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Charbon

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Le charbon est une roche sédimentaire noire ou noir brunâtre Combustible , formée de strates rocheuses appelées veines de charbon . Le charbon est principalement composé de carbone avec des quantités variables d’autres éléments , principalement de l’hydrogène , du soufre , de l’oxygène et de l’azote . [1] Le charbon se forme lorsque la matière végétale morte se décompose en tourbe et est convertie en charbon par la chaleur et la pression d’un enfouissement profond pendant des millions d’années. [2] De vastes gisements de charbon proviennent d’anciennes zones humides – appeléesforêts de houille – qui couvraient une grande partie des terres tropicales de la Terre à la fin du Carbonifère ( Pennsylvanien ) et du Permien . [3] [4] Cependant, de nombreux gisements de charbon importants sont plus jeunes que cela et proviennent des époques mésozoïque et cénozoïque .

Charbon

Roche sédimentaire
Bituminous Coal.JPG Charbon bitumineux , la qualité de charbon la plus courante
Composition
Primaire carbone
Secondaire
  • hydrogène
  • soufre
  • oxygène
  • azote

Le charbon est principalement utilisé comme Combustible. Alors que le charbon est connu et utilisé depuis des milliers d’années, son utilisation était limitée jusqu’à la révolution industrielle . Avec l’invention de la machine à vapeur , la consommation de charbon augmente. En 2020, le charbon a fourni environ un quart de l’ énergie primaire mondiale et plus d’un tiers de son électricité . [5] Certains procédés de fabrication de fer et d’acier et d’autres procédés industriels brûlent du charbon.

L’extraction et l’utilisation du charbon provoquent des décès prématurés et des maladies. [6] L’utilisation du charbon nuit à l’environnement , et c’est la plus grande source anthropique de dioxyde de carbone contribuant au changement climatique . 14 milliards de tonnes de dioxyde de carbone ont été émises par la combustion du charbon en 2020 [7] , soit 40 % des émissions totales de combustibles fossiles [8] et plus de 25 % des émissions mondiales totales de gaz à effet de serre . [9] Dans le cadre de la transition énergétique mondiale , de nombreux pays ont réduit ou éliminé leur utilisation du charbon . [10] [11] LeLe secrétaire général de l’ONU a demandé aux gouvernements d’arrêter de construire de nouvelles centrales au charbon d’ici 2020. [12] L’ utilisation mondiale du charbon a culminé en 2013. [13] Pour atteindre l’ objectif de l’ Accord de Paris de maintenir le réchauffement climatique en dessous de 2 °C réduire de moitié de 2020 à 2030, [14] et l’élimination progressive du charbon a été convenue dans le Pacte climatique de Glasgow .

Le plus grand consommateur et importateur de charbon en 2020 était la Chine . La Chine représente près de la moitié de la production mondiale annuelle de charbon , suivie de l’Inde avec environ un dixième. L’Indonésie et l’Australie exportent le plus, suivies de la Russie . [15]

Étymologie

Le mot prenait à l’origine la forme col en vieil anglais , du proto-germanique * kula ( n ), qui à son tour est supposé provenir de la racine proto-indo-européenne * g ( e ) u-lo- “charbon vivant”. [16] Les apparentés germaniques comprennent le vieux frison kole , le moyen hollandais cole , le hollandais kool , le vieux haut allemand chol , le allemand Kohle et le vieux norrois kol , et les irlandaisle mot gual est également apparenté via la racine indo-européenne . [16]

Géologie

Le charbon est composé de macéraux , de minéraux et d’eau. [17] Des fossiles et de l’ ambre peuvent être trouvés dans le charbon.

Formation

Exemple de structure chimique du charbon

La conversion de la végétation morte en charbon s’appelle la coalification . À divers moments du passé géologique, la Terre avait des forêts denses [18] dans les zones humides basses. Dans ces zones humides, le processus de coalification a commencé lorsque la matière végétale morte a été protégée de la biodégradation et de l’oxydation , généralement par de la boue ou de l’eau acide, et a été convertie en tourbe . Cela a piégé le carbone dans d’immenses tourbières qui ont finalement été profondément enfouies par les sédiments. Puis, sur des millions d’années, la chaleur et la pression de l’enfouissement profond ont provoqué la perte d’eau, de méthane et de dioxyde de carbone et augmenté la proportion de carbone. [17]La qualité du charbon produit dépendait de la pression et de la température maximales atteintes, avec du lignite (également appelé “charbon brun”) produit dans des conditions relativement douces, et du charbon sous-bitumineux , du charbon bitumineux ou de l’anthracite (également appelé “charbon dur” ou “houille noire”) produite à son tour avec une température et une pression croissantes. [2] [19]

Parmi les facteurs impliqués dans la coalification, la température est beaucoup plus importante que la pression ou le temps d’enfouissement. [20] Le charbon subbitumineux peut se former à des températures aussi basses que 35 à 80 °C (95 à 176 °F) tandis que l’anthracite nécessite une température d’au moins 180 à 245 °C (356 à 473 °F). [21]

Bien que le charbon soit connu de la plupart des périodes géologiques, 90 % de tous les gisements de charbon se sont déposés au cours des périodes carbonifère et permienne , qui ne représentent que 2 % de l’histoire géologique de la Terre. [22] Paradoxalement, c’était pendant la glacière du Paléozoïque supérieur , une période de glaciation globale . Cependant, la baisse du niveau global de la mer accompagnant la glaciation a exposé des plateaux continentaux auparavant submergés, auxquels se sont ajoutés de larges deltas fluviaux produits par une érosion accrue due à la baisse du niveau de base . Ces zones étendues de zones humides offraient des conditions idéales pour la formation de charbon.[23] La formation rapide de charbon s’est terminée par l’ écart de charbon lors de l’ événement d’extinction du Permien-Trias , où le charbon est rare. [24]

La géographie favorable n’explique pas à elle seule les vastes gisements de charbon du Carbonifère. [25] D’autres facteurs contribuant au dépôt rapide de charbon étaient des niveaux élevés d’oxygène , supérieurs à 30 %, qui favorisaient des incendies de forêt intenses et la formation de charbon de bois qui était pratiquement indigeste par les organismes en décomposition ; des niveaux élevés de dioxyde de carbone qui ont favorisé la croissance des plantes ; et la nature des forêts carbonifères, qui comprenaient des lycophytes dont la croissance déterminée signifiait que le carbone n’était pas retenu dans le bois de cœur des arbres vivants pendant de longues périodes. [26]

Une théorie suggérait qu’il y a environ 360 millions d’années, certaines plantes avaient développé la capacité de produire de la lignine , un polymère complexe qui rendait leurs tiges cellulosiques beaucoup plus dures et plus ligneuses. La capacité à produire de la lignine a conduit à l’évolution des premiers arbres . Mais les bactéries et les champignons n’ont pas immédiatement développé la capacité de décomposer la lignine, de sorte que le bois ne s’est pas complètement décomposé mais s’est enfoui sous les sédiments, se transformant finalement en charbon. Il y a environ 300 millions d’années, les champignons et d’autres champignons ont développé cette capacité, mettant fin à la principale période de formation de charbon de l’histoire de la Terre. [27] [28]Bien que certains auteurs aient souligné certaines preuves de la dégradation de la lignine au cours du Carbonifère et ont suggéré que les facteurs climatiques et tectoniques étaient une explication plus plausible, [29] la reconstruction des enzymes ancestrales par analyse phylogénétique a corroboré l’hypothèse selon laquelle les enzymes dégradant la lignine sont apparues dans les champignons environ 200 MYa . [30]

Un facteur tectonique probable était les montagnes centrales du Pangean , une énorme chaîne longeant l’équateur qui a atteint sa plus grande élévation à cette époque. La modélisation climatique suggère que les montagnes du Pangéen central ont contribué au dépôt de grandes quantités de charbon à la fin du Carbonifère. Les montagnes ont créé une zone de fortes précipitations toute l’année, sans saison sèche typique d’un climat de mousson . Ceci est nécessaire pour la préservation de la tourbe dans les marais houillers. [31]

Le charbon est connu des strates précambriennes , qui sont antérieures aux plantes terrestres. Ce charbon est présumé provenir de résidus d’algues. [32] [33]

