Houille (roche)

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La houille (mot wallon francisé), est une roche carbonée. C'est également une roche combustible fossile solide provenant de la décomposition d'organismes du carbonifère.

Utilisé depuis le XI^e siècle, l'extraction de ce combustible dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIX^e siècle. Depuis, la houille constitue une des principales sources d'énergie des pays industrialisés.

Caractérisation de la houille

Charbon fraîchement extrait de la mine

La houille est une qualité spécifique de charbon, terme générique qui recouvre trois catégories de combustibles solides de même origine (kérogène), mais dont les gisements sont à différents stades de transformation : la tourbe, le lignite et enfin la houille, dont l'anthracite est une variété de qualité supérieure.

Pour les besoins industriels et domestiques, un charbon se caractérise par :

• sa teneur en matières volatiles (MV) exprimée en pourcentage par rapport à la masse totale. Celles-ci sont constituées sensiblement de méthane et d'hydrogène ; sous l'effet d'une élévation de température, les matières volatiles se dégagent du combustible, s'enflamment facilement, et accélèrent la combustion.
• son pouvoir calorifique (exprimé en kJ/kg), quantité de chaleur fournie par la combustion d'un kg de charbon.
• sa teneur en eau exprimée en pourcentage.
• sa teneur en cendres exprimée en pourcentage. Les cendres sont les résidus solides de la combustion du charbon, et peuvent contenir des polluants, métalliques notamment, voire un peu de métaux radioactifs.
• sa teneur en soufre exprimée en pourcentage ; la présence de dioxyde de soufre, et de traces de mercure ou d'autres métaux dans les fumées de combustion contribue à la pollution de l'environnement.

Comparaison de 5 types de houille avec le lignite, et la tourbe

Utilisations de la houille

L'exploitation souterraine ou à ciel ouvert du charbon (ici à Bielszowice, en Pologne) a toujours des impacts sur le paysage, l'environnement et la santé. Le charbon est aussi une source de CO₂, gaz à effet de serre, de même que le méthane qui dégaze des veines à l'air libre sous forme de grisou ou de gaz très dilué

La houille est surtout utilisée actuellement :

• dans les centrales thermiques utilisées pour la production d'électricité ou le chauffage urbain ;
• dans la sidérurgie, essentiellement pour la fabrication du coke utilisé dans les hauts-fourneaux ; entre 600 et 700 kg de charbon sont nécessaires pour produire une tonne d'acier.
• Le chauffage individuel au charbon est en recul par rapport à d'autres sources d'énergie.

Production d'électricité

L'utilisation du charbon dans les centrales thermiques est très importante ; ces centrales fournissent 40 % de la production mondiale d'électricité, la moitié aux États-Unis et en Allemagne. Longtemps considéré comme dépassé, l'intérêt du charbon revient quand les besoins énergétiques atteignent les capacités maximales de production de pétrole ou de gaz naturel, renchérissant leur coût. L'utilisation du charbon, notamment dans les centrales électriques, a fait et continue à faire des progrès énormes en matière de réduction des émissions de polluants tels que le soufre, les oxydes d'azote et les particules fines. Par contre rien ou presque n'a changé en matière d'émission de gaz à effet de serre. Une centrale au charbon actuelle émet sensiblement moins de CO₂ par kilowatt-heure produit qu'une ancienne (du fait du meilleur rendement) mais deux fois plus qu'une centrale au gaz. Le retour du charbon sera donc (et est déjà) un désastre en matière de réchauffement climatique. La séquestration du CO₂ apparaît comme une solution intéressante, mais elle ne sera pas disponible à grande échelle avant de nombreuses années.

États-Unis

Au cours des années 1990, les compagnies électriques préférant construire des centrales à gaz, peu de nouvelles centrales électriques au charbon avaient vu le jour aux les États-Unis. Maintenant que le prix du gaz augmente et devient extrêmement instable, du fait du déclin de la production américaine, une centaine de nouvelles centrales à charbon sont en projet, pour un total de quelques 60 gigawatts, sur la période 2005-2013. Mais ils se heurtent le plus souvent aux refus des populations proches et des autorités locales. La recherche s'oriente vers une utilisation plus écologique du charbon et vers une production de carburants de synthèse fabriqués à partir du charbon. En 2003, le Département américain de l'énergie a en outre lancé le programme de recherche FutureGen, afin de répondre aux exigences environnementales^[1].

