Centrale à charbon

 

Définition et catégories

Une centrale à charbon produit de l’électricité en utilisant la chaleur générée par la combustion du charbon.

Le charbon est un combustible fossile d’origine organique. Il est le résultat de la transformation de résidus de forêts enfouis dans le sol depuis près de 300 millions d’années (ère carbonifère). Par enfouissement, sous l’effet de la pression et de la température élevée dues à la profondeur, les végétaux ensevelis se sont décomposés puis transformés en une matière solide et combustible à haute teneur en carbone : le charbon. Il existe plusieurs catégories de charbon qui dépendent de la teneur en carbone, en soufre et en eau.

Les centrales à charbon utilisent cette source d’énergie pour produire de l’électricité. Après avoir été trié et lavé, le charbon est brûlé dans une chaudière. La chaleur générée par cette combustion chauffe l’eau jusqu’à ce qu’elle se transforme en vapeur. Cette vapeur entraîne une turbine qui, associée à un alternateur, génère de l’électricité.

Centrale à charbon en Allemagne

Une des centrales à charbon allemandes qui produisent près de 43% de l'électricité nationale (©DR)

Fonctionnement technique ou scientifique

Après avoir été extrait, le charbon peut-être transformé en combustible pour alimenter une centrale thermique. Deux techniques peuvent alors être employées.

Technique n°1 : la combustion de poussière de charbon

Le charbon est broyé, mis sous forme de petits morceaux afin de le réduire en poussière fine qui va servir de combustible. Une fois mélangée à l’air, cette poussière est injectée puis brûlée dans une chaudière à plus de 1 400°C. Cette combustion produit la chaleur nécessaire pour chauffer l’eau qui circule dans des tuyaux. Sous l’effet de la chaleur, l’eau se transforme en vapeur à haute pression et permet d’entraîner une turbine. Les rotations de la turbine (énergie cinétique) sont transformées en énergie électrique grâce à un alternateur qui convertit l’énergie transmise par la turbine. Ce mécanisme basé sur l’entraînement d’une turbine par la vapeur est identique à celui des autres centrales thermiques (gaz, fioul, nucléaire).

Cette technique qui consiste à pulvériser la poussière et à la mélanger avec de l’air est largement utilisée dans les centrales à charbon. Toutefois, la rentabilité énergétique de ce procédé dépend de la qualité du charbon utilisé. Le pouvoir calorifique du charbon dépend notamment de sa teneur en carbone. Le lignite est composé de 50 à 60% de carbone et les sous-bitumineux sont constitués de 60 à 70% de carbone. Ce sont des charbons de rangs inférieurs. Les charbons-vapeur sont des bitumineux. Il s’agit de charbon de haut rang dont la teneur en carbone est comprise entre 70 et 90%.

Technique n°2 : le « lit fluidisé »

La technique du « lit fluidisé » peut également être utilisée : le charbon est simplement concassé et conduit à former un « lit » maintenu en sustentation par injection verticale d’air. Les particules de charbon brûlent en suspension et les poussières partiellement brûlées sont récupérées pour être ensuite réinjectées dans la chaudière. Cette technique permet donc d’obtenir une combustion totale à une température allant de 850 à 900°C, (au lieu de 1400°C dans une chaudière classique). Ce procédé a de nombreux avantages, tels qu’un haut rendement et la possibilité de brûler des charbons de mauvaise qualité. De plus, cette technique est peu polluante : la température inférieure à 900°C garantit une faible teneur des fumées en oxydes d’azotes ainsi qu’en métaux lourds. Elle permet également la désulfuration des fumées et retient dans ses cendres la quasi-totalité du chlore et du fluor.

Enjeux par rapport à l'énergie

Les besoins en électricité ainsi que les préoccupations géopolitiques et environnementales replacent au centre du débat les centrales à charbon.

  • Le prix du charbon est compétitif et relativement stable. Par conséquent les coûts de production des centrales à charbon ne varient que peu et demeurent compétitifs (plus encore avec l'exploitation des gaz de schiste aux États-Unis qui rend disponible de grandes quantités de charbon sur le marché).
  • Les centrales à charbon jouent un rôle majeur dans la production mondiale d’électricité. Le charbon est la première énergie utilisée pour produire de l’électricité avec plus de 41% de l’électricité mondiale produite(1).
  • Cependant, les centrales à charbon ont un impact négatif et lourd sur l’environnement. Elles rejettent du méthane, des oxydes d’azote (les NOx) et du gaz carbonique (CO2). Lors de sa combustion, le charbon émet plus de gaz carbonique que le pétrole et à fortiori le gaz.

Acteurs majeurs

Aux côtés des grands fournisseurs d’électricité, GDF Suez, EDF et EON en Europe, Inter RAO en Russie, des « utilities » américaines et des combinats indiens et chinois, le marché mondial des centrales thermiques à charbon est de plus en plus dominé par les constructeurs de turbines maîtrisant l’électrotechnique. Citons Siemens, Alstom, Vatenfall en Europe, General Electric, Westinghouse aux Etats-Unis, Hitachi et Mitsubishi Japon, Cosmic Engineering en Inde.