Parfois, les veines de charbon (également appelées couches de charbon) sont interstratifiées avec d’autres sédiments dans un cyclothem . On pense que les cyclothes ont leur origine dans les cycles glaciaires qui ont produit des fluctuations du niveau de la mer , qui alternativement ont exposé puis inondé de vastes zones du plateau continental. [34]

Chimie de la coalification

Le tissu ligneux des plantes est composé principalement de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. La tourbe moderne est principalement constituée de lignine, avec une teneur en cellulose et en hémicellulose allant de 5% à 40%. Divers autres composés organiques, tels que des cires et des composés contenant de l’azote et du soufre, sont également présents. [35] La lignine a une composition pondérale d’environ 54 % de carbone, 6 % d’hydrogène et 30 % d’oxygène, tandis que la cellulose a une composition pondérale d’environ 44 % de carbone, 6 % d’hydrogène et 49 % d’oxygène. Le charbon bitumineux a une composition d’environ 84,4 % de carbone, 5,4 % d’hydrogène, 6,7 % d’oxygène, 1,7 % d’azote et 1,8 % de soufre, sur une base pondérale. [36] Cela implique que les processus chimiques pendant la coalification doivent éliminer la plupart de l’oxygène et une grande partie de l’hydrogène, laissant du carbone, un processus appelé carbonisation. [37]

La carbonisation procède principalement par déshydratation , décarboxylation et déméthanation. La déshydratation élimine les molécules d’eau du charbon en cours de maturation via des réactions telles que [38]

2 R–OH → R–O–R + H 2 O 2 R-CH2-O- CH2 -R → R-CH=CH-R + H2O

La décarboxylation élimine le dioxyde de carbone du charbon en cours de maturation et procède par réaction telle que [38]

RCOOH → HR + CO 2

tandis que la déméthanisation procède par réaction telle que

2 R-CH 3 → R-CH 2 -R + CH 4 R-CH 2 -CH 2 -CH 2 -R → R-CH=CH-R + CH 4

Dans chacune de ces formules, R représente le reste d’une molécule de cellulose ou de lignine à laquelle les groupes réactifs sont attachés.

La déshydratation et la décarboxylation ont lieu au début de la coalification, tandis que la déméthanisation ne commence qu’après que le charbon a déjà atteint le rang bitumineux. [39] L’effet de la décarboxylation est de réduire le pourcentage d’oxygène, tandis que la déméthanation réduit le pourcentage d’hydrogène. La déshydratation fait les deux et (avec la déméthanation) réduit la saturation du squelette carboné (augmentant le nombre de doubles liaisons entre le carbone).

Au fur et à mesure que la carbonisation progresse, les composés aliphatiques (composés carbonés caractérisés par des chaînes d’atomes de carbone) sont remplacés par des composés aromatiques (composés carbonés caractérisés par des anneaux d’atomes de carbone) et les anneaux aromatiques commencent à fusionner en composés polyaromatiques (anneaux liés d’atomes de carbone). [40] La structure ressemble de plus en plus au graphène , l’élément structurel du graphite.

Les changements chimiques s’accompagnent de changements physiques, tels qu’une diminution de la taille moyenne des pores. [41] Les macéraux (particules organiques) de lignite sont composés d’ huminite , d’aspect terreux. Au fur et à mesure que le charbon mûrit en charbon sous-bitumineux, l’huminite commence à être remplacée par de la vitrinite vitreuse (brillante) . [42] La maturation du charbon bitumineux est caractérisée par la bitumisation , dans laquelle une partie du charbon est convertie en bitume , un gel riche en hydrocarbures. [43] La maturation en anthracite est caractérisée par une débituméisation (issue de la déméthanisation) et la tendance croissante de l’anthracite à se rompre avec une cassure conchoïdale, semblable à la façon dont le verre épais se brise. [44]

Les types

Exposition côtière de la pointe Aconi Seam en Nouvelle-Écosse Système de classement du charbon utilisé par le United States Geological Survey

Au fur et à mesure que les processus géologiques appliquent une pression sur le matériau biotique mort au fil du temps, dans des conditions appropriées, son grade ou rang métamorphique augmente successivement en :

  • La tourbe , précurseur du charbon
  • Le lignite , ou charbon brun, le plus bas rang de charbon, le plus nocif pour la santé, [45] utilisé presque exclusivement comme Combustible pour la production d’électricité
    • Le jais , une forme compacte de lignite, parfois polie ; utilisé comme pierre ornementale depuis le Paléolithique supérieur
  • Le charbon sous-bitumineux , dont les propriétés se situent entre celles du lignite et celles du charbon bitumineux, est principalement utilisé comme Combustible pour la production d’électricité à vapeur.
  • Charbon bitumineux , une roche sédimentaire dense, généralement noire, mais parfois brun foncé, souvent avec des bandes bien définies de matériau brillant et terne. Il est principalement utilisé comme Combustible dans la production d’électricité à vapeur et pour fabriquer du coke . Connu sous le nom de charbon vapeur au Royaume-Uni, et historiquement utilisé pour élever la vapeur dans les locomotives à vapeur et les navires
  • Le charbon anthracite , le plus haut rang de charbon, est un charbon noir plus dur et brillant utilisé principalement pour le chauffage résidentiel et commercial .
  • Le graphite est difficile à enflammer et n’est pas couramment utilisé comme Combustible; il est le plus utilisé dans les crayons, ou en poudre pour la lubrification .
  • Le charbon de cannel (parfois appelé “charbon de bougie”) est une variété de charbon à grains fins et de haut rang avec une teneur en hydrogène importante, qui se compose principalement de liptinite .

Il existe plusieurs normes internationales pour le charbon. [46] La classification du charbon est généralement basée sur la teneur en matières volatiles . Cependant, la distinction la plus importante est entre le charbon thermique (également connu sous le nom de charbon vapeur), qui est brûlé pour produire de l’électricité via la vapeur ; et le charbon métallurgique (également connu sous le nom de charbon à coke), qui est brûlé à haute température pour fabriquer de l’ acier .

La loi de Hilt est une observation géologique selon laquelle (dans une petite zone) plus le charbon est profond, plus son rang (ou sa qualité) est élevé. Elle s’applique si le gradient thermique est entièrement vertical ; cependant, le métamorphisme peut provoquer des changements latéraux de rang, quelle que soit la profondeur. Par exemple, certains des filons de charbon du champ houiller de Madrid, au Nouveau-Mexique , ont été partiellement convertis en anthracite par métamorphisme de contact à partir d’un seuil igné , tandis que le reste des filons est resté sous forme de charbon bitumineux. [47]

Histoire

Mineurs de charbon chinois dans une illustration de l’ encyclopédie Tiangong Kaiwu , publiée en 1637

La première utilisation reconnue provient de la région de Shenyang en Chine où, vers 4000 avant JC , les habitants du néolithique avaient commencé à sculpter des ornements à partir de lignite noir. [48] ​​Le charbon de la mine Fushun dans le nord-est de la Chine a été utilisé pour fondre le cuivre dès 1000 av. [49] Marco Polo , l’Italien qui a voyagé en Chine au 13ème siècle, a décrit le charbon comme “des pierres noires … qui brûlent comme des bûches”, et a déclaré que le charbon était si abondant que les gens pouvaient prendre trois bains chauds par semaine. [50] En Europe, la première référence à l’utilisation du charbon comme Combustible provient du traité géologique On Stones (Lap. 16) du scientifique grec Theophrastus(vers 371-287 avant JC): [51] [52]

Parmi les matériaux que l’on creuse parce qu’ils sont utiles, ceux qu’on appelle les anthrakes [charbons] sont faits de terre, et, une fois incendiés, ils brûlent comme du charbon de bois [anthrakes]. On les trouve en Ligurie… et en Elis dès qu’on approche d’Olympie par la route des montagnes ; et ils sont utilisés par ceux qui travaillent dans les métaux.

