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Charbon

Charbon
Le charbon permet d’assurer les besoins énergétiques de près d’un homme sur trois dans le monde. (©photo)

Définition et catégories

Le charbon est un combustible fossile d’origine organique. Il est le résultat de la transformation de biomasse (résidus de forêts notamment) enfouie dans le sol au cours des temps géologiques. Par enfouissement, sous l’effet des pressions et des températures croissantes avec la profondeur (gravité, gradient thermique), les végétaux ensevelis sont en effet décomposés puis transformés en une matière solide et combustible à haute teneur en carbone : le charbon.

Les plus anciens et les plus recherchés des charbons datent de près de 300 millions d’années (ère carbonifère). Mais on trouve aussi des charbons plus récents, déposés jusque dans l’ère tertiaire (lignite) ou quaternaire (tourbe).

Les gisements de charbon se situent sous terre et sous les planchers continentaux des océans. Ils peuvent être enfouis à plusieurs kilomètres de profondeur ou affleurer à la surface du sol.

Le charbon est composé d’hydrogène, de soufre, d’oxygène et surtout de carbone. Selon la teneur en carbone, la profondeur et la température du gisement, il en existe plusieurs catégories:

  • les charbons de rangs inférieurs ont une faible teneur en carbone :
  • le lignite est composé de 50 à 60% de carbone ;
  • les sous-bitumineux sont constitués entre 60 et 70% de carbone.
  • les charbons de hauts rangs sont composés à plus de 70% de carbone et sont souvent désignés par le terme de houille :
  • les bitumineux sont composés de 70 à 90% de carbone. Ils peuvent être du charbon-vapeur, utilisé comme combustible pour produire de la vapeur, ou du charbon à coke que l’on carbonise dans un four chauffé à 1 000°C à l’abri de l’air. Cette carbonisation permet de produire du coke ;
  • l’anthracite a encore une qualité supérieure puisqu’il est composé à plus de 90% de carbone.

Chaque type de charbon correspond à un stade de maturité. Dans les tourbières, les végétaux se décomposent pour devenir de la tourbe (constituée à 50% de carbone) ; les zones boisées produisent du lignite. Puis, par enfouissement, ces dépôts carbonés se transforment progressivement en  houille.

Les charbons de haut rang se forment à plus de 10 km de profondeur. A la suite des mouvements tectoniques et de l’érosion,  la houille peut affleurer à la surface. Compte tenu du gradient géothermique moyen (3°C par 100 m), les mines de charbon actuellement exploitées ne se trouvent pas à plus de trois kilomètres de profondeur.

Fonctionnement technique ou scientifique

L’exploitation du charbon se décline en deux phases.

En amont : prospection et extraction

Les techniques d’exploitation sont déterminées par les connaissances géologiques du sous-sol qui permettent de préciser l’existence, la nature et la forme des gisements. Outre les forages de reconnaissance, les techniques géophysiques permettent de préciser l’extension des couches et de localiser les failles. La bonne connaissance de la géologie des gisements est essentielle avant d’entreprendre une exploitation.

  • Les mines souterraines : les gisements peuvent s’étendre sur des milliers de km2, à plusieurs kilomètres sous la surface. Il s’agit d’abord de déterminer la qualité et la forme du gisement, puis de définir les techniques à utiliser pour l’abattage (l’extraction). Des puits d’extraction et d’aération et des galeries sont creusés pour atteindre le gîte, là où se trouve le charbon. Un site industriel (le carreau) est créé en surface pour trier le charbon.
  • Les mines à ciel ouvert : cette forme d’exploitation n’est possible que lorsque les gisements ne sont qu’à quelques dizaines de mètres de profondeur. L’exploitation s’effectue en couches successives. Les mines à ciel ouvert sont structurées en étages et ressemblent à de grands amphithéâtres ou à des carrières. Au fur et à mesure de l’exploitation, les déblais du front de taille sont utilisés pour combler les espaces exploités.

En aval : traitement et consommation

Le charbon extrait est lavé et trié selon sa teneur en carbone. Les lignites et les sous-bitumineux sont principalement utilisés pour produire de l’électricité. Les bitumineux répondent à des usages industriels (ex : génération électrique, cimenterie). Le charbon à coke est par exemple utilisé pour la sidérurgie. L’anthracite répond aux besoins industriels et domestiques (ex : caoutchouc synthétique, sidérurgie, filtration d’eau, chauffage, etc.)