Dans le monde entier, l’effort de recherche et développement se porte sur la réduction de l’impact environnemental des centrales à charbon et en particulier sur la capture et le stockage du CO2. Des centres de recherche du département de l’énergie tels que l’EPRI et l’ORNL (Oak Ridge National Laboratory) aux États-Unis, le BRGM et IFP Energies nouvelles en France, coordonnent ces recherches.

Unités de mesure et chiffres clés

Selon les estimations de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE), le rendement moyen mondial du charbon était d’environ 2 083 kWh/tonne (soit une efficacité de 30%) en 2009. En Europe, ce chiffre était d’environ 2 630 kWh/tonne de charbon (efficacité de 38%). Le rendement moyen des centrales supercritiques au charbon dépasse 45%.

Zone de présence ou d'application

Le charbon se trouve partout en grande quantité. Toutefois, certains États en ont fait leur source d’énergie principale pour produire de l’électricité. Les plus grandes réserves de charbon se trouvent aux États-Unis, en Russie, en Chine (59,1% des réserves prouvées dans le monde à fin 2012)(2). L'Australie, l'Inde, l'Allemagne, le Kazakhstan, l'Ukraine et l'Afrique du Sud possèdent également d'importantes réserves (avec plus de 30 milliards de tonnes de réserves prouvées à fin 2012 dans chacun de ces pays).

Les principaux acteurs qui produisent de l’électricité grâce aux centrales à charbon sont les États détenant d’importantes réserves. La part de la production d’électricité issue du charbon en 2012 est de 94% en Afrique du Sud, 86% en Pologne, 81% en Chine, 69% en Australie, 68% en Inde et 43% aux États-Unis et en Allemagne(3). Les centrales à charbon jouent un rôle clé dans la production d’électricité de ces pays. D’importants projets de modernisation et de développement des centrales à charbon sont notamment en cours en Chine.

Les pays en développement ont d’énormes besoins en électricité et le charbon est un moyen simple et économique pour satisfaire leurs besoins en toute sécurité. Près des deux tiers des centrales électriques fonctionnant au charbon sont construites dans les pays en développement.

Passé et présent

Les propriétés du charbon ont rapidement été découvertes. C’est un très bon combustible qui brûle longtemps et qui produit de la chaleur. Le charbon a d’abord servi pour chauffer les maisons et faire fonctionner les machines, puis très rapidement il a été utilisé pour  produire de l’électricité.

Les centrales à charbon se sont développées et ont enclenché la marche vers la seconde révolution industrielle au XIXe siècle. L’utilisation du charbon pour produire de l’électricité s’est vite répandue car elle met en œuvre un  processus aisé et peu coûteux. Au fil du temps, des techniques de pointe se sont développées afin d’améliorer la performance des centrales à charbon. Au début du XXe siècle, leur puissance unitaire n’était que de quelques dizaines de MW (mégawatts) alors qu’elle dépasse aujourd’hui les 1 000 MW.

Par ailleurs, les centrales à charbon récentes émettent 40% de CO2 en moins que les centrales à charbon du milieu du XXe siècle tout en demeurant une source de pollution atmosphérique importante (poussières, NOx, SO2) et d’effet de serre (CO2).

Futur

La prolifération des centrales à charbon pose des problèmes environnementaux. Une étude du Massachussetts Institute of  Technology (MIT) réalisée en 2007 révèle la construction de deux nouvelles centrales par semaine en Chine. Cependant, de nouvelles avancées technologiques pourraient améliorer les rendements des centrales à charbon tout en protégeant l’environnement :

  • les techniques de « charbon propre » telles que la désulfuration et la dénitrification pourraient réduire l’impact sur l’environnement ;
  • intensifier les recherches pour augmenter l’efficacité et les rendements des centrales à charbon réduirait les émissions de CO2 ;
  • développer des techniques de captage et de stockage du CO2 (CSC) permettrait de récupérer et d’enfouir sous terre les émissions de ce gaz ;
  • les avancées technologiques devraient pouvoir être industrialisées à des coûts compatibles avec les exigences économiques, ce qui n’est pas encore obtenu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le pouvoir calorifique du charbon dépend notamment de sa teneur en carbone.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La part de la production d’électricité issue du charbon en 2012 est de 81% en Chine et de 43% aux États-Unis.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La plus grande centrale électrique au charbon de Chine, opérée par le groupe China Huaneng, est entrée en fonction en février 2011 dans la province orientale du Zhejiang. Selon l’agence Chine Nouvelle, cette centrale, équipée de 4 générateurs de 1 000 MW, représente un investissement de plus de 2 milliards de dollars.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les techniques de « charbon propre » telles que la désulfuration et la dénitrification pourraient réduire l’impact sur l’environnement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La France est l’un des rares pays à n’utiliser qu’une faible quantité de charbon pour produire de l’électricité. Les ressources en charbon y sont désormais très faibles et la dernière mine a été fermée en 2004.