Houille

La houille (mot wallon francisé), est une roche carbonée. C'est aussi 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 forme une des principales sources d'énergie des pays industrialisés.

Caractérisation de la houille

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 définit par :

• sa teneur en matières volatiles (MV) exprimée en pourcentage comparé à la masse totale. Celles-ci sont formées énormément 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 apportée 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 surtout, voire un peu de métaux radioactifs.
• sa teneur en soufre exprimée en pourcentage ; la présence de dioxyde de soufre dans les fumées de combustion contribue à la pollution de l'environnement.

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

Produits	Teneur en carbone (en %)	Pouvoir calorifique (en kJ/kg)
Anthracite	93 - 97	33 500 - 34 900
Charbon maigre et houille anthraciteuse	90 - 93	34 900 - 36 000
Charbon demi-gras ou semi-bitumineux	80 - 90	35 000 - 37 000
Charbon gras ou bitumineux à coke	75 - 90	32 000 - 37 000
Flambant	70 - 80	32 700 - 34 000
Lignite	50 - 60	< 25 110
Tourbe	< 50	12 555

Utilisations de la houille

La houille est en particulier utilisée aujourd'hui :

• dans les centrales thermiques utilisées pour la production d'électricité ou le chauffage urbain ;
• dans la sidérurgie, principalement 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 comparé 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 reconnu comme dépassé, l'intérêt du charbon revient lorsque les besoins énergétiques atteignent les capacités maximales de production de pétrole ou de gaz naturel, renchérissant leur coût. L'utilisation du charbon, surtout 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 quasi n'a changé en matière d'émission de gaz à effet de serre. Une centrale au charbon actuelle émet nettement 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 par conséquent (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

Ainsi, les États-Unis n'avaient construit qu'une poignée de nouvelles centrales électriques au charbon au cours des années 1990, les compagnies électriques préférant construire des centrales à gaz. 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 fréquemment aux refus des populations proches et des autorités locales. C'est cependant peu en comparaison avec la Chine. La recherche s'oriente vers une utilisation plus écologique du charbon et vers le 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 majorité 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^[5]. Les plus importantes entreprises charbonnières sont Shenhua Group et Yankuang.

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

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 aussi 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 dans ce cas traité et purifié pour l'obtention de naphta et de diesel.
• La voie indirecte consiste, tout d'abord, 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, surtout au cours de la Seconde Guerre mondiale.

Le pétrole, dans ce cas 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 surtout 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 actuellement à partir du charbon environ 30% de la consommation en hydrocarbures liquides du pays, par la voie indirecte et la synthèse Fischer-Tropsch.

En 2008, le chinois Shenhua démarrera sa première unité de liquéfaction du charbon, celle-ci avec un procédé direct.

Le CTL est fortement producteur de gaz carbonique. 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 géostratégique. Nombreux en effet sont les pays riches en charbon et assez pauvres en pétrole, comme les trois géants que sont les États-Unis, la Chine et l'Inde. C'est dans ces pays qu'on trouve l'essentiel de la trentaine de projets à l'étude en 2008.

Le prix mondial de la Liquéfaction du charbon (World CTL Award) a été remis, pour l'année 2008, au Dr Sadao Wasaka, du NEDO (Japon), en conclusion de la conférence World CTL 2008. Le prix 2009 sera remis à Washington DC (USA) lors de la conférence World CTL 2009.

Exploitation de la houille

Jusque vers l'an 2000, la production mondiale de houille était globalement assez stable, en augmentation dans les pays en développement, mais en diminution dans les pays occidentaux riches à cause de son caractère polluant et moins pratique que les carburants gazeux ou liquides, ou à cause 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) ainsi qu'à l'Allemagne (où l'exploitation devrait durer jusqu'en 2018). Néanmoins, ces dernières années, la production a fortement augmenté, essentiellement 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 :

Pays	Production Mt	Notes
Chine	2226
États-Unis	1028	Plus grand producteur jusqu'en 1990
Inde	430	Charbons de basse qualité (Arsenic, Soufre)
Australie (Queensland)	372	Premier exportateur
Afrique du Sud	315
Russie	220
Indonésie	318	Majorité de lignite
Pologne (Silésie)	160

Contrairement au pétrole, le charbon est majoritairement consommé dans le 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.

Santé

Outre que les risques d'accidents (effondrements et coups de grisou) restent important dans les mines de charbon, 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. Les mineurs utilisaient autrefois un canari en cage, qui, lorsque 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.

En aval, les fumées issues de la combustion de la houille sont aussi acides et polluantes, contenant surtout des traces de vapeur de mercure et de quelque métaux lourds et/ou radioactifs dans certains charbons. Les cendres de centrales thermiques au charbon sont aussi quelquefois chargées en métaux lourds, avec des traces, quelquefois importantes de radioactivité, de HAP ou d'autres polluants. Ces cendres fréquemment accumulées sur plusieurs mètres de hauteur sur des crassiers sont pour partie emportées par le vent ou la pluie. On les utilise quelquefois comme fond de couche routière, matériaux de remblai ou de construction au risque de polluer la nappe.

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 et la métallurgie, fréquemment 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.

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 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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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 13/11/2008.
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