Enjeux par rapport à l'énergie

Souvent décrié et considéré comme une énergie du passé, le charbon joue et jouera un rôle majeur dans le bouquet énergétique mondial.

Une ressource énergétique encore prépondérante

A l’origine de la révolution industrielle, le charbon demeure au XXIe siècle une énergie privilégiée dans le monde. Il permet d’assurer les besoins énergétiques de près d’un homme sur trois. Il est la première source d’énergie utilisée pour produire de l’électricité.

Un combustible accessible

Grâce à une répartition géographique abondante et équilibrée, le charbon peut être importé à un prix compétitif partout dans le monde. Facile à transporter et à stocker, il est le combustible fossile le moins cher à exploiter.

Une source sûre

Avec de gros gisements en Chine, en Inde, en Australie, en Afrique du Sud, en Russie et en Amérique du Nord, la diversité des sources permet d’assurer un approvisionnement sûr sans forte dépendance énergétique vis-à-vis d’un pays producteur.

Des incidences environnementales et de sécurité

Les mines peuvent dénaturer localement les paysages. De plus, la combustion du charbon dégageant à l’échelle mondiale du CO2, du soufre et des oxydes d’azote, pollue davantage que les autres énergies fossiles. Enfin, l’exploitation du charbon présente des risques humains élevés : en Chine par exemple, l’extraction du charbon provoque la mort d’environ 5 000 hommes par an.

Acteurs majeurs

Les leaders mondiaux de l’industrie minière sont souvent aussi les principaux producteurs de charbon. Ils exploitent également le cuivre, les diamants, l’aluminium ou bien d’autres énergies fossiles. Ainsi Rio Tinto (Australie) et Xstrata Coal (Royaume-Uni) sont d’importants producteurs de charbon.

Créé en 1985, le World Coal Institute regroupe une vingtaine d’entreprises et d’associations rattachées à l’industrie du charbon, telles que Eurocoal (l’association européenne du charbon et du lignite), qui répond aux enjeux soulevés par l’exploitation future du charbon.

Mis en place en 2005, le partenariat Asie-Pacifique pour le Développement Propre et le Climat réunit la Chine, les États-Unis, l’Inde, l’Australie, le Japon, la Corée du Sud et le Canada. Ces pays participent à plus de 65% de la production mondiale de charbon. Ce partenariat souhaite développer l’industrie du charbon grâce à des échanges de technologies et de procédés.

Unités de mesure et chiffres clés

Le charbon joue un rôle clé dans la production d’électricité : 40% de l’électricité mondiale est produite à partir de charbon alors que le gaz et le nucléaire ne représentent à eux deux que 36%(1).

La tonne équivalent pétrole (tep) est une unité de mesure permettant de comparer les rendements énergétiques des différentes sources d’énergie. Une tep est l’énergie produite par la combustion d’une tonne de pétrole. L’énergie dégagée par la combustion d’une tonne de charbon de haut rang équivaut à 0,619 tep. Avec l’essor du pétrole, la tep s’est substituée à une ancienne unité, la tonne équivalent charbon (tec). En 2011, la production mondiale de charbon s’est élèvée à 3,96 milliards de tep(2).

Les réserves prouvées sont les ressources disponibles jugées exploitables et rentables selon les techniques actuelles utilisées. Elles sont estimées à 861 milliards de tonnes (Gt)(3) et peuvent subvenir à nos besoins pendant approximativement 150 ans, selon le rythme de consommation et les prix actuels(4).

Zone de présence ou d'application

Les réserves de charbon sont localisées dans plus de 70 pays. Fin 2011, les trois plus grandes réserves prouvées se situent aux États-Unis (237 Gt), en Russie (157 Gt) et en Chine (115 Gt)(5). D’importantes réserves existent également en Australie, en Inde, en Afrique du Sud et en Europe centrale.

