Charbon lignite

Le lignite est le « premier type » de charbon créé. (©photo)

À RETENIR
  • Le lignite est un type de charbon « de rang inférieur », caractérisé par une teneur en eau élevée et une teneur en carbone de 50 à 60% lui conférant un faible pouvoir calorifique.
  • Près de 90% de la production mondiale de lignite est utilisée pour générer de l'électricité.
  • Les trois premiers producteurs mondiaux de lignite sont l'Allemagne, la Chine et les États-Unis.
  • Le lignite est exploité à l’échelle industrielle depuis le XIXe siècle.
Définition et catégories

Avec la houille, les charbons bitumeux et sous-bitumeux, le lignite (appelé aussi houille brune) désigne une des grandes catégories de charbon. Avec la tourbe, ces combustibles solides sont des sédiments fossiles organiques, résultat de la transformation de résidus végétaux enfouis dans le sol.

Le lignite résulte généralement de la fossilisation de substances ligneuses (bois), ou encore  de la maturation de la tourbe (qui résulte de la forte activité biologique qui se développe dans les zones humides, à partir de végétaux herbacés et de mousses constituant progressivement un humus humide et dépourvu d’oxygène).

Au cours de l’évolution géologique, à profondeur (et température) croissante, du fait du gradient géothermique, le charbon passe par différentes étapes successives et continues, allant du lignite au charbon sous-bitumineux ou bitumineux et finalement à la houille. La qualité d’un gisement de charbon dépend de la température, de la pression et de la durée de formation de celui-ci, appelée « maturité organique ».

Le lignite constitue des couches sédimentaires d’âge récent (tertiaire ou quaternaire). Il est défini comme un charbon à faible maturité organique (aussi dit « de rang inférieur »), généralement plus tendre et plus friable, avec un aspect terne et terreux. Il est caractérisé par une teneur en eau élevée et une teneur en carbone de 50 à 60%, lui conférant un faible pouvoir calorifique. 

Surtout utilisé pour produire de l’électricité dans des centrales thermiques, le lignite peut servir également au chauffage d’espaces habités et dans certains processus industriels, par exemple la métallurgie ou l’industrie papetière.

Chaîne d'exploitation

Extraction

Les gisements de lignite sont insérés dans des sédiments continentaux (sables et argiles) relativement proches de la surface terrestre (quelques mètres ou dizaines de mètres de profondeur) et peuvent constituer des couches de grande étendue. Ces combustibles sont généralement extraits dans des mines à ciel ouvert.

Compte tenu du faible pouvoir énergétique du lignite, de grandes quantités sont nécessaires pour alimenter des centrales thermiques de forte puissance et le transport n’est pas rentable sur de longues distances. Les centrales thermiques doivent en conséquence être situées à proximité immédiate des mines.

Exploitation

Transformation en combustible

Après son extraction, le lignite est transformé en combustible pour la centrale thermique. Deux méthodes principales sont employées :

  • technique de pulvérisation : le lignite est réduit en morceaux dans une station de concassage puis transféré dans un réservoir (à cette étape, l’humidité du lignite est généralement comprise entre 40 et 60%). Il est ensuite broyé pour subir un traitement thermique en présence de fumées chaudes, extraites de la chaleur « fatale » d’une chaudière adjacente par un circuit de recirculation. La chaleur des fumées réduit la teneur en eau du lignite de 40%-60% à 10%-20%, niveau requis pour obtenir des conditions de combustion optimales. Le mélange ainsi obtenu est introduit dans les brûleurs de la chaudière à plus de 1 400°C. Sous l’effet de la chaleur produite par la combustion du lignite, l’eau de la chaudière se transforme en vapeur à haute pression, entraînant une turbine à vapeur. La rotation de la turbine produit de l’énergie mécanique, elle-même convertie en électricité grâce à un alternateur. Dans le cas d’un lignite au pouvoir calorifique extrêmement faible et à teneur en eau particulièrement élevée, précisons qu'une étape supplémentaire est nécessaire avant le transfert dans la chambre de combustion de la chaudière, pour un retrait plus efficace de l’humidité qu’il contient. Les particules de lignite sèches sont séparées au moyen de dépoussiéreurs électrostatiques puis transférées aux brûleurs de la chaudière ;
     
  • technique du « lit fluidisé » : le lignite concassé est utilisé directement pour former dans la chaudière un « lit » maintenu en suspension par injection ascendante d’air. Les poussières de lignite servent de combustibles et celles qui ne sont que partiellement brûlées sont récupérées pour être ensuite réinjectées dans la chaudière. Cette technique, qui fonctionne à des températures plus basse (de 850 à 900°C), permet un rendement plus élevé. Par adjonction de matières (comme la calcite) elle permet de fixer certains éléments (comme le soufre). De ce fait, cette option est  moins polluante qu’une centrale thermique à lignite pulvérisé.

Transformation du combustible en briquette

Le lignite peut être converti en un produit équivalent à du charbon de qualité moyenne par dessèchement. Ce produit, appelé « briquette », est utilisé comme source de chaleur.

Pour cela, le lignite est broyé et séché jusqu'à réduction de l’humidité à 15%, puis moulé à haute pression sous forme de briquettes et sans adjonction de liant.

Ces briquettes peuvent être vendues dans le commerce pour répondre à divers usages thermiques (y compris cheminées domestiques ou poêles individuels).