– Théophraste, Sur les pierres (16) [53]

Le charbon d’affleurement a été utilisé en Grande-Bretagne pendant l’ âge du bronze (3000-2000 avant JC), où il faisait partie des bûchers funéraires . [54] [55] En Grande-Bretagne romaine , à l’exception de deux champs modernes, “les Romains exploitaient des charbons dans tous les bassins houillers majeurs d’ Angleterre et du Pays de Galles à la fin du deuxième siècle après JC”. [56] L’évidence du commerce dans le charbon, datée à environ AD 200, a été trouvée au règlement romain à Heronbridge , près de Chester ; et dans les Fenlands d’ East Anglia , où le charbon de laMidlands a été transporté via le Car Dyke pour être utilisé dans le séchage du grain. [57] Des cendres de charbon ont été trouvées dans les foyers de villas et de forts romains , en particulier dans le Northumberland , datés d’environ 400 après JC. Dans l’ouest de l’Angleterre, des écrivains contemporains ont décrit la merveille d’un brasier permanent de charbon sur l’autel de Minerve à Aquae Sulis ( bain moderne ), bien qu’en fait le charbon de surface facilement accessible de ce qui est devenu le bassin houiller du Somerset, était couramment utilisé dans les habitations assez modestes de la région. [58]Des preuves de l’utilisation du charbon pour le travail du fer dans la ville à l’époque romaine ont été trouvées. [59] À Eschweiler , en Rhénanie , des gisements de charbon bitumineux étaient utilisés par les Romains pour la fonte du minerai de fer . [56]

Mineur de charbon en Grande-Bretagne, 1942

Aucune preuve n’existe que le charbon ait été d’une grande importance en Grande-Bretagne avant environ l’an 1000, le Haut Moyen Âge . [60] Le charbon a été appelé “charbon de mer” au XIIIe siècle ; le quai où le matériel est arrivé à Londres était connu sous le nom de Seacoal Lane, ainsi identifié dans une charte du roi Henri III accordée en 1253. [61] Initialement, le nom a été donné parce que beaucoup de charbon a été trouvé sur le rivage, tombé du couches de charbon sur les falaises au-dessus ou lessivées des affleurements de charbon sous-marins, [60] mais à l’époque d’ Henri VIII , on comprenait qu’il découlait de la façon dont il était transporté à Londres par voie maritime. [62] En 1257-1259, charbon de Newcastle upon Tynea été expédié à Londres pour les forgerons et les brûleurs à chaux qui construisent l’abbaye de Westminster . [60] Seacoal Lane et Newcastle Lane, où le charbon était déchargé aux quais le long de la River Fleet , existent toujours. [63]

Ces sources facilement accessibles s’étaient en grande partie épuisées (ou ne pouvaient pas répondre à la demande croissante) au XIIIe siècle, lorsque l’extraction souterraine par puits ou galeries a été développée. [54] Le nom alternatif était “pitcoal”, parce qu’il venait des mines.

La cuisson et le chauffage domestique au charbon (en plus du bois de chauffage ou à sa place) ont été pratiqués à diverses époques et endroits de l’histoire de l’humanité, en particulier à des époques et à des endroits où le charbon de surface était disponible et le bois de chauffage était rare, mais une dépendance généralisée à l’égard le charbon pour les foyers domestiques n’a probablement jamais existé jusqu’à ce qu’un tel changement de Combustible se produise à Londres à la fin du XVIe et au début du XVIIe siècle. [64] L’historienne Ruth Goodman a retracé les effets socio-économiques de ce changement et sa propagation ultérieure dans toute la Grande-Bretagne [64] et a suggéré que son importance dans l’élaboration de l’adoption industrielle du charbon a été auparavant sous-estimée. [64] : xiv–xix

Le développement de la révolution industrielle a conduit à l’utilisation à grande échelle du charbon, la machine à vapeur prenant le relais de la roue à aubes . En 1700, les cinq sixièmes du charbon mondial étaient extraits en Grande-Bretagne. La Grande-Bretagne aurait manqué de sites appropriés pour les moulins à eau dans les années 1830 si le charbon n’avait pas été disponible comme source d’énergie. [65] En 1947, il y avait environ 750 000 mineurs en Grande-Bretagne [66] mais la dernière mine de charbon profonde du Royaume-Uni a fermé en 2015. [67]

Un grade entre le charbon bitumineux et l’anthracite était autrefois connu sous le nom de “charbon vapeur” car il était largement utilisé comme carburant pour les locomotives à vapeur . Dans cette utilisation spécialisée, il est parfois connu sous le nom de «charbon de mer» aux États-Unis. [68] Le petit “charbon vapeur”, également appelé petit écrou vapeur sec (ou DSSN), était utilisé comme Combustible pour le chauffage de l’eau domestique .

Le charbon a joué un rôle important dans l’industrie aux XIXe et XXe siècles. Le prédécesseur de l’ Union européenne , la Communauté européenne du charbon et de l’acier , était basé sur le commerce de ce produit de base. [69]

Le charbon continue d’arriver sur les plages du monde entier à la fois à cause de l’érosion naturelle des veines de charbon exposées et des déversements balayés par les vents des cargos. De nombreuses maisons dans ces zones collectent ce charbon comme source importante, et parfois principale, de Combustible de chauffage domestique. [70]

Intensité des émissions

L’ intensité des émissions est le gaz à effet de serre émis pendant la durée de vie d’un générateur par unité d’électricité produite. L’intensité des émissions des centrales au charbon est élevée, car elles émettent environ 1 000 g de CO2eq pour chaque kWh produit, tandis que le gaz naturel a une intensité d’émission moyenne d’environ 500 g CO2eq par kWh. L’intensité des émissions de charbon varie selon le type et la technologie du générateur et dépasse 1 200 g par kWh dans certains pays. [71]

Densité d’énergie

La densité énergétique du charbon est d’environ 24 mégajoules par kilogramme [72] (environ 6,7 kilowattheures par kg). Pour une centrale électrique au charbon avec une efficacité de 40%, il faut environ 325 kg (717 lb) de charbon pour alimenter une ampoule de 100 W pendant un an. [73]

27,6% de l’énergie mondiale était fournie par le charbon en 2017 et l’Asie en a utilisé près des trois quarts. [74]

Chimie

Composition

La composition du charbon est rapportée soit sous la forme d’une analyse immédiate (humidité, matières volatiles, carbone fixe et cendres) soit d’une analyse ultime (cendres, carbone, hydrogène, azote, oxygène et soufre). La “matière volatile” n’existe pas en elle-même (à l’exception d’une partie du méthane adsorbé) mais désigne les composés volatils qui sont produits et chassés par le chauffage du charbon. Un charbon bitumineux typique peut avoir une analyse finale sur une base sèche et sans cendres de 84,4 % de carbone, 5,4 % d’hydrogène, 6,7 % d’oxygène, 1,7 % d’azote et 1,8 % de soufre, sur une base pondérale. [36]

La composition des cendres, donnée en termes d’oxydes, varie : [36]

Composition des cendres, pourcentage en poids

Si O2 20-40
Al2O3 10-35
Fe2O3 5-35
CaO 1-20
MgO 0.3-4
TiO2 0,5-2,5
N / A2O & K2O 1-4
ALORS3 0,1-12 [75]

Les autres composants mineurs incluent :

Contenu moyen

Substance Teneur
Mercure (Hg) 0,10 ± 0,01 ppm [76]
Arsenic (As) 1,4 à 71 ppm [77]
Sélénium (Se) 3 ppm [78]

Charbon à coke et utilisation du coke pour fondre le fer

Four à coke dans une usine de Combustible sans fumée au Pays de Galles , Royaume-Uni

Le coke est un résidu carboné solide dérivé du charbon à coke (un charbon bitumineux à faible teneur en cendres et en soufre, également connu sous le nom de charbon métallurgique ), qui est utilisé dans la fabrication d’ acier et d’autres produits en fer. [79] Le coke est fabriqué à partir de charbon à coke par cuisson dans un four sans oxygène à des températures pouvant atteindre 1 000 °C, chassant les constituants volatils et fusionnant le carbone fixe et les cendres résiduelles. Le coke métallurgique est utilisé comme Combustible et comme agent réducteur dans la fonte du minerai de fer dans un haut fourneau . [80] Le monoxyde de carbone produit par sa combustion réduit l’hématite (unoxyde de fer ) en fer .

