Le charbon.

Le charbon est une roche sédimentaire combustible, riche en carbone, de couleur noire ou marron foncé, formée à partir de la dégradation partielle de la matière organique des végétaux. Il est exploité dans des mines, appelées charbonnages en tant que combustible.

Couvrant 26,9 % des besoins énergétiques mondiaux en 2018, le charbon est la seconde ressource énergétique de l’humanité, derrière le pétrole (31,6 %), et la première source d’électricité avec 38,2 % de la production d’électricité en 2018, part estimée par BP à 36 % en 2019.

Plus de 70 % de la consommation mondiale en 2019 sont concentrés sur trois pays : Chine 51,7 %, Inde 11,8 % et États-Unis 7,2 %.

Souvent appelé houille, il était autrefois appelé charbon de terre en opposition au charbon de bois.

Au cours de plusieurs millions d’années, l’accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d’oxydo-réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (moins de 50 %), le lignite (50 à 60 %), la houille (60 à 90 %) et l’anthracite (93 à 97 %). La formation des plus importants gisements de charbon commence au Carbonifère, environ de -360 à -295 Ma.

Les réserves mondiales de charbon sont estimées à 1 070 Gt (milliards de tonnes) fin 2019, dont 23,3 % aux États-Unis, 15,2 % en Russie, 13,9 % en Australie et 13,2 % en Chine, soit 132 ans de production au rythme de 2019 ; cette production est à près de 80 % située dans cinq pays : la Chine (47,3 %), l’Inde (9,3 %), les États-Unis (7,9 %), l’Indonésie (7,5 %) et l’Australie (6,2 %) ; elle a progressé de 158 % en 46 ans (1973-2019) malgré une baisse de 2,5 % en 2015 et de 6 % en 2016, suivie d’une remontée de 3,3 % en 2017, de 3,3 % en 2018 et de 1,5 % en 2019. L’AIE prévoit que la production mondiale devrait être stable entre 2018 et 2023, la baisse de la consommation en Europe et Amérique du nord étant compensée par son augmentation en Inde et en Asie du Sud-Est.

Son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle aux xviiie et xixe siècles. Sa combustion engendre 44,0 % des émissions de CO2 dues à l’énergie en 2018, contre 34,1 % pour le pétrole et 21,2 % pour le gaz naturel. Pour atteindre l’objectif des négociations internationales sur le climat de maintenir la hausse des températures en deçà de 2 °C par rapport à l’ère préindustrielle, il faudrait globalement s’abstenir d’extraire plus de 80 % du charbon disponible dans le sous-sol mondial, d’ici à 2050.


Marco Polo signalera, à son retour de Chine, que les Chinois chauffaient leurs maisons et cuisaient leurs aliments en faisant brûler d’étranges pierres noires. Mais c’est au XVIIIe siècle que se généralise son utilisation, notamment à cause de la révolution industrielle. Les motivations venaient des effets de déboisement massif provoqué par le développement des industries grandes dévoreuses de bois. La fourniture de combustible devenait une préoccupation et la cherté du bois devenait réelle dans les villes. Seul le charbon fournit assez de chaleur pour faire marcher les machines à vapeur. À partir de là commence l’exploitation industrielle des mines de charbon un peu partout en Europe, puis dans le monde.

Dans les zones charbonnières, les enfants travaillaient à la mine dès 13 ans. Le métier était dangereux, les coups de grisou fréquents, l’extraction à la pioche et à la pelle puis à la haveuse. Aujourd’hui, les normes de sécurité ont beaucoup évolué.

En 1800, avant la révolution industrielle, la consommation énergétique mondiale était de 305 Mtep (sources d’énergie commerciales seulement), 97 % de cette énergie étant issue de l’exploitation de la biomasse (bois surtout), 3 % par le charbon, ce combustible devenant majoritaire au début du xxe siècle en raison des besoins massifs des machines à vapeur. Depuis la fin de la première Guerre mondiale, la part du charbon dans le mix énergétique mondial baisse (50 % en 1920, 40 % en 1946, 24 % en 2000) au profit du pétrole et du gaz7. Au cours des années 2000, cette part a remonté, le charbon étant repassé au deuxième rang des énergies primaires utilisées derrière le pétrole en raison des réserves estimées à plus de 150 ans, d’une bonne disponibilité et d’une répartition géographique homogène, ce qui en fait une énergie encore extrêmement compétitive ; mais de 2013 à 2016, sa consommation a recommencé à baisser : -4 % en 3 ans, avant une légère remontée de 1,5 % entre 2016 et 2019.

