Charbon
On janvier 16, 2022 by admin
Le charbon, un solide combustible d’origine naturelle, est l’une des sources d’énergie les plus importantes et les plus abondantes au monde. Depuis son introduction il y a 4 000 ans comme combustible pour le chauffage et la cuisson, jusqu’à son utilisation aux XIXe et XXe siècles pour la production d’électricité et comme matière première chimique, le charbon, avec le pétrole et le gaz naturel, est resté une source d’énergie importante. À eux seuls, les États-Unis disposent de 1,7 trillion de tonnes courtes de ressources en charbon identifiées (gisements naturels) et de suffisamment de réserves récupérables (charbon pouvant être exploité) pour répondre à leurs besoins énergétiques jusqu’en 2225. Ses réserves prouvées comprennent 274 milliards de tonnes courtes que la technologie actuelle peut récupérer, soit 25 % des 1,08 trillion de tonnes courtes de charbon récupérable dans le monde, et 508 milliards de tonnes courtes de charbon que la technologie actuelle peut potentiellement exploiter de manière économique. Ses réserves récupérables contiennent plus de deux fois l’énergie des réserves prouvées de pétrole du Moyen-Orient. Une centaine de pays possèdent des réserves récupérables ; 12 pays – dont le Canada, la République populaire de Chine, la Russie, la Pologne, l’Australie, la Grande-Bretagne, l’Afrique du Sud, l’Allemagne, l’Inde, le Brésil et la Colombie – possèdent les plus grandes réserves.
Origine, composition et structure du charbon
Les géologues pensent que les gisements souterrains de charbon se sont formés il y a environ 250 à 300 millions d’années, quand une grande partie de la Terre était couverte de marécages avec une épaisse forêt et une croissance végétale. À mesure que les plantes et les arbres mouraient, ils s’enfonçaient sous la surface humide de la Terre, où l’insuffisance d’oxygène ralentissait leur décomposition et entraînait la formation de tourbe. De nouvelles forêts et de nouvelles plantes ont remplacé la végétation morte, et lorsque ces nouvelles forêts et ces nouvelles plantes sont mortes, elles se sont également enfoncées dans le sol marécageux. Avec le passage du temps et l’accumulation de chaleur qui l’accompagne, les couches souterraines
de végétation morte ont commencé à s’accumuler, devenant serrées et comprimées, et ont donné naissance à différents types de charbon, chacun avec une concentration différente de carbone : anthracite, charbon bitumineux, charbon subbitumineux et lignite. Le géologue anglais William Hutton (1798-1860) est parvenu à cette conclusion en 1833 lorsqu’il a constaté, par un examen microscopique, que toutes les variétés de charbon contenaient des cellules végétales et étaient d’origine végétale, ne différant que par la végétation qui les composait. En raison de son origine dans une ancienne matière vivante, le charbon, comme le pétrole et le gaz, est connu comme un combustible fossile. Il se présente sous forme de filons ou de veines dans des roches sédimentaires ; les formations varient en épaisseur, celles des mines souterraines ayant une épaisseur de 0,7 à 2,4 mètres (2,5 à 8 pieds) et celles des mines à ciel ouvert, comme dans l’ouest des États-Unis, ayant parfois une épaisseur de 30,5 mètres (100 pieds).
Jusqu’au vingtième siècle, les chimistes savaient très peu de choses sur la composition et la structure moléculaire des différents types de charbon, et jusque dans les années 1920, ils croyaient encore que le charbon était constitué de carbone mélangé à des impuretés contenant de l’hydrogène. Leurs deux méthodes d’analyse ou de séparation du charbon en ses composants, la distillation destructive (chauffage hors contact avec l’air) et l’extraction par solvant (réaction avec différents solvants organiques tels que la tétraline), montraient seulement que le charbon contenait une quantité importante de carbone, et de plus petits pourcentages des éléments hydrogène, oxygène, azote et soufre. Les composés inorganiques tels que les oxydes d’aluminium et de silicium constituent les cendres. La distillation a produit du goudron, de l’eau et des gaz. L’hydrogène était le principal composant des gaz libérés, bien que l’ammoniac, les gaz de monoxyde et de dioxyde de carbone, le benzène et d’autres vapeurs d’hydrocarbures soient présents. (La composition d’un charbon bitumineux en pourcentage est approximativement la suivante : carbone , 75-90 ; hydrogène , 4,5-5,5 ; azote , 1-1,5 ; soufre , 1-2 ; oxygène, 5-20 ; cendres, 2-10 ; et humidité, 1-10). À partir de 1910, des équipes de recherche sous la direction de Richard Wheeler à l’Imperial College of Science and Technology de Londres, Friedrich Bergius (1884-1949) à Mannheim et Franz Fischer (1877-1938) à Mülheim ont apporté des contributions importantes qui ont indiqué la présence de composés benzénoïdes (semblables au benzène) dans le charbon. Mais la confirmation de la structure benzénoïde du charbon n’est intervenue qu’en 1925, à la suite des études sur l’extraction et l’oxydation du charbon menées par William Bone (1890-1938) et son équipe de recherche à l’Imperial College. Les acides benzéniques tri-, tétra- et autres acides carboxyliques supérieurs qu’ils ont obtenus comme produits d’oxydation indiquaient une prépondérance de structures aromatiques avec des cycles benzéniques à trois, quatre et cinq fusions, et d’autres structures avec un seul cycle benzénique. Les structures les plus simples étaient composées de huit ou dix atomes de carbone, les structures à cycles fusionnés contenaient quinze ou vingt atomes de carbone.