Des déchets de dioxyde de carbone sont également produits ( 2 Fe 2 O 3 + 3 C ⟶ 4 Fe + 3 CO 2 {displaystyle {ce {2Fe2O3 + 3C -> 4Fe + 3CO2}}} {displaystyle {ce {2Fe2O3 + 3C -> 4Fe + 3CO2}}} {displaystyle {ce {2Fe2O3 + 3C -> 4Fe + 3CO2}}}) ainsi que la fonte brute , qui est trop riche en carbone dissous et doit donc être traitée davantage pour fabriquer de l’acier.

Le charbon à coke doit être pauvre en cendres, en soufre et en phosphore , afin que ceux-ci ne migrent pas vers le métal. [79] Le coke doit être suffisamment solide pour résister au poids des morts-terrains dans le haut fourneau, c’est pourquoi la cokéfaction du charbon est si importante dans la fabrication de l’acier par la voie conventionnelle. Le coke de charbon est gris, dur et poreux et a un pouvoir calorifique de 29,6 MJ/kg. Certains procédés de cokéfaction produisent des sous-produits, notamment du goudron de houille , de l’ammoniac , des huiles légères et du gaz de houille .

Le coke de pétrole (petcoke) est le résidu solide obtenu lors du raffinage du pétrole , qui ressemble au coke mais contient trop d’impuretés pour être utile dans les applications métallurgiques.

Utilisation dans les composants de fonderie

Le charbon bitumineux finement broyé, connu dans cette application sous le nom de charbon de mer, est un constituant du sable de fonderie . Pendant que le métal fondu est dans le moule , le charbon brûle lentement, libérant des gaz réducteurs sous pression, et empêchant ainsi le métal de pénétrer dans les pores du sable. Il est également contenu dans le « mould wash », une pâte ou un liquide ayant la même fonction appliqué sur le moule avant la coulée. [81] Le charbon de mer peut être mélangé avec le revêtement d’argile (le “bod”) utilisé pour le fond d’un cubilot . Lorsqu’il est chauffé, le charbon se décompose et le corps devient légèrement friable, ce qui facilite le processus de percer des trous ouverts pour tarauder le métal en fusion. [82]

Alternatives au coca

La ferraille peut être recyclée dans un four à arc électrique ; et une alternative à la fabrication du fer par fusion est le fer à réduction directe , où n’importe quel Combustible carboné peut être utilisé pour fabriquer du fer éponge ou granulé. Pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, l’ hydrogène peut être utilisé comme agent réducteur [83] et la biomasse ou les déchets comme source de carbone. [84] Historiquement, le charbon de bois a été utilisé comme alternative au coke dans un haut fourneau, le fer résultant étant connu sous le nom de charbon de bois .

Gazéification

La gazéification du charbon, dans le cadre d’une centrale électrique au charbon à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC), est utilisée pour produire du gaz de synthèse , un mélange de gaz de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2 ) pour alimenter des turbines à gaz afin de produire de l’électricité. Le gaz de synthèse peut également être converti en carburants de transport, tels que l’ essence et le diesel , via le procédé Fischer-Tropsch ; alternativement, le gaz de synthèse peut être converti en méthanol , qui peut être directement mélangé à du carburant ou converti en essence via le procédé méthanol-essence. [85] La gazéification combinée à la technologie Fischer-Tropsch a été utilisée par le Sasolchimique d’ Afrique du Sud pour fabriquer des produits chimiques et des carburants pour véhicules à moteur à partir du charbon. [86]

Lors de la gazéification, le charbon est mélangé avec de l’oxygène et de la vapeur tout en étant également chauffé et pressurisé. Au cours de la réaction, les molécules d’oxygène et d’eau oxydent le charbon en monoxyde de carbone (CO), tout en libérant également de l’ hydrogène gazeux (H 2 ). Cela se faisait autrefois dans les mines de charbon souterraines, ainsi que pour fabriquer du gaz de ville qui était acheminé aux clients pour qu’il soit brûlé pour l’éclairage, le chauffage et la cuisine.

3C ( comme charbon ) + O 2 + H 2 O → H 2 + 3CO

Si le raffineur veut produire de l’essence, le gaz de synthèse est acheminé vers une réaction Fischer-Tropsch. C’est ce qu’on appelle la liquéfaction indirecte du charbon. Si l’hydrogène est le produit final souhaité, cependant, le gaz de synthèse est introduit dans la réaction de changement de gaz à l’eau , où plus d’hydrogène est libéré :

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Liquéfaction

Le charbon peut être converti directement en carburants synthétiques équivalents à l’essence ou au diesel par hydrogénation ou carbonisation . [87] La ​​liquéfaction du charbon émet plus de dioxyde de carbone que la production de carburant liquide à partir de pétrole brut . Le mélange de biomasse et l’utilisation de CSC émettraient légèrement moins que le procédé au pétrole, mais à un coût élevé. [88] China Energy Investment , propriété de l’État, gère une usine de liquéfaction du charbon et prévoit d’en construire 2 autres. [89]

La liquéfaction du charbon peut également faire référence au danger de la cargaison lors de l’expédition de charbon. [90]

Fabrication de produits chimiques

Production de produits chimiques à partir du charbon

Des produits chimiques sont produits à partir du charbon depuis les années 1950. Le charbon peut être utilisé comme matière première dans la production d’une large gamme d’engrais chimiques et d’autres produits chimiques. La principale voie d’accès à ces produits était la gazéification du charbon pour produire du gaz de synthèse . Les produits chimiques primaires qui sont produits directement à partir du gaz de synthèse comprennent le méthanol , l’hydrogène et le monoxyde de carbone , qui sont les éléments constitutifs chimiques à partir desquels toute une gamme de produits chimiques dérivés sont fabriqués, notamment les oléfines , l’acide acétique , le formaldéhyde , l’ammoniac , l’urée et autres. La polyvalence du gaz de synthèseen tant que précurseur de produits chimiques primaires et de produits dérivés de grande valeur offre la possibilité d’utiliser le charbon pour produire une large gamme de produits de base. Au 21ème siècle, cependant, l’utilisation du méthane de houille devient plus importante. [91]

Étant donné que la liste des produits chimiques pouvant être fabriqués par gazéification du charbon peut en général également utiliser des matières premières dérivées du gaz naturel et du pétrole , l’industrie chimique a tendance à utiliser les matières premières les plus rentables. Par conséquent, l’intérêt pour l’utilisation du charbon avait tendance à augmenter en raison de la hausse des prix du pétrole et du gaz naturel et pendant les périodes de forte croissance économique mondiale qui auraient pu peser sur la production de pétrole et de gaz.

Les procédés charbon-chimie nécessitent des quantités importantes d’eau. [92] Une grande partie du charbon à la production chimique se trouve en Chine [93] [94] où les provinces dépendantes du charbon telles que le Shanxi luttent pour contrôler sa pollution. [95]

Production d’électricité

Traitement de précombustion

Le charbon raffiné est le produit d’une technologie de valorisation du charbon qui élimine l’humidité et certains polluants des charbons de rang inférieur tels que les charbons sous-bitumineux et le lignite (brun). Il s’agit d’une forme de plusieurs traitements et procédés de précombustion du charbon qui modifient les caractéristiques du charbon avant qu’il ne soit brûlé. Des améliorations de l’efficacité thermique peuvent être obtenues en améliorant le préséchage (particulièrement pertinent avec les combustibles à forte humidité tels que le lignite ou la biomasse). [96] Les objectifs des technologies du charbon de précombustion sont d’augmenter l’efficacité et de réduire les émissions lorsque le charbon est brûlé. La technologie de précombustion peut parfois être utilisée en complément des technologies de postcombustion pour contrôler les émissions des chaudières au charbon.

Combustion de centrale électrique

Centrale électrique de Castle Gate près de Helper, Utah, États-Unis Wagons à charbon Bulldozer poussant du charbon dans la centrale électrique de Ljubljana , Slovénie

Le charbon brûlé comme Combustible solide dans les centrales électriques au charbon pour produire de l’électricité est appelé charbon thermique . Le charbon est également utilisé pour produire des températures très élevées par combustion. Les décès précoces dus à la pollution de l’air ont été estimés à 200 par GW-an, mais ils peuvent être plus élevés autour des centrales électriques où les épurateurs ne sont pas utilisés ou inférieurs s’ils sont éloignés des villes. [97] Les efforts déployés dans le monde entier pour réduire l’utilisation du charbon ont conduit certaines régions à passer au gaz naturel et à l’électricité provenant de sources à faible émission de carbone.

