Charbon

Le charbon est un kérogène formé à partir de la dégradation de la matière organique des végétaux. Ce sont les observations au microscope d'Hutton et de Link, en 1840, qui ont permit la découverte de la composition du charbon.^[1] Utilisé comme combustible dès le XI^e siècle, son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIX^e siècle. Depuis, il reste le combustible fossile le plus utilisé dans le monde.

Au cours de plusieurs millions d'années, l'accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d'oxydo-réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (50 à 55 %), le lignite (55 à 75 %), la houille (75 à 90 %) et l'anthracite (> 90 %).

La formation du charbon a commencé au Carbonifère, vers -360 à -295 Ma.

Dans son appellation courante, le terme désigne généralement la houille. Autrefois, il était appelé charbon de terre en opposition au charbon de bois.

Sommaire 1 Description 1.1 Propriétés 1.2 Formation 1.3 Classification 1.3.1 Analyse immédiate 1.3.2 Analyse élémentaire 1.4 Classification française 1.5 Classification américaine 1.6 Classification européenne 2 Histoire 3 Exploitation 3.1 Extraction 3.2 Préparation 3.3 Stockage 3.4 Utilisation 3.5 Impact environnemental 3.6 Impact sanitaire 4 Références 5 Voir aussi 5.1 Articles connexes 5.2 Liens externes 5.3 Bibliographie

Description

Propriétés

Le charbon est une roche sédimentaire combustible composée essentiellement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène^[2]. Il se forme sur plusieurs millions d'années à partir de l'accumulation de débris végétaux qui vont sédimenter et carboniser progressivement suite à une modification graduelle des conditions de température et de pression.

Les propriétés physiques et chimiques du charbon dépendent donc essentiellement du degré de carbonisation du charbon (le « rang » du charbon)^[2].

Plus le charbon a un rang élevé, plus sa teneur en eau est faible et sa teneur en carbone est forte et donc plus son pouvoir calorifique est important. Les charbons de rang supérieur sont donc des combustibles de meilleure qualité.

Les charbons de rang inférieur sont plus brunâtres, plus ternes et plus friables tandis que les charbons de rang supérieur sont plus noirs, plus durs et plus résistants^[2].

Formation

La formation du charbon a commencé au Carbonifère, vers -360 à -295 Ma^[2].

Pour que le charbon se forme, il faut des conditions géologiques particulières. Une très grande quantité de débris végétaux doit s'accumuler dans une couche d'eau peu profonde et faible en dioxygène (environnement de type tourbière), ce qui permet à une partie de la matière organique d'échapper à l'action des décomposeurs. Au cours de plusieurs millions d'années, l'accumulation et la sédimentation de ces débris végétaux provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d'oxydo-réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riche en carbone : la tourbe (50 à 55 %), le lignite (55 à 75 %), la houille (75 à 90 %) et l'anthracite (> 90 %).

La qualité du charbon, appelée « maturité organique », dépend donc des conditions physico-chimiques, ainsi que de la durée de sa formation.

Classification

Il existe de nombreuses variétés de charbon, que l'on distingue selon plusieurs critères dont les principaux sont :

• l'humidité
• la teneur en matières minérales non combustibles (cendres)
• le pouvoir calorifique,
• l'inflammabilité, liée à la teneur en matières volatiles.

La plupart de ces critères sont corrélés avec l'âge du charbon : les charbons les plus "récents" (lignite) sont assez humides et contiennent relativement beaucoup de matières volatiles inflammables, tandis que les plus vieux (anthracites) se sont naturellement dégazés au cours du temps ; ils sont difficiles à enflammer, mais plutôt secs et quasiment constitués de carbone presque pur, ils ont un fort pouvoir calorifique.

Un autre critère important, bien qu'il n'intervienne pas dans les classifications, est la composition des matières minérales. Certains charbons (par exemple, charbons indonésiens) ont des cendres majoritairement composées d'oxydes de calcium ou de sodium, dont le point de fusion est assez bas ; ces cendres emportées dans les fumées de combustion auront tendance à se coller sur les parois des fours ou chaudières et les colmater. D'autres charbons (par exemple, charbons australiens) ont des cendres très abrasives composées essentiellement de silice et d'alumine ; la conception des fours ou chaudières où seront brûlés ces charbons devra donc être adaptée.

