Charbon

Le charbon a permis de satisfaire près de 28,1% des besoins énergétiques mondiaux en 2015. (©photo)

À RETENIR
  • Le charbon est créé à partir de biomasse enfouie dans le sol, généralement à plusieurs kilomètres de profondeur.
  • Il est composé d'hydrogène, de souffre, d'oxygène et surtout de carbone. Chaque type de charbon (lignite, sous-bitumineux et bitumineux, anthracite) est classé en fonction de sa teneur en carbone.
  • Le charbon comptait encore pour environ 39% de la production mondiale d'électricité en 2015.
  • Plus de 22% des réserves prouvées de charbon dans le monde sont situées aux États-Unis. La Chine extrait et consomme à elle seule près de la moitié du charbon dans le monde.
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.

Les charbons de haut rang sont composés à plus de 70% de carbone.

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 haut rang 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 utilisés comme « charbon-vapeur », c'est-à-dire comme combustible pour produire de la vapeur, ou comme « charbon à coke » que l’on carbonise dans un four chauffé à 1 000°C à l’abri de l’air pour 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.

Les gisements peuvent s’étendre sur des milliers de km2, à plusieurs kilomètres sous la surface.

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. Le lignite et les sous-bitumineux sont principalement utilisés pour produire de l’électricité. Les bitumineux répondent souvent à des usages industriels (ex : production de chaleur et d'électricité, 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 encore un rôle majeur dans le bouquet énergétique mondial des décennies à venir (notamment en Asie du Sud-Est) selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), à moins d'une transition énergétique très accélérée dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique.

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 l'équivalent de presque un homme sur trois (le charbon a satisfait 28,1% de la consommation d'énergie primaire en 2015 selon l'AIE). Il est la première source d’énergie utilisée pour produire de l’électricité (environ 39% de l’électricité mondiale a été produite à partir de charbon en 2015).

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 s'accompagne d'importantes émissions de CO2, de soufre et d'oxydes d’azote et pollue ainsi 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 de plusieurs milliers de personnes 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/Royaume-Uni) et Glencore (Suisse/Royaume-Uni) sont notamment d'importants producteurs de charbon.

Créé en 1985, le World Coal Institute regroupe une trentaine 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 comptent pour plus de 70% 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

La tonne équivalent pétrole (tep) est une unité de mesure permettant de comparer les rendements énergétiques des différentes sources d’énergie. Une tep correspond à 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 2016, la production mondiale de charbon s’est élèvée à près de 3,7 milliards de tep(1). 

Les réserves prouvées sont les ressources disponibles jugées exploitables et rentables selon les techniques actuelles utilisées. Elles sont estimées à 1 139 milliards de tonnes (Gt) selon le BP Statistical Review of World Energy, soit de quoi subvenir à nos besoins pendant plus de 150 ans selon le rythme de production et les prix actuels.

Zone de présence ou d'application

Fin 2016, les trois pays disposant des plus importantes réserves prouvées dans le monde sont(2) :

  • les États-Unis (252 Gt, soit 22,1% des réserves mondiales) ;
  • la Chine (244 Gt, 21,4%) ;
  • la Russie (160 Gt, 14,1%).

D’importantes réserves prouvées ont également été identifiées en Australie (145 Gt à fin 2016), en Inde (95 Gt), en Allemagne (36 Gt) ou encore 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 a priori limitées.

En Chine, près de 72% de l’électricité était encore produite à partir du charbon en 2015(3). Ce pays compte pour quasiment la moitié de la consommation mondiale de charbon.

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 exploités à proximité des zones de consommation. En France, l’extraction du charbon remonte au Moyen Âge, 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).

L’exploitation du charbon a causé la mort de plus d’un million d’hommes au cours des deux derniers siècles.

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 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), des 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), des 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 a fermé ses dernières mines de charbon, la demande mondiale est repartie à la hausse, principalement en raison du développement économique des pays d’Asie (Chine, Inde, Indonésie) 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. En Europe, ce pic aurait eu lieu en 1982. En Chine, la production de charbon a baissé en 2014 pour la première fois depuis 14 ans.

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. La gestion de l’impact climatique de l’utilisation du charbon est devenu un enjeu central.

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 (génralement sous terre dans des couches profondes). Toutefois, les projets de CSC sont encore confrontés actuellement à des contraintes économiques et techniques freinant leur développement.

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 dépend également des politiques mises en place pour lutter contre le réchauffement climatique (en donnant notamment un prix suffisant au carbone). En Asie du Sud-Est, le charbon pourrait satisfaire 40% des besoins supplémentaires d'énergie d'ici à 2040 selon un rapport d'octobre 2017 de l'AIE. Il en résulterait une très forte hausse des émissions de CO2 liées à l’énergie dans cette région (+ 75% d’ici à 2040) malgré le recours à des centrales au charbon supercritiques ou ultra-supercritiques.

Concrètement

La diversité de ses utilisations assure au charbon une place prépondérante dans le mix énergétique. Le charbon extrait est principalement utilisé pour produire de l’électricité, mais aussi pour la cimenterie, la sidérurgie, le chauffage et les industries de carbochimie.

Le saviez-vous ?

L’utilisation du charbon dans les transports ne signifie pas le retour à la machine à vapeur. Des techniques thermochimiques permettent de transformer le charbon en hydrocarbures. Le « coal to liquids » (CTL) est un procédé transformant le charbon en combustibles liquides.

dernière modification le
Sources / Notes
  1. BP Statistical Review of World Energy, juin 2017.
  2. Ibid.
  3. Donnée de l'EIA américaine.

Académies des technologies (National Academy of Technologies of France)