Chine

En 2003, la République populaire de Chine produit 79% de son électricité à partir du charbon^[2]. Pékin prévoit d'ajouter environ 70 nouvelles centrales à charbon par an ; en 2006, cinq centrales à charbon étaient construites par semaine^[3]. Ce pays devrait devenir le plus gros émetteur de dioxyde de carbone d'ici à 2009^[4]. En effet, la plupart des centrales électriques thermiques sont vétustes et très polluantes, car elles fonctionnent grâce à la technique de pulvérisation du charbon. En 2007, la Chine possède 13 % des réserves mondiales de charbon soit 118 milliards de tonnes^[1]. Les plus importantes entreprises charbonnières sont Shenhua Group et Yankuang. En 2008, avec 25 000 mines, le pays est le premier producteur (2,5 milliards de tonnes par an), consommateur et exportateur mondial.

Allemagne

Dans le Brandebourg se trouve l'une des premières centrales pilotes, dites à « charbon propre ». Ce projet utilise l'oxydoréduction, l'une des manières de piéger et séquestrer le dioxyde de carbone dégagé par le combustible. Les centrales de ce type devraient se banaliser d'ici à 2020.

Afrique du Sud

Cinquième producteur mondial, la nation arc-en-ciel a montré en janvier 2008 les failles de sa politique du tout-charbon. Par manque de centrales thermiques, elle a du faire face à la demande en électricité. D'où un terrible black-out.

Production de gaz par récupération du grisou

Dans quelques cas, on récupère le gaz naturel minier (dit « grisou ») dégazant naturellement des veines d'exploitations souterraines abandonnées. Ce gaz est naturellement poussé vers le haut par les remontées de nappe, suite à l'arrêt des pompages. Dans le nord de la France les installations de Méthamine et Gazonor récupèrent ce grisou (sauf dans les extrémités est et ouest du bassin minier) et le réinjectent dans le réseau de Gaz de France. C'est aussi un moyen de faire en sorte que des quantités importantes de méthane (gaz à effet de serre important) ne rejoignent l'atmosphère sans être brûlées et transformées en CO₂.

Gazéification et liquéfaction du charbon

Vieux synthétique essence-usine (Hydrierwerke Pölitz – Aktiengesellschaft) - ruine à Police (Pologne)

Des procédés permettent de convertir le charbon en gaz ou en hydrocarbures liquides.

La gazéification du charbon consiste, avec un apport d’oxygène, à transformer le charbon en gaz composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène, appelé gaz de synthèse ou « syngas ». Ce mélange est en général brûlé pour produire de l’électricité comme dans les centrales de type IGCC. Il peut également être converti en hydrocarbures liquides comme indiqué dans la suite.

La liquéfaction du charbon, plus connue sous le terme anglo-saxon « Coal-To-Liquids » ou « CTL » consiste en la conversion du charbon en hydrocarbures liquides comme les carburants ou des produits de la pétrochimie.

Deux familles de procédés existent :

• La voie directe consiste en la dissolution de charbon pulvérisé dans le fluide qui tourne en boucle en présence d’hydrogène. Le produit est alors traité et purifié pour l’obtention de naphta et de diesel.
• La voie indirecte consiste, dans un premier temps, à gazéifier le charbon. Le gaz obtenu est un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Deux techniques permettent de le convertir en hydrocarbures liquides : le procédé Fischer-Tropsch, polymérisation en présence de catalyseurs, et la conversion en méthanol, intermédiaire classique du raffinage et de la pétrochimie.

Les deux voies ont été inventées en Allemagne. La voie directe par Friedrich Bergius en 1913, la voie indirecte par Franz Fischer et Hans Tropsch en 1923. Ces deux procédés ont été appliqués industriellement en Allemagne, notamment pendant la Seconde Guerre mondiale.

Le pétrole, alors bon marché, a ensuite remplacé le charbon comme matière première.

Après les chocs pétroliers des années 70, le CTL a connu un regain d’intérêt, qui a conduit à la création d'unités pilotes notamment aux États-Unis et au Japon. Le niveau du prix du pétrole dans les années 90 a provoqué un ralentissement de ces efforts.