Classification et utilisations du charbon
Les chercheurs européens et américains du XIXe et du début du XXe siècle ont proposé plusieurs systèmes de classification du charbon. Le plus ancien, publié à Paris en 1837 par Henri-Victor Regnault (1810-1878), classe les types de charbon selon leur analyse proximale (détermination des substances constitutives, en pourcentage), c’est-à-dire selon leurs pourcentages d’humidité, de matière combustible, de carbone fixe et de cendres. Cette méthode est encore utilisée, sous une forme modifiée, par de nombreux scientifiques américains spécialistes du charbon. Un autre système largement adopté, introduit en 1919 par la scientifique britannique Marie Stopes (1880-1958), classe les types de charbon en fonction de leurs constituants macroscopiques : clarain (charbon ordinaire brillant), vitrain (charbon noir brillant), durain (charbon brut terne) et fusain, également appelé charbon minéral (charbon mou et poudreux). Un autre système encore est basé sur l’analyse ultime (détermination des éléments chimiques constitutifs, en pourcentage), classant les types de charbon selon leurs pourcentages de carbone fixe, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote, à l’exclusion des cendres sèches et du soufre. (Regnault avait également introduit l’analyse ultime dans son article de 1837). Le charbonnier britannique Clarence A. Seyler a développé ce système en 1899-1900 et l’a largement étendu pour inclure un grand nombre de charbons britanniques et européens. Enfin, en 1929, en l’absence d’un système de classification universel, un groupe de soixante charbonniers américains et canadiens travaillant selon des directives établies par l’American Standards Association (ASA) et l’American Society for Testing Materials (ASTM) a mis au point une classification qui est devenue la norme en 1936. Elle n’a pas été révisée depuis 1938.
Le système ASA-ASTM a établi quatre classes ou rangs de charbon – anthracite, bitumineux, subbitumineux et lignite – en fonction de la teneur en carbone fixe et du pouvoir calorifique mesuré en unités thermiques britanniques par livre (Btu/lb). L’anthracite, un charbon noir dur qui brûle avec peu de flamme et de fumée, a la plus haute teneur en carbone fixe, 86 à 98 %, et un pouvoir calorifique de 13 500 à 15 600 Btu/lb (équivalent à 14,2 à 16,5 millions de joules/lb). Il sert de combustible pour le chauffage commercial et domestique, pour la production d’électricité et pour les industries du fer, de l’acier et autres. Le charbon bitumineux (à faible, moyenne et haute volatilité), un charbon mou qui produit de la fumée et des cendres lorsqu’il brûle, a une teneur en carbone fixe de 46 à 86 % et un pouvoir calorifique de 11 000 à 15 000 Btu/lb (11,6 à 15,8 millions de joules/lb). Il s’agit du charbon économiquement récupérable le plus abondant au monde et du principal combustible brûlé dans les centrales électriques à turbine à vapeur. Certains charbons bitumineux, appelés charbons métallurgiques ou à coke, ont des propriétés qui les rendent aptes à être transformés en coke utilisé dans la fabrication de l’acier. Le charbon subbitumineux a un rendement de 46-60
pour cent de carbone fixe et un pouvoir calorifique de 8 300-13 000 Btu/lb (8,8-13,7 millions de joules/lb). La quatrième classe, le lignite, un charbon tendre brun-noir, a également une teneur en carbone fixe de 46 à 60 %, mais le pouvoir calorifique le plus faible, de 5 500 à 8 300 Btu/lb (5,8 à 8,8 millions de joules/lb). La production d’électricité est la principale utilisation des deux classes. En plus de produire de la chaleur et de l’électricité, le charbon est une source importante de matières premières pour la fabrication. Sa distillation destructive (carbonisation) produit des gaz hydrocarbures et du goudron de houille, à partir desquels les chimistes ont synthétisé des médicaments, des colorants, des plastiques, des solvants et de nombreux autres produits chimiques organiques. L’hydrogénation ou la liquéfaction du charbon à haute pression et la liquéfaction indirecte du charbon par les synthèses Fischer-Tropsch sont également des sources potentielles de carburants liquides et de lubrifiants à combustion propre.