Transformation en syngas par gazéification

La gazéification du lignite consiste à le décomposer par la chaleur (supérieure à 1 000°C) en présence de vapeur d’eau et d’oxygène. Cette réaction permet d’obtenir un mélange gazeux combustible, appelé « syngas ». Composé de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2), le syngas produit est utilisé pour deux applications :

  • production d’électricité (CCGI) : une centrale à cycle combiné à gazéification intégrée (CCGI) se caractérise d’abord par une opération de gazéification. Le syngas obtenu à partir du lignite est dépoussiéré, débarrassé des impuretés pour ensuite être utilisé comme combustible au sein d’une centrale à cycle combiné (turbine à gaz/turbine à vapeur). Le principe est le suivant : une turbine à gaz produit de l'électricité. La chaleur récupérée dans les gaz d’échappement sert, comme dans tous les cycles combinés, à la production de vapeur qui elle-même entraîne une turbine. Cette technologie permet de réduire les émissions de polluants atmosphériques et d'améliorer le rendement grâce au cycle combiné ;
  • carburant : le syngas peut être transformé en essence de synthèse (comme pour les biocarburants de 2e génération) par le procédé Fischer Tropsch, réaction chimique permettant de convertir le monoxyde de carbone et l’hydrogène en hydrocarbure.

 Utilisations du lignite
Différentes utilisations du lignite (©Connaissance des Énergies)

Enjeux par rapport à l'énergie

Le lignite est utilisé à plus de 90% à des fins de production électrique, le reste étant principalement destiné au chauffage domestique (principalement sous forme de briquettes).

La production mondiale de lignite a atteint 811,1 millions de tonnes (Mt) en 2015 selon l'AIE, soit environ 10,5% de la production totale de charbon dans le monde cette année-là(1).

Certes, son coût relativement faible constitue un avantage. Mais le lignite est peu rentable par unité de volume : en comparaison aux autres catégories de charbon, une plus grande quantité de lignite est nécessaire pour produire une même quantité d’énergie.

Par ailleurs, le lignite a un impact important sur l’environnement :

  • son extraction transforme notablement les terrains concernés et peut les rendre instables. Divers matériaux toxiques utilisés lors de l’exploitation minière peuvent contaminer les sols. Les déchets miniers ou les métaux lourds issus de l’exploitation minière sont source de pollution des eaux ;
  • la combustion, la gazéification et la transformation en briquettes du lignite sont des sources d’émission de CO2 ;
  • en dehors du CO2, les principaux rejets polluants des centrales thermiques sont les poussières, le soufre et les oxydes d’azote.

Toutefois, l’introduction de technologies telles que les centrales à lit fluidisé et surtout à cycle combiné à gazéification intégrée, limite les effets atmosphériques. Par ailleurs, des technologies modernes d’extraction permettent de réhabiliter la totalité des terres exploitées.

Acteurs majeurs

À la différence des autres catégories de charbon, le lignite est produit par de nombreux pays européens. Les trois premiers producteurs mondiaux de lignite sont l'Allemagne, la Chine et les États-Unis selon le Conseil mondial de l'énergie(2).

Chiffres clés

Comparaison du pouvoir calorifique du lignite(3)

Lignite : 17 GJ/t

Briquette de lignite : 32 GJ/t

Houille : 26 GJ/t

Pétrole : 42 GJ/t 

Zone de présence

A fin 2016, les réserves de lignite et de charbon sous-bitumineux étaient estimées à 323 milliards de tonnes (Gt) tandis que celles d'anthracite et de charbon bitumineux s'élevaient à 816 Gt(4).

Répartition géographique des réserves en lignite (©2011 d'après IFP EN)
Répartition géographique des réserves en lignite à fin 2011 (©Connaissance des Énergies d'après IFP EN) 

Passé et présent

Le lignite est exploité à l’échelle industrielle depuis le XIXe siècle. Son utilisation dans les centrales de production électrique remonte aux années 1910.

Jusqu’au début des années 1960, les combustibles de chauffage sont la priorité. Des combustibles de substitution comme le fioul et le gaz remplace peu à peu les combustibles solides sur le marché du chauffage. Depuis le milieu des années 1970, le lignite est surtout utilisé dans les centrales électriques.

Les centrales à lignite pulvérisé sont les plus nombreuses. La technique du lit fluidisé s’est répandue industriellement à partir de 1990. Les centrales les plus récentes sont celles utilisant un cycle combiné à gazéification. 

Futur

L’amélioration du rendement et la limitation de l’impact environnemental seront déterminants pour le devenir des centrales thermiques au lignite. De nouvelles techniques dites de combustion « propre » visent à répondre à ces objectifs.  

  • Utilisation du lignite sec : cette technique consiste à sécher le lignite à basse température autour de 120 à 150 °C avant sa combustion. Le pré-séchage du lignite devrait en théorie entraîner une augmentation du rendement des installations de combustion au lignite tout en diminuant les émissions de CO2. La conversion des centrales thermiques alimentées au lignite sec nécessite des changements de configuration ;
  • Capture et stockage du CO2 : le premier pilote de centrale au lignite avec capture des émission de CO2 a été mis en service en 2008, dans le Brandebourg (Allemagne) par le groupe Vattenfall. Le CO2 est extrait des fumées industrielles puis liquéfié sous pression avant d’être stocké sous terre ;
  • Traitement des fumées : le traitement des fumées consiste à capter simultanément les oxydes de soufre et d’azote et les métaux lourds comme le mercure issu de la combustion du lignite. Ce procédé permet de réduire les émissions de polluants.