L’Afrique du Sud cependant a développé plusieurs unités. Sasol produit aujourd'hui à partir du charbon environ 30% de la consommation en hydrocarbures liquides du pays, par la voie indirecte et la synthèse Fischer-Tropsch.

Fin 2008, le chinois Shenhua a démarré sa première unité de liquéfaction du charbon, avec un procédé direct, en Mongolie Intérieure. ces premiers essais ont duré treize jours et seront suivis d'une seconde campagne de test pendant l'été 2009.

Le CTL est fortement producteur de dioxyde de carbone. D’important travaux portent sur la réduction de cette production et la séquestration du CO2.

Les enjeux économiques du CTL sont considérables. Le coût d’une unité industrielle est de plusieurs milliards d’euros. L’indicateur économique du coût de revient d'une unité est le « prix équivalent de pétrole brut », dont les valeurs disponibles dans la littérature sont extrêmement variables.

L’enjeu essentiel du CTL est l'indépendance énergétique. Nombreux en effet sont les pays riches en charbon et relativement pauvres en pétrole, comme les trois géants que sont les États-Unis, la Chine et l’Inde. C’est dans ces pays que l’on trouve l’essentiel de la trentaine de projets à l’étude en 2008.

Le prix international de la Liquéfaction du charbon (World CTL Award) a été remis, pour l’année 2009, au Dr. Theo Lee, Vice President et Chief Technology Officer de Headwaters CTL (USA), en conclusion de la conférence World CTL 2009. Le prix 2010 sera remis à Pékin (Chine) lors de la conférence World CTL 2010.

Exploitation de la houille

Sites producteurs de houille (2005)

Jusque vers l'an 2000, la production mondiale de houille était globalement relativement stable, en augmentation dans les pays en développement, mais en diminution dans les pays occidentaux riches en raison de son caractère polluant et moins pratique que les carburants gazeux ou liquides, ou en raison de l'épuisement des ressources. Le bassin minier du Nord-Pas-de-Calais a exploité, de 1850 à 1990, la partie occidentale d'un filon charbonnier s'étirant de la France à la Belgique (où l'exploitation a cessé aussi il y a une quinzaine d'années) et à l'Allemagne (où l'exploitation devrait durer jusqu'en 2018). Néanmoins, ces dernières années, la production a fortement augmenté, principalement sous l'impulsion de la Chine, qui représentait 45% de la production en 2005, contre 19% en 1990.

Production :

• 3564 millions de tonnes en 1990 (houille seulement) ;
• 3650 millions de tonnes en 2000 ;
• 4973 millions de tonnes en 2005, plus 900 Mt de lignite.

Voici les huit premiers pays producteurs de charbon en 2005, selon l'Agence Internationale de l'Energie, la production incluant charbon "noir" et lignite :

Contrairement au pétrole, le charbon est majoritairement consommé dans les pays qui le produisent, quelques 15% de la production mondiale, seulement, sont exportés. Les premiers sont l'Australie (231 Mt), l'Indonésie, la Russie et l'Afrique du Sud. Les exportations chinoises ont diminué ces dernières années, la production, malgré une hausse de 50% en trois ans, ne parvenant pas à maintenir le rythme de la gigantesque demande des centrales électriques chinoises.

Charbon, environnement et santé

Le charbon a posé et pose encore de nombreux problèmes pour l'environnement et la santé environnementale En amont de la filière

• l'exposition chronique à poussière de houille et au radon dans les mines ou à leurs abords est un facteur de silicose et de risque de cancer du poumon, retenu par les tableaux de maladies professionnelles.
• des risques d'accidents (effondrements et coups de grisou) restent important dans les mines de charbon. Les mineurs utilisaient autrefois un canari en cage, qui, quand il s'agitait, ou même mourait, donnait le signal d'une remontée urgente en raison du manque d'oxygène ou d'une surabondance de CO₂ et/ou CO.
• Son extraction (fuites de méthane) et sa combustion contribue au forçage de l'effet de serre et au dérèglement climatique

En aval de la filière, l'industrie houillère laisse de nombreuses séquelles :

