la Rhur ;

  • la gazéification du charbon in situ dans le but d'exploiter directement dans le sous-sol des ressources non économiquement rentables par les procédés traditionnels. Pour cela, on suscite une combustion incomplète dans les gisements, en injectant de l'air sous pression. On obtient un gaz pauvre qui peut ensuite être valorisé de diverses manières, soit par combustion directe, soit pour la production d'hydrocarbures de synthèse.

Transport du charbon

Dans les pays producteurs, le transport du charbon s'effectue essentiellement par voie ferroviaire. Le développement de pipelines à charbon ou carboducs est actuellement envisagé, le charbon étant broyé et mis en suspension dans de l'eau, l'ensemble étant acheminé dans une canalisation puis décanté et filtré à l'arrivée.

Pour les trois quarts, le commerce international de charbon est assuré par voie maritime, soit par des vraquiers, soit par des navires mixtes pouvant aussi transporter des liquides.

Stockage du charbon

Les risques de rupture d'approvisionnement en charbon étant considérés comme faibles du fait à la fois des caractéristiques de cette matière première et de la répartition de ses ressources, aucun stockage stratégique n'est imposé à ses utilisateurs.

Les stockages de charbon ont donc essentiellement un rôle technique, et sont dimensionnés afin d'éviter un défaut d'approvisionnement accidentel.

Données sur la situation mondiale

Ces cartes interactives vous fournissent des informations récentes et détaillées sur les consommations et les productions dans une cinquantaine de pays.

Leur utilisation est assez intuitive. Vous pouvez faire des sélections et des zooms avant ou arrière en utilisant les boutons situés en haut à gauche de l'écran. Le moteur de recherche peut vous aider à trouver un pays.

Certaines se présentent sous deux vues qui permettent d'exploiter les données de deux manières complémentaires :

  • l'une, munie d'une règle, permet de faire défiler les différentes années et, pour chacune d'entre elles, d'afficher les valeurs sur les différents pays

  • l'autre permet, lors du clic sur un pays, de faire tracer l'évolution de la valeur au cours de la période dans un petit graphique.

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