Lorsque le charbon est utilisé pour la production d’ électricité , il est généralement pulvérisé puis brûlé dans un four avec une chaudière (voir aussi Chaudière à charbon pulvérisé ). [98] La chaleur du four convertit l’eau de la chaudière en vapeur , qui est ensuite utilisée pour faire tourner des turbines qui font tourner des générateurs et créent de l’électricité. [99] Le rendement thermodynamique de ce procédé varie entre environ 25 % et 50 % selon le traitement de pré-combustion, la technologie des turbines (par exemple générateur de vapeur supercritique ) et l’âge de la centrale. [100] [101]

Quelques centrales électriques à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC) ont été construites, qui brûlent le charbon plus efficacement. Au lieu de pulvériser le charbon et de le brûler directement comme Combustible dans la chaudière génératrice de vapeur, le charbon est gazéifié pour créer du gaz de synthèse , qui est brûlé dans une turbine à gaz pour produire de l’électricité (tout comme le gaz naturel est brûlé dans une turbine). Les gaz d’échappement chauds de la turbine sont utilisés pour élever la vapeur dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur qui alimente une turbine à vapeur supplémentaire . L’efficacité globale de l’usine lorsqu’elle est utilisée pour fournir de la chaleur et de l’électricité combinées peut atteindre jusqu’à 94 %. [102]Les centrales IGCC émettent moins de pollution locale que les centrales conventionnelles au charbon pulvérisé ; cependant, la technologie de capture et de stockage du carbone après gazéification et avant combustion s’est jusqu’à présent révélée trop coûteuse pour être utilisée avec le charbon. [103] D’autres façons d’utiliser le charbon sont le Combustible en suspension charbon-eau (CWS), qui a été développé en Union soviétique , ou dans un cycle de remplissage MHD . Cependant, ceux-ci ne sont pas largement utilisés en raison du manque de profit.

En 2017, 38 % de l’électricité mondiale provenait du charbon, soit le même pourcentage qu’il y a 30 ans. [104] En 2018, la capacité installée mondiale était de 2 TW (dont 1 TW en Chine), soit 30 % de la capacité totale de production d’électricité. [105] Le grand pays le plus dépendant est l’Afrique du Sud, avec plus de 80 % de son électricité produite par le charbon ; [106] mais la Chine génère à elle seule plus de la moitié de l’électricité mondiale produite à partir du charbon. [107]

L’utilisation maximale du charbon a été atteinte en 2013. [108] En 2018, le facteur de capacité des centrales électriques au charbon était en moyenne de 51 %, c’est-à-dire qu’elles ont fonctionné pendant environ la moitié de leurs heures de fonctionnement disponibles. [109]

Industrie du charbon

Exploitation minière

Environ 8 000 tonnes de charbon sont produites chaque année, dont environ 90 % de houille et 10 % de lignite. En 2018 [update], un peu plus de la moitié provenait de mines souterraines. [110] Plus d’accidents se produisent pendant l’exploitation minière souterraine que l’exploitation minière à ciel ouvert. Tous les pays ne publient pas de statistiques sur les accidents miniers, de sorte que les chiffres mondiaux sont incertains, mais on pense que la plupart des décès surviennent dans des accidents de mines de charbon en Chine : en 2017, il y a eu 375 décès liés aux mines de charbon en Chine. [111] La plupart du charbon extrait est du charbon thermique (également appelé charbon vapeur car il est utilisé pour produire de la vapeur pour produire de l’électricité) mais du charbon métallurgique (également appelé “metcoal” ou “charbon à coke” car il est utilisé pour fabriquer du coke pour fabriquer du fer) représente 10 à 15 % de la consommation mondiale de charbon. [112]

En tant que marchandise échangée

De vastes quais à charbon vus à Toledo, Ohio , 1895

Learn more.

Drapeau de l’Ulster

Reine femelle (glisser)

Trident (programme nucléaire britannique)

L’universite de Wisconsin-Madison

La Chine exploite près de la moitié du charbon mondial, suivie par l’Inde avec environ un dixième. [113] L’Australie représente environ un tiers des exportations mondiales de charbon, suivie de l’Indonésie et de la Russie ; tandis que les plus gros importateurs sont le Japon et l’Inde.

Le prix du charbon métallurgique est volatil [114] et bien supérieur au prix du charbon thermique car le charbon métallurgique doit être moins soufré et nécessite plus de nettoyage. [115] Les contrats à terme sur le charbon fournissent aux producteurs de charbon et à l’ industrie de l’électricité un outil important de couverture et de gestion des risques .

Dans certains pays, la nouvelle production éolienne ou solaire terrestre coûte déjà moins cher que l’électricité au charbon des centrales existantes (voir Coût de l’électricité par source ). [116] [117] Cependant, pour la Chine, cela est prévu pour le début des années 2020 [118] et pour l’Asie du Sud-Est pas avant la fin des années 2020. [119] En Inde, la construction de nouvelles centrales n’est pas rentable et, bien qu’elles soient subventionnées, les centrales existantes perdent des parts de marché au profit des énergies renouvelables. [120]

Tendances du marché

Parmi les pays qui produisent du charbon , la Chine exploite de loin le plus, près de la moitié du charbon mondial, suivi de moins de 10 % par l’Inde. La Chine est également de loin le plus gros consommateur. Par conséquent, les tendances du marché dépendent de la politique énergétique chinoise . [121] Bien que l’effort de réduction de la pollution signifie que la tendance mondiale à long terme est de brûler moins de charbon, les tendances à court et moyen termes peuvent différer, en partie en raison du financement chinois de nouvelles centrales électriques au charbon dans d’autres pays. [105]

Principaux producteurs

Production de charbon par région

Les pays dont la production annuelle est supérieure à 300 millions de tonnes sont indiqués.

Production de charbon par pays et par an (millions de tonnes) [122] [113] [123] [124]

Pays 2000 2005 2010 2015 2017 Partager (2017)
Chine 1 384 2 350 3 235 3 747 3 523 46%
Inde 335 429 574 678 716 9%
États-Unis 974 1 027 984 813 702 9%
Australie 314 375 424 485 481 6%
Indonésie 77 152 275 392 461 6%
Russie 262 298 322 373 411 5%
Reste du monde 1380 1404 1441 1374 1433 19%
Somme mondiale 4 726 6 035 7 255 7 862 7 727 100%

Grands consommateurs

Les pays dont la consommation annuelle est supérieure à 500 millions de tonnes sont indiqués. Les parts sont basées sur des données exprimées en tonnes équivalent pétrole.

Consommation de charbon par pays et par an (millions de tonnes) [125] [126]

Pays 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Partager
Chine 2 691 2 892 3 352 3 677 4 538 4 678 4 539 3 970 charbon + 441 met coke = 4 411 3 784 charbon + 430 met coke = 4 214 51%
Inde 582 640 655 715 841 837 880 890 charbon + 33 met coke = 923 877 charbon + 37 met coke = 914 11%
États-Unis 1 017 904 951 910 889 924 918 724 charbon + 12 met coke = 736 663 charbon + 10 met coke = 673 9%
Total mondial 7 636 7 699 8 137 8 640 8 901 9 013 8 907 7 893 charbon + 668 met coke = 8 561 7 606 charbon + 655 met coke = 8 261 100%

Principaux exportateurs

Exportations de charbon par pays et par an (millions de tonnes) [127]

Pays 2018
Indonésie 472
Australie 426
Russie 231
États-Unis 115
Colombie 92
Afrique du Sud 88
Mongolie 39
Canada 37
Mozambique 16

Les exportateurs risquent une réduction de la demande d’importation en provenance de l’Inde et de la Chine. [128]

Principaux importateurs

Importations de charbon par pays et par année (millions de tonnes) [129] [130]

Pays 2018
Chine 281
Inde 223
Japon 189
Corée du Sud 149
Taïwan 76
Allemagne 44
Pays-Bas 44
Turquie 38
Malaisie 34
Thaïlande 25

Dommages à la santé humaine

L’utilisation du charbon comme Combustible cause des problèmes de santé et des décès. [131] L’extraction et le traitement du charbon entraînent une pollution de l’air et de l’eau. [132] Les centrales au charbon émettent des oxydes d’azote, du dioxyde de soufre, des particules polluantes et des métaux lourds, qui nuisent à la santé humaine. [132] L’extraction du méthane de houille est importante pour éviter les accidents miniers.