• les fumées et vapeurs issues de la combustion de la houille sont acides et polluantes, contenant notamment des traces de vapeur de mercure et de plusieurs métaux lourds et/ou radioactifs dans certains charbons.
• Les cendres de centrales thermiques au charbon (longtemps considérées comme déchets inertes) sont parfois chargées en métaux lourds, avec des traces, parfois importantes de radioactivité, de HAP ou d'autres polluants.
• Ces cendres souvent accumulées sur plusieurs mètres de hauteur sur des crassiers sont pour partie emportées par le vent ou la pluie. On les utilise parfois comme fond de couche routière, matériaux de remblai ou de construction, au risque de polluer la nappe et l'environnement.
• Le radon peut continuer à dégazer dans les mines ou le sol fracturé par des affaissements miniers, longtemps après la fin de l'exploitation.
• Le charbon a, dès le XIX^e siècle été associé à des activités industrielles lourdes et très polluantes, dont la carbochimie, la production et la métallurgie, souvent en bordure de fleuve, canal ou sur le littoral pour des raisons de transport. Des séquelles environnementales persistent longtemps après l'arrêt de ces activités, avec des impacts graves sur la santé. Par exemple, dans le bassin minier du nord de la France, la durée moyenne de vie était de dix ans inférieure à la moyenne nationale et elle restait de cinq ans inférieure dans les années 1980-1990.
• Les dépôts de cendres, souvent oubliés ou dispersés comme matériaux pour le BTP contiennent souvent de nombreux polluants (dont des dioxines, ou encore du thorium ou de l'uranium radioactif). Une étude faite par J. Bonnemain ^[5] pour l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN), qui rapelle que ces dépôts devraient être sécurisés et confinés, alors que certains sont encore visités par des pratiquants de moto-cross ou des chasseurs, et que les dépôts non protégés donnent lieu à des envols et une contamination environnementale par le ruissellement (Pour la réglementation française, ces dépôts sont des installations connexes des centrales thermiques, et doivent faire l'objet d'une déclaration. Ils sont gérés (ou devraient l'être) par l'opérateur de la centrale thermique, même après son arrêt). Le ministère chargé de l'écologie ^[6] reconnait que « le suivi radiologique, notamment de la qualité des eaux environnantes au plan radiologique, est le chaînon manquant » pour l'évaluation environnementale et le suivi des impacts des cendres de charbon.

En France, le ministre de l'écologie a en 2009 demandé ^[7] aux préfets de mettre en place des mesures de surveillance autour des sites de déchets radioactifs, incluant les dépôts de déchets à « radioactivité naturelle renforcée » (cendres, phosphogypse...). Ce premier état des lieux pourra orienter la stratégie de l'état concernant les risques liés aux cendres de charbon qui en 2009 étaient encore produites par centaines de milliers de tonnes annuelles, par 19 centrales au charbon (15 pour EDF et 4 pour la SNET) qui en France compensent les besoins que le nucléaire ne peut fournir en période de pointe. Une grande partie des dépôts français a été vendue ou offerte pour le BTP, (terrassement/remblais de tranchées ou d'aménagements routiers, inclusion dans le ciment ou béton, ou comme matériau de remblais pour diverses infrastructures routières ou ferroviaires (TGV Est par exemple). J. Bonnemains, auteur d'une étude faite pour l'ASN ^[8] estime nécessaire un meilleur contrôle des cendres de charbon, qui nécessite selon lui par « la création d'une structure extérieure aux producteurs pour assurer un suivi longitudinal et contradictoire ».

Voir aussi

Notes

Bibliographie

• "Charbon propre : mythe ou réalité ?.- par la Délégation interministérielle au développement durable. Paris, 2006 : ministère de l'écologie et du développement durable, 2006. - 119p. N° 11464.

Liens internes

• Affaissement minier ;
• Carbone fossile ;
• Catastrophe minière & industrielles
• Code minier ;
• Mine (gisement) et mines en France ;
• Pétrole ;
• Contenu CO2 ;
• Ressources et consommation énergétiques mondiales

Liens externes

• European Association for Coal and Lignite
• Une brusque fin du charbon vers 2050 ?
• Les derniers mineurs de charbon en France ;
• Usage médical du charbon.
• Le charbon liquéfié.

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