Pour classifier les charbons, on doit en faire l'analyse. Les propriétés des charbons (analyse, pouvoir calorifique...) sont donnés soit sur " brut" c'est à dire pour le charbon tel qu'il sera brûlé, soit sur "sec", c'est à dire pour un charbon préalablement séché, soit sur "pur", c'est à dire pour la partie réellement combustible du charbon, hors cendres et humidité. L'analyse immédiate est par définition donnée sur "brut" et l'analyse élémentaire généralement donnée sur "pur".

Analyse immédiate

L'analyse immédiate détermine la composition du charbon selon les 4 composants :

• L'humidité totale
• La teneur en cendres
• La teneur en matières volatiles
• La teneur en carbone fixe (par différence)

Analyse élémentaire

L'analyse élémentaire donne la composition chimique du charbon en carbone (C), azote (N), oxygène (O), hydrogène (H), soufre (S).

La plupart des pays exploitant (ou ayant exploité) des mines de charbon, ont développé leur propre classification. Au plan international, c'est la classification américaine (ASTM) qui fait référence.

Classification française

Elle est basée sur la teneur en matières volatiles et sur l'indice de gonflement ; elle comprend :

• les anthracites, dont la teneur en matières volatiles est inférieure ou égale à 8 %
• les maigres et anthraciteux, dont la teneur en MV est de 8 à 14 %
• les quart-gras, (12 % > MV > 16 %)
• les demi-gras (13 % > MV > 22 %)
• les gras à courte flamme (18% > MV > 27 %)
• les gras (27 % > MV > 40 %)
• les flambants gras (MV > 30 %)
• les flambants secs (MV > 34 %)

Classification américaine

Elle est basée sur la teneur en matières volatiles pour les charbons de plus haute qualité et sur le pouvoir calorifique supérieur (PCS) pour les autres.

Catégorie	Sous-catégorie	Matières volatiles	PCS
Anthracite	Meta-anthracite	< 2 %
	Anthracite	2 à 8 %
	Semi-anthracite	8 à 14 %
Bitumineux	Faible teneur volatile	14 à 22 %
	Moyenne teneur volatile	22 à 31 %
	Haute teneur volatile A	> 31 %	> 32,6 MJ/kg
	Haute teneur volatile B		30,2 à 32,6 MJ/kg
	Haute teneur volatile C		26,7 à 30,2 MJ/kg
Sub-bitumineux	Sub-bitumineux A		24,4 à 26,7 MJ/kg
	Sub-bitumineux B		22,1 à 24,4 MJ/kg
	Sub-bitumineux C		19,3 à 22,1 MJ/kg
Lignite	Lignite A		14,6 à 19,3 MJ/kg
	Lignite B		< 14,6 MJ/kg

Les teneurs en matières volatiles sont données sur "pur" et les PCS sont donnés sur une base hors cendres (mais y compris humidité naturelle)

Classification européenne

Elle comprend les catégories suivantes :

• Anthracite.
• Bitumineux
• Subbitumineux
• Meta-lignite
• Ortho-lignite

Il existe plusieurs classifications du charbon, qui peuvent dépendre de sa composition chimique, de la nature des débris végétaux, ou de son utilisation pratique.

Les principales catégories de charbon reposent sur la teneur en carbone, correspondant à l'évolution du charbon au fil du temps :

• Tourbe (50 à 55 %) : produit de la fossilisation des débris végétaux par les micro-organismes dans les tourbières, milieux humides et pauvres en oxygène
• Lignite (55 à 75 %), ou charbon brun : brunâtre, plutôt tendre
• Charbon sub-bitumineux, ou lignite noire
• Houille (75 à 90 %) : le charbon proprement dit
  • Houille grasse, ou charbon bitumineux : le type de charbon le plus courant
  • Houille demi-grasse
  • Houille maigre, ou houille sèche
• Anthracite (90 à 95 %) : le plus haut rang
• Graphite : la plus pure variété de charbon, peu utilisé comme combustible

Histoire

Marco Polo signalera, à son retour de Chine, que les Chinois chauffaient leurs maisons et cuisaient leurs aliments en faisant brûler d’étranges pierres noires. Ce sont là les premières traces d’utilisation du charbon comme combustible. Mais c’est seulement au XVIII^e siècle, en Angleterre, lors de la révolution industrielle que va se généraliser son utilisation. L’invention de la machine à vapeur est déterminante, seul le charbon, à l’époque, est capable de fournir assez de chaleur pour produire de la vapeur. À partir de ce moment là commence l'exploitation industrielle des mines de charbon un peu partout en Europe, puis dans le monde.