Le smog mortel de Londres a été causé principalement par l’utilisation intensive du charbon. À l’échelle mondiale, on estime que le charbon cause 800 000 décès prématurés chaque année, [133] principalement en Inde [134] et en Chine. [135] [136] [137]

La combustion du charbon est un émetteur majeur de dioxyde de soufre , qui crée des particules PM2,5 , la forme la plus dangereuse de pollution atmosphérique. [138]

Les émissions de cheminées de charbon provoquent de l’asthme , des accidents vasculaires cérébraux , une intelligence réduite , des blocages d’ artères , des crises cardiaques , une insuffisance cardiaque congestive , des arythmies cardiaques , un empoisonnement au mercure , une occlusion artérielle et un cancer du poumon . [139] [140]

Les coûts de santé annuels en Europe liés à l’utilisation du charbon pour produire de l’électricité sont estimés à 43 milliards d’euros. [141]

En Chine, les améliorations de la qualité de l’air et de la santé humaine augmenteraient avec des politiques climatiques plus strictes, principalement parce que l’énergie du pays dépend fortement du charbon. Et il y aurait un avantage économique net. [142]

Une étude de 2017 dans l ‘ Economic Journal a révélé que pour la Grande-Bretagne au cours de la période 1851-1860, “une augmentation d’un écart type de l’utilisation du charbon a augmenté la mortalité infantile de 6 à 8% et que l’utilisation du charbon industriel explique environ un tiers de la pénalité de mortalité urbaine observée pendant cette période. » [143]

Respirer de la poussière de charbon provoque la pneumoconiose du charbonnier ou “poumon noir”, soi-disant parce que la poussière de charbon rend littéralement les poumons noirs de leur couleur rose habituelle. [144] Aux États-Unis seulement, on estime que 1 500 anciens employés de l’industrie houillère meurent chaque année des effets de l’inhalation de poussière de mine de charbon. [145]

D’énormes quantités de cendres de charbon et d’autres déchets sont produites chaque année. L’utilisation du charbon génère chaque année des centaines de millions de tonnes de cendres et d’autres déchets. Ceux-ci comprennent les cendres volantes , les cendres résiduelles et les boues de désulfuration des gaz de combustion , qui contiennent du mercure , de l’uranium , du thorium , de l’arsenic et d’autres métaux lourds , ainsi que des non-métaux tels que le sélénium . [146]

Environ 10 % du charbon sont des cendres : [147] la cendre de charbon est dangereuse et toxique pour les êtres humains et certains autres êtres vivants. [148] La cendre de charbon contient les éléments radioactifs uranium et thorium . La cendre de charbon et d’autres sous-produits de la combustion solide sont stockés localement et s’échappent de diverses manières qui exposent les personnes vivant à proximité des centrales au charbon aux radiations et aux toxiques environnementaux. [149]

Dommages à l’environnement

Photographie aérienne du site du déversement de boues de cendres volantes de charbon de l’ usine fossile de Kingston prise le lendemain de l’événement

L’extraction de charbon et l’alimentation en charbon des centrales électriques et des processus industriels peuvent causer des dommages environnementaux majeurs. [150]

Les systèmes d’approvisionnement en eau sont affectés par l’extraction du charbon. [151] Par exemple, l’exploitation minière affecte les niveaux et l’acidité des nappes phréatiques et phréatiques . Les déversements de cendres volantes, comme le déversement de boues de cendres volantes de charbon de l’usine fossile de Kingston , peuvent également contaminer les terres et les voies navigables et détruire des maisons. Les centrales électriques qui brûlent du charbon consomment également de grandes quantités d’eau. Cela peut affecter le débit des rivières et avoir des impacts conséquents sur d’autres utilisations des terres. Dans les zones de pénurie d’eau , telles que le désert du Thar au Pakistan , les mines de charbon et les centrales électriques au charbon utiliseraient des quantités importantes d’eau. [152]

L’un des premiers impacts connus du charbon sur le cycle de l’eau a été les pluies acides . En 2014, environ 100 Tg /S de dioxyde de soufre (SO 2 ) ont été rejetés, dont plus de la moitié provenait de la combustion du charbon. [153] Après libération, le dioxyde de soufre est oxydé en H 2 SO 4 qui diffuse le rayonnement solaire, d’où son augmentation dans l’atmosphère exerce un effet de refroidissement sur le climat. Cela masque avantageusement une partie du réchauffement causé par l’augmentation des gaz à effet de serre. Cependant, le soufre est précipité hors de l’atmosphère sous forme de pluie acide en quelques semaines, [154]tandis que le dioxyde de carbone reste dans l’atmosphère pendant des centaines d’années. La libération de SO 2 contribue également à l’acidification généralisée des écosystèmes. [155]

Les mines de charbon désaffectées peuvent également causer des problèmes. Un affaissement peut se produire au-dessus des tunnels, causant des dommages aux infrastructures ou aux terres cultivées. L’extraction du charbon peut également provoquer des incendies de longue durée, et il a été estimé que des milliers d’ incendies de filons de charbon brûlent à un moment donné. [156] Par exemple, Brennender Berg brûle depuis 1668 et brûle toujours au 21e siècle. [157]

La production de coke à partir de charbon produit de l’ammoniac , du goudron de houille et des composés gazeux comme sous-produits qui, s’ils sont rejetés dans le sol, l’air ou les cours d’eau, peuvent polluer l’environnement. [158] L’ aciérie de Whyalla est un exemple d’installation de production de coke où l’ammoniac liquide était rejeté dans le milieu marin. [159]

Feux souterrains

Des milliers de feux de charbon brûlent dans le monde. [160] Ceux qui brûlent sous terre peuvent être difficiles à localiser et beaucoup ne peuvent pas être éteints. Les incendies peuvent provoquer l’affaissement du sol au-dessus, leurs gaz de combustion sont dangereux pour la vie et éclater à la surface peut déclencher des incendies de surface . Les veines de charbon peuvent être incendiées par combustion spontanée ou par contact avec un feu de mine ou un feu de surface. La foudre est une importante source d’inflammation. Le charbon continue à brûler lentement dans la veine jusqu’à ce que l’oxygène (air) ne puisse plus atteindre le front de flamme. Un feu d’herbe dans une zone houillère peut enflammer des dizaines de veines de charbon. [161] [162]Les feux de charbon en Chine brûlent environ 120 millions de tonnes de charbon par an, émettant 360 millions de tonnes métriques de CO 2 , soit 2 à 3 % de la production mondiale annuelle de CO 2 à partir de combustibles fossiles . [163] [164] À Centralia, Pennsylvanie (un arrondissement situé dans la région houillère des États-Unis), une veine exposée d’anthracite s’est enflammée en 1962 en raison d’un feu de déchets dans la décharge de l’arrondissement, située dans une mine à ciel ouvert abandonnée. . Les tentatives d’extinction de l’incendie ont échoué et il continue de brûler sous terre à ce jour . La montagne brûlante australienneOn croyait à l’origine qu’il s’agissait d’un volcan, mais la fumée et les cendres proviennent d’un feu de charbon qui brûle depuis environ 6 000 ans. [165]

À Kuh i Malik, dans la vallée de Yagnob , au Tadjikistan , des gisements de charbon brûlent depuis des milliers d’années, créant de vastes labyrinthes souterrains remplis de minéraux uniques, dont certains sont très beaux.