Le charbon est généralement consommé à une relative proximité des mines compte tenu de l’importance du transport dans le coût énergétique. Pour optimiser les coûts, le marché mondial du charbon est divisé en deux zones géographiques : la zone atlantique (Amérique, Europe) et la zone pacifique (Asie, Océanie).

Le charbon est largement utilisé dans les pays d’Europe centrale et d’Asie où les ressources en gaz et en pétrole sont rares. En Chine, 75% de l’électricité est produite à partir du charbon(6).

Passé et présent

Devenu à la fin du XVIIIe siècle la principale source d’énergie, le charbon est à l’origine de la révolution industrielle. La Grande-Bretagne, la France et l’Allemagne ont ainsi bénéficié de gisements qu’ils ont pu exploiter à proximité des zones de consommation. En France, l’extraction du charbon remonte au Moyen Age, mais se développe surtout à la fin du XVIIIe siècle jusqu’à la moitié du XIXe, notamment dans les bassins du Nord-Pas-de-Calais, de la Lorraine et de la Loire.

En 1762, la machine à vapeur créée par James Watt utilise le charbon comme combustible. Le charbon participe également au développement du transport grâce aux bateaux et aux chemins de fer (locomotives à vapeur).

Pour satisfaire les besoins en charbon, les techniques d’exploitation des mines se modernisent et des progrès sont réalisés dans la sûreté de l’extraction améliorant la sécurité des mineurs. L’exploitation du charbon a requis au cours de l’histoire d’importants efforts humains mettant parfois en jeu l’intégrité physique des mineurs.

L’exploitation du charbon a causé la mort de plus d’un million d’hommes au cours des XIXe et du XXe siècle : les causes principales en ont été le grisou, un gaz naturel se dégageant des couches de charbon causant des explosions meurtrières appelées « coups de grisou » (ex : Catastrophe de Courrières en 1906, 1 099 morts), les incendies (ex : Incendie de 1956 à Marcinelle, 262 morts), la silicose (une maladie pulmonaire mortelle provoquée par l’inhalation de particules de poussières de silice dans les mines), les effondrements, etc.

Malgré le danger, ces conditions extrêmes ont souvent créé une forte solidarité entre les mineurs. Aussi, cette cohésion et ce soutien ont marqué l’histoire du charbon.

Au cours du XXe siècle, le charbon est progressivement délaissé en Europe au profit du pétrole et du gaz du fait de leur pouvoir calorifique plus élevé et de l’épuisement des mines locales. Au moment où la France ferme ses dernières mines de charbon, depuis une trentaine d’année, la demande mondiale de charbon est repartie à la hausse pour plus que doubler(7). Cela s’explique principalement par le développement économique des pays d’Asie qui possèdent d’importantes réserves de charbon.

Futur

Le pic mondial du charbon désigne le moment où plus de la moitié des réserves seront consommées et où la production de charbon déclinera du fait de l’épuisement des réserves. Selon une estimation, le pic du charbon interviendrait en Chine dans 40 ans contre 224 ans aux Etats-Unis(8).

L’avenir de la production mondiale de charbon repose à la fois sur l’amélioration des techniques d’exploration et de transformation du charbon pour produire davantage d’énergie à partir d’une même quantité de charbon.

Au cours des vingt prochaines années, l’utilisation mondiale du charbon pourrait augmenter de 60%(9). La gestion de l’impact climatique de l’utilisation du charbon devient donc un véritable enjeu.

L’amélioration de l’efficacité énergétique des centrales à charbon et l’intégration des technologies de « captage et stockage géologique du CO2 » (CSC) participent au développement du « charbon propre ». Avec les méthodes de CSC, le CO2 rejeté dans l’atmosphère est récupéré puis séquestré sous terre dans des couches profondes. Toutefois, ces techniques ne permettent pas pour le moment - faute de politiques climatiques conséquentes - de stocker à des conditions financières et techniques acceptables des quantités suffisantes de CO2.

Si les moyens mis en œuvre sur le plan des recherches et développements technologiques laissent entrevoir d’importants progrès des méthodes de CSC, la diffusion de ces pratiques ne verra le jour que lorsque de réelles politiques de réduction des émissions de gaz à effet de serre (CO2 notamment) auront été décidées (mise en œuvre de la Convention Climat ; suite du protocole de Kyoto).