Dans les zones possédant beaucoup de charbon, tous les hommes travaillaient à la mine, ainsi que les enfants dès 13 ans. Ils descendaient jusqu'à 200 mètres sous terre et extrayaient le charbon à la pioche et à la pelle. Le métier était dangereux, les coups de grisou fréquents. Aujourd'hui une partie de ce travail est effectuée le plus souvent par des machines, et les normes de sécurité ont beaucoup évoluées.

Exploitation

Extraction

Préparation

Stockage

Utilisation

Le charbon est le combustible fossile le plus utilisé dans le monde^[3]. Il produit plus de 40 % de l'électricité mondiale et de nombreux pays l'utilisent encore comme source d'énergie principale comme la Pologne (94 %), l'Afrique du Sud (92 %), la Chine (77 %) et l'Australie (76 %)^[2].

Les réserves prouvées mondiales de charbon sont estimées à plus de 984 milliards de tonnes, elles sont disséminées sur tous les continents à travers plus de 70 pays^[2]. Les principales réserves sont situées aux États-Unis, en Russie, en Chine et en Inde. Si la consommation restait constante, les réserves connues de charbon pourraient durer au moins deux siècles tandis que les réserves de pétrole et de gaz naturel devraient s'épuiser au cours du XXI^e siècle^[4].

Impact environnemental

L'extraction du charbon dans les mines peut affecter la faune et la flore. Certaines mines utilisent l’eau des rivières voisines pour l’exploitation du charbon, il en résulte une forte pollution de l'eau.

La combustion du charbon est particulièrement polluante, plus que d’autres énergies fossiles. Au cours de la pyrolyse, le charbon émet des particules volatiles dangereuses : benzène et ses dérivés aromatiques (notamment le benzo[a]pyrène), goudrons, dérivés du phénol comme les dioxines… Lorsque le charbon se met à brûler, il émet des oxydes de soufre et d'azote qui acidifie l'air, ainsi que des suies et d'autres éléments toxiques comme le cadmium, l'arsenic ou le mercure. Le charbon étant formé majoritairement de carbone, il rejette également énormément de dioxyde de carbone (gaz à effet de serre).

Il existe néanmoins des technologies d'extraction du charbon plus propres.

Impact sanitaire

L'extraction du charbon dans les mines est un travail dangereux (coup de grisou, intoxications, effondrements…).

En France, deux maladies professionnelles liées à l'extraction du charbon sont reconnues par la Sécurité sociale :

• Broncho-pneumopathie chronique obstructive du mineur de charbon (tableau n° 91 du régime général) depuis 1992
• Lésions chroniques du segment antérieur de l'œil provoquées par l'exposition à des particules en circulation dans les puits de mine de charbon (tableau n° 93 du régime général) depuis 1995

Références

Voir aussi

Articles connexes

• Carbone fossile
• Charbonnage
• Révolution industrielle
• Ressources et consommation énergétiques mondiales

Liens externes

• (en) European Association for Coal and Lignite
• (en) Coal Online
• (en) World Coal Association
• (fr) Charbonnages de France

Bibliographie

• Jean-Marie Martin-Amouroux et François Bautin, Combustibles solides. Charbon, In: Techniques de l'ingénieur. Génie énergétique (ISSN 1762-8741)
• Jean-Marie Martin-Amouroux, Charbon, les métamorphoses d'une industrie, Éd. Technip, 2008, 420 p. (ISBN 2710809141)
• François Kalaydjian et Sylvie Cornot-Gandolphe, La nouvelle donne du charbon, Éd. Technip, 2009, 206 p. (ISBN 2710809265)
• Pierre-Noël Giraud, Albert Suissa, Jean Coiffard et Daniel Crétin, Géopolitique du charbon, Economica, 1991, 412 p. (ISBN 2717819894)

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