La roche de siltstone rougeâtre qui coiffe de nombreuses crêtes et buttes dans le bassin de Powder River dans le Wyoming et dans l’ouest du Dakota du Nord est appelée porcelanite , qui ressemble au « clinker » de déchets de charbon ou à la « scorie » volcanique. [166] Le clinker est une roche qui a été fondue par la combustion naturelle du charbon. Dans le bassin de la rivière Powder, environ 27 à 54 milliards de tonnes de charbon ont brûlé au cours des trois derniers millions d’années. [167] Des incendies de charbon sauvage dans la région ont été signalés par l’ expédition Lewis et Clark ainsi que par des explorateurs et des colons de la région. [168]

Changement climatique

L’effet le plus important et le plus à long terme de l’utilisation du charbon est la libération de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre qui cause le changement climatique . Les centrales électriques au charbon ont été le principal contributeur à la croissance des émissions mondiales de CO 2 en 2018, [169] 40 % des émissions totales de combustibles fossiles, [8] et plus d’un quart des émissions totales. [170] [note 1] L’extraction du charbon peut émettre du méthane, un autre gaz à effet de serre. [171] [172]

En 2016, les émissions mondiales brutes de dioxyde de carbone provenant de l’utilisation du charbon étaient de 14,5 gigatonnes. [173] Pour chaque mégawattheure produit, la production d’électricité au charbon émet environ une tonne de dioxyde de carbone, soit le double des quelque 500 kg de dioxyde de carbone émis par une centrale électrique au gaz naturel . [174] En 2013, le chef de l’agence climatique des Nations Unies a conseillé de laisser la plupart des réserves mondiales de charbon dans le sol pour éviter un réchauffement climatique catastrophique. [175] Pour maintenir le réchauffement climatique en dessous de 1,5 °C ou 2 °C, des centaines, voire des milliers, de centrales électriques au charbon devront être mises hors service plus tôt. [176]

Atténuation de la pollution

Contrôle des émissions dans une centrale électrique au charbon Ces paragraphes sont extraits de Coal pollution mitigation . [ modifier ]

L’atténuation de la pollution par le charbon , parfois appelée charbon propre, est une série de systèmes et de technologies qui visent à atténuer l’ impact sanitaire et environnemental du charbon ; [177] en particulier la pollution de l’air provenant des centrales électriques au charbon et du charbon brûlé par l’industrie lourde .

L’accent est mis principalement sur le dioxyde de soufre (SO 2 ) et les oxydes d’azote (NO x ), les gaz les plus importants à l’origine des pluies acides ; et les particules qui causent une pollution atmosphérique visible, des maladies et des décès prématurés. Le SO 2 peut être éliminé par désulfuration des gaz de combustion et le NO 2 par réduction catalytique sélective (SCR). Les particules peuvent être éliminées avec des précipitateurs électrostatiques . Bien que peut-être moins efficace, les épurateurs humides peuvent éliminer à la fois les gaz et les particules. La réduction des cendres volantes réduit les émissions de matières radioactives . Les émissions de mercure peuvent être réduites jusqu’à 95 %. [178] Cependant , la capture des émissions de dioxyde de carbone du charbon n’est généralement pas économiquement viable.

Normes

Les normes de pollution locales incluent GB13223-2011 (Chine), Inde, [179] la Directive sur les émissions industrielles (UE) et la Clean Air Act (États-Unis) .

Surveillance satellitaire

La surveillance par satellite est maintenant utilisée pour recouper les données nationales, par exemple Sentinel-5 Precursor a montré que le contrôle chinois du SO 2 n’a été que partiellement réussi. [180] Il a également révélé que la faible utilisation de technologies telles que la SCR a entraîné des émissions élevées de NO 2 en Afrique du Sud et en Inde. [181]

Centrales à cycle combiné

Quelques centrales électriques au charbon à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC) ont été construites avec la gazéification du charbon . Bien qu’ils brûlent le charbon plus efficacement et émettent donc moins de pollution, la technologie ne s’est généralement pas avérée économiquement viable pour le charbon, sauf peut-être au Japon, bien que cela soit controversé. [182] [183]

La capture et le stockage du carbone

Bien qu’il fasse toujours l’objet de recherches intensives et soit considéré comme économiquement viable pour certaines utilisations autres qu’avec le charbon; la capture et le stockage du carbone ont été testés dans les centrales électriques au charbon de Petra Nova et de Boundary Dam et se sont avérés techniquement réalisables mais pas économiquement viables pour une utilisation avec du charbon, en raison de la réduction du coût de la technologie solaire photovoltaïque. [184]

Économie

En 2018 , 80 milliards de dollars américains ont été investis dans l’approvisionnement en charbon, mais presque tous pour maintenir les niveaux de production plutôt que pour ouvrir de nouvelles mines. [185] À long terme, le charbon et le pétrole pourraient coûter au monde des billions de dollars par an. [186] [187] Le charbon seul peut coûter des milliards à l’Australie, [188] alors que les coûts pour certaines petites entreprises ou villes pourraient être de l’ordre de millions de dollars. [189] Les économies les plus endommagées par le charbon (via le changement climatique) pourraient être l’Inde et les États-Unis, car ce sont les pays où le coût social du carbone est le plus élevé . [190] Les prêts bancaires pour financer le charbon constituent un risque pour l’économie indienne. [134]

La Chine est le plus grand producteur de charbon au monde. C’est le plus grand consommateur d’énergie au monde et le charbon en Chine fournit 60% de son énergie primaire. Cependant, on estime que les deux cinquièmes des centrales électriques au charbon de la Chine sont déficitaires. [118]

La pollution atmosphérique due au stockage et à la manutention du charbon coûte aux États-Unis près de 200 dollars pour chaque tonne supplémentaire stockée, en raison des PM2,5. [191] La pollution au charbon coûte 43 milliards d’euros chaque année. [192] Les mesures visant à réduire la pollution de l’air profitent financièrement aux individus et aux économies de pays [193] [194] comme la Chine. [195]

Subventions

Au sens large, les subventions totales au charbon en 2015 ont été estimées à environ 2 500 milliards de dollars EU , soit environ 3 % du PIB mondial . [196] En 2019 , les pays du G20 fournissent au moins 63,9 milliards de dollars américains [169] de soutien gouvernemental par an à la production de charbon, y compris l’électricité au charbon : de nombreuses subventions sont impossibles à quantifier [197] mais elles comprennent 27,6 milliards de dollars américains en financements publics nationaux et internationaux, 15,4 milliards de dollars de soutien budgétaire et 20,9 milliards de dollars d’investissements dans les entreprises publiques par an. [169][update] Dans l’UE, les aides d’État aux nouvelles centrales au charbon sont interdites à partir de 2020 et aux centrales à charbon existantes à partir de 2025 . ] la Banque japonaise pour la coopération internationale et les banques indiennes du secteur public. [200] Le charbon au Kazakhstan a été le principal bénéficiaire de subventions à la consommation de charbon totalisant 2 milliards de dollars EU en 2017. [201] Le charbon en Turquie a bénéficié d’importantes subventions en 2021. [202]

Actifs bloqués

Certaines centrales électriques au charbon pourraient devenir des actifs bloqués , par exemple China Energy Investment , la plus grande compagnie d’électricité au monde, risque de perdre la moitié de son capital. [118] Cependant, des services publics d’électricité publics tels qu’Eskom en Afrique du Sud, Perusahaan Listrik Negara en Indonésie, Sarawak Energy en Malaisie, Taipower à Taïwan, EGAT en Thaïlande, Vietnam Electricity et EÜAŞ en Turquie construisent ou prévoient de nouvelles centrales. [203] À partir de 2021, cela pourrait contribuer à provoquer une bulle de carbonequi pourrait provoquer une instabilité financière en cas d’éclatement. [204] [205] [206]

Politique

Les pays qui construisent ou financent de nouvelles centrales électriques au charbon, comme la Chine, l’Inde, l’Indonésie, le Vietnam, la Turquie et le Bangladesh, font face à des critiques internationales croissantes pour avoir entravé les objectifs de l’ Accord de Paris . [105] [207] [208] En 2019, les nations insulaires du Pacifique (en particulier le Vanuatu et les Fidji ) ont critiqué l’Australie pour ne pas avoir réduit ses émissions à un rythme plus rapide qu’elle ne l’était, invoquant des inquiétudes concernant les inondations et l’érosion côtières. [209] En mai 2021, les membres du G7 ont convenu de mettre fin au nouveau soutien gouvernemental direct à la production internationale d’électricité au charbon. [210]

Opposition au charbon

Protestation contre les dommages causés à la Grande Barrière de Corail par le changement climatique en Australie Cabanes dans les arbres pour protester contre l’abattage d’une partie de la forêt de Hambach pour la mine à ciel ouvert de Hambach en Allemagne : après quoi l’abattage a été suspendu en 2018

L’opposition à la pollution par le charbon a été l’une des principales raisons pour lesquelles le mouvement écologiste moderne a commencé au 19e siècle.