Préoccupations environnementales
L’inconvénient majeur de l’utilisation du charbon comme combustible ou matière première est son potentiel de pollution de l’environnement tant au niveau de la production que de la consommation. C’est la raison pour laquelle de nombreux pays producteurs de charbon, comme les États-Unis, ont depuis longtemps des lois qui réglementent l’exploitation du charbon et fixent des normes minimales pour l’exploitation à ciel ouvert et souterraine. La production de charbon nécessite l’exploitation de mines de surface (à ciel ouvert) ou souterraines. L’exploitation à ciel ouvert laisse des fosses après l’extraction du charbon et, pour éviter l’érosion du sol et un environnement inesthétique, les exploitants doivent remettre le terrain en état, c’est-à-dire combler les fosses et replanter le sol. Les eaux minières acides sont le problème environnemental associé à l’exploitation minière souterraine. L’eau qui s’infiltre dans les mines, les inondant parfois, et l’oxygène atmosphérique réagissent avec la pyrite (sulfure de fer) contenue dans le charbon, produisant ainsi des eaux minières acides. Lorsqu’elle est pompée hors de la mine et se déverse dans les rivières, ruisseaux ou lacs voisins, l’eau de mine les acidifie. Neutraliser l’eau de mine avec de la chaux et la laisser se déposer, réduisant ainsi la présence de pyrite de fer avant son rejet, permet de contrôler le drainage acide.
La combustion du charbon émet du dioxyde de soufre et des oxydes d’azote, tous deux responsables des pluies acides . Plusieurs méthodes permettent d’éliminer ou de réduire la quantité de soufre présente dans de nombreux charbons ou d’empêcher son rejet dans l’atmosphère. Le lavage du charbon avant la combustion permet d’éliminer le soufre pyriteux (soufre combiné au fer ou à d’autres éléments). La combustion du charbon dans un brûleur de conception avancée appelé « chambre de combustion à lit fluidisé », dans lequel le calcaire ajouté au charbon se combine au soufre lors du processus de combustion, empêche la formation de dioxyde de soufre. L’épuration de la fumée dégagée par la combustion élimine le dioxyde de soufre avant qu’il ne soit rejeté dans l’atmosphère. Dans un épurateur, la pulvérisation de calcaire et d’eau dans la fumée permet au calcaire d’absorber le dioxyde de soufre et de l’éliminer sous forme de boue humide. Les technologies améliorées de charbon propre injectent du calcaire sec dans les tuyaux qui partent de la chaudière de l’usine et éliminent le dioxyde de soufre sous forme de poudre sèche (CaSO 3 ) plutôt que de boue humide. Le lavage ne permet pas d’éliminer les oxydes d’azote, mais le lavage du charbon et les chambres de combustion à lit fluidisé qui fonctionnent à une température inférieure à celle des chaudières des anciennes usines réduisent la quantité d’oxydes d’azote produite et donc la quantité émise.
Les technologies du charbon propre et les procédés de conversion du charbon en liquide ont permis d’obtenir des charbons à combustion plus propre et des carburants liquides synthétiques, mais les pluies acides restent un problème grave malgré la reconnaissance par la société de leurs effets néfastes depuis 1852. Le réchauffement de la planète résultant de l’émission des gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, le méthane et les chlorofluorocarbones , est un autre problème de combustion du charbon que l’industrie et le gouvernement ont largement ignoré depuis 1896, mais il ne peut plus être évité sans conséquences graves à long terme.
Conclusion
Le charbon reste le combustible fossile le plus abondant au monde, et avec le pétrole et le gaz naturel, il continuera à fournir la majeure partie de l’énergie mondiale. Mais tous trois sont des ressources limitées, et la société devrait les consommer avec sagesse, et non avec gaspillage, afin de prolonger leur durée de vie et de réduire leurs émissions nocives. La conservation des combustibles fossiles et le développement d’énergies alternatives, telles que l’énergie solaire et l’énergie éolienne, sont les voies d’un avenir énergétique plus propre pour la société mondiale.
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