Transition loin du charbon

Afin d’atteindre les objectifs climatiques mondiaux et de fournir de l’électricité à ceux qui ne l’ont pas actuellement, l’énergie au charbon doit être réduite de près de 10 000 TWh à moins de 2 000 TWh d’ici 2040. [211] L’élimination progressive du charbon présente des avantages à court terme pour la santé et l’environnement qui dépassent les coûts, [212] mais certains pays préfèrent toujours le charbon, [213] et il y a beaucoup de désaccord sur la rapidité avec laquelle il devrait être éliminé. [214] [215] Cependant, de nombreux pays, tels que la Powering Past Coal Alliance , se sont déjà éloignés du charbon ou sont en train de le faire ; [216] la plus grande transition annoncée jusqu’à présent est l’Allemagne, qui doit fermer sa dernière centrale électrique au charbon entre 2035 et 2038. [217]Certains pays utilisent les idées d’une ” transition juste “, par exemple pour utiliser certains des avantages de la transition pour fournir des retraites anticipées aux mineurs de charbon. [218] Cependant, les îles du Pacifique de faible altitude craignent que la transition ne soit pas assez rapide et qu’elles soient inondées par l’élévation du niveau de la mer ; ils ont donc appelé les pays de l’ OCDE à éliminer complètement le charbon d’ici 2030 et les autres pays d’ ici 2040 . les pays devraient cesser de produire de l’électricité à partir du charbon d’ici 2030 et le reste du monde d’ici 2040.[219] L’ élimination progressive du charbon a été convenue lors de la COP26 dans le Pacte climatique de Glasgow .

Charbon de pointe

Une mine de charbon dans le Wyoming , aux États-Unis. Les États-Unis possèdent les plus grandes réserves de charbon au monde. Cette section est un extrait de Peak coal . [ modifier ]

Le pic de charbon est le pic de consommation ou de production de charbon par une communauté humaine. La consommation mondiale de charbon a culminé en 2013 et avait légèrement baissé à la fin des années 2010. [220] [221] Le pic de la part du charbon dans le bouquet énergétique mondial remonte à 2008, lorsque le charbon représentait 30 % de la production énergétique mondiale. [220] La baisse de l’utilisation du charbon est largement due à la baisse de la consommation aux États-Unis et en Europe, ainsi que dans les économies développées d’Asie. [220] En 2019, les augmentations de production dans des pays comme la Chine, l’Indonésie, l’Inde, la Russie et l’Australie ont compensé les baisses aux États-Unis et en Europe. [221] Cependant, le déclin structurel du charbon s’est poursuivi dans les années 2020. [222]

Le pic de charbon peut être entraîné par un pic de demande ou un pic d’approvisionnement. Historiquement, il était largement admis que l’offre entraînerait éventuellement un pic de charbon en raison de l’épuisement des réserves de charbon . Cependant, depuis les efforts mondiaux croissants pour limiter le changement climatique , le pic de charbon a été tiré par la demande, qui est restée inférieure au pic de consommation de 2013. [220] Cela est dû en grande partie à l’expansion rapide du gaz naturel et des énergies renouvelables. [220] De nombreux pays se sont engagés à éliminer progressivement le charbon , malgré les estimations selon lesquelles les réserves de charbon devraient avoir la capacité de durer des siècles aux niveaux de consommation actuels. Dans certains pays [qui? ]la consommation de charbon pourrait encore augmenter au début des années 2020. [223]

Passer à des carburants plus propres et à une production d’électricité à faible émission de carbone

La production au charbon émet environ deux fois plus de dioxyde de carbone – environ une tonne pour chaque mégawattheure généré – que l’électricité produite en brûlant du gaz naturel à 500 kg de gaz à effet de serre par mégawattheure. [224] En plus de produire de l’électricité, le gaz naturel est également populaire dans certains pays pour le chauffage et comme carburant automobile .

L’utilisation du charbon au Royaume-Uni a diminué en raison du développement du pétrole de la mer du Nord et de la course au gaz qui a suivi au cours des années 1990. Au Canada, certaines centrales au charbon , comme la Hearn Generating Station , sont passées du charbon au gaz naturel. En 2017, l’énergie au charbon aux États-Unis a fourni 30 % de l’électricité, contre environ 49 % en 2008, [225] [226] [227] en raison des approvisionnements abondants en gaz naturel à faible coût obtenu par fracturation hydraulique des formations de schiste étanches . . [228]

Régions charbonnières en transition

Certaines régions charbonnières sont fortement dépendantes du charbon. [229]

Emploi

Certains mineurs de charbon craignent que leurs emplois ne soient perdus pendant la transition. [230] Une transition juste à partir du charbon est soutenue par la Banque européenne pour la reconstruction et le développement . [231]

Bioremédiation

Le champignon de la pourriture blanche Trametes versicolor peut se développer et métaboliser le charbon naturel. [232] La bactérie Diplococcus s’est avérée dégrader le charbon, augmentant sa température. [233]

Utilisation culturelle

Le charbon est le minéral officiel de l’État du Kentucky [234] et la roche officielle de l’État de l’Utah ; [235] les deux États américains ont un lien historique avec l’extraction du charbon.

Certaines cultures soutiennent que les enfants qui se conduisent mal ne recevront qu’un morceau de charbon du Père Noël pour Noël dans leurs bas de Noël au lieu de cadeaux.

Il est également de coutume et considéré comme chanceux en Écosse et dans le nord de l’Angleterre d’offrir du charbon en cadeau le jour de l’an . Cela se produit dans le cadre de First-Footing et représente la chaleur pour l’année à venir.

Voir également

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  • Biochar – Résidu noir léger, composé de carbone et de cendres, après pyrolyse de la biomasse
  • Carbochimie
  • Atténuation de la pollution par le charbon – Série de systèmes et de technologies pour atténuer la pollution associée à la combustion du charbon
  • Dosage du charbon
  • Mélange de charbon
  • Homogénéisation du charbon
  • Mesures du charbon (unité stratigraphique)
  • Élimination du charbon
  • Goudron de houille
  • Problèmes environnementaux avec le charbon
  • Combustion en lit fluidisé – Technologie utilisée pour brûler des combustibles solides
  • Combustible fossile – Combustible formé au cours de millions d’années à partir de plantes et d’animaux morts
  • Élimination progressive des combustibles fossiles – Réduction progressive de l’utilisation des combustibles fossiles à zéro
  • Gytta
  • Principales régions productrices de charbon
  • Exploitation minière à ciel ouvert – Type d’exploitation minière à ciel ouvert
  • La question du charbon
  • Tonstein – Roche sédimentaire dure et compacte composée principalement de kaolinite ou, moins fréquemment, d’autres minéraux argileux
  • Association mondiale du charbon

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Remarques

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Lectures complémentaires

  • Thurber, Mark (2019). Charbon . Presse politique. ISBN 978-1509514014.
  • Freese, Barbara (2003). Charbon : une histoire humaine . Livres de pingouins. ISBN 978-0-7382-0400-0. OCLC 51449422 .

Liens externes

Le Wikibook Historical Geology a une page sur le thème: Tourbe et charbon
Le Wikibook High School Earth Science a une page sur le thème: Charbon
Wikimedia Commons a des médias liés au charbon .
Recherchez le charbon dans Wiktionary, le dictionnaire gratuit.
  • Transitions charbon
  • Association mondiale du charbon
  • Charbon – Agence internationale de l’énergie
  • Coal Online – Agence internationale de l’énergie Archivé le 19 janvier 2008 sur la Wayback Machine
  • Recherche sur le charbon au Laboratoire national des technologies énergétiques
  • CharbonSortie
  • Association européenne du charbon et du lignite
  • Actualité du charbon et magazine de l’industrie
  • Suivi mondial des centrales au charbon
  • Centre de recherche sur l’énergie et l’air pur
  • “Charbon” . Encyclopædia Britannica . Vol. 6 (11e éd.). 1911. pp. 574–93.
  • “Charbon” . Nouvelle Encyclopédie Internationale . 1905.
  • “Charbon” . Nouvelle Encyclopédie de Collier . 1921.
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