En France, la stratégie malthusienne des compagnies débouche sur une sous-production et une pénurie, aggravée lorsque les Allemands détruisent les puits pendant la première guerre mondiale. Pour pallier la pénurie, l’État et la Bourse favorisent la multiplication par huit de la production hydroélectrique dans les années 1920. Après la Libération, les dirigeants communistes Benoît Frachon et Maurice Thorez lancent la « bataille pour la production » et les mines sont nationalisées pour former Charbonnages de France ; en 1958, le record national historique de production est atteint (58,9 Mt), suivi d’un déclin inexorable, les réserves s’épuisant ; l’émergence du nucléaire permet de remplacer le charbon, les centrales à charbon étant de plus en plus approvisionnées en charbon importé.

À l’occasion de la COP23, 25 pays et régions ont créé la Powering Past Coal Alliance, s’engageant à fermer leurs centrales au charbon d’ici 2030 ; parmi les signataires se trouvent le Royaume-Uni, la France, l’Italie, le Canada et ses principaux états, le Mexique, mais aucun des grands pays producteurs et consommateurs de charbon : Chine, Inde, États-Unis, Russie, Allemagne, Australie, Indonésie, Pologne9. L’élimination accélérée du charbon se confirme dans les pays développés : la France s’est engagée à fermer ses centrales d’ici à la fin du quinquennat ; l’Italie et la Grande-Bretagne feront de même en 2025. Des électriciens comme l’espagnol Iberdrola ont eux aussi programmé la fin de leurs capacités de production au charbon et le français Engie est en train de vendre ou de fermer celles qu’il détient dans le monde entier. Même aux États-Unis, malgré les mesures favorables au secteur prises par Donald Trump, la consommation de charbon va continuer à baisser : depuis 2016, pour la première fois, le gaz naturel a dépassé le charbon dans la production d’électricité américaine, et les prévisions 2017 de l’Agence internationale de l’énergie prévoyaient que la demande de charbon des États-Unis chuterait de 480 Mt en 2016 à 426 Mt en 2040 ; mais les pays développés représentent moins de 20 % de la demande mondiale et celle des pays émergents continue à croître, en particulier celle de l’Inde qui devrait doubler d’ici 2040 ; au total, la demande mondiale devrait croître de 5 % d’ici 2040.

Le rapport 2018 de l’Agence internationale de l’énergie sur le charbon prévoit que la consommation mondiale de charbon, après deux années de baisse suivies d’une augmentation de 1 % en 2017, et probablement encore en 2018, pourrait rester stable d’ici à 2023 ; la part du charbon dans la consommation mondiale d’énergie pourrait passer de 27 % en 2017 à 25 % en 2023. La baisse de la demande envisagée en Europe et en Amérique du Nord serait plus que compensée par une forte croissance de la consommation en Inde et en Asie du Sud-Est : entre 2017 et 2023, +25,8 % en Inde, et +39 % en Asie du Sud-Est ; la demande de la Chine baisserait de 3 %, mais toute variation de cette dernière aurait un impact majeur sur l’évolution mondiale.

Les négociateurs des États membres de l’Union européenne et du Parlement européen sont parvenus le 19 décembre 2018 à un accord sur la fin des subventions au charbon : les nouvelles centrales électriques émettant plus de 550 grammes de CO2 par kilowattheure d’électricité et démarrant leurs opérations après l’entrée en vigueur de la nouvelle législation ne pourront pas participer aux « mécanismes de capacité » ; pour les centrales déjà en fonctionnement, leur participation ne sera possible que jusqu’au 1er juillet 2025.

En mai 2019, le groupe minier anglo-australien BHP, premier groupe minier mondial, annonce son intention de se retirer progressivement de l’extraction de charbon thermique (utilisé dans les centrales électriques), même s’il reste un producteur majeur de charbon à coke, essentiel à la production d’acier ; quelques mois plus tôt, Glencore avait annoncé qu’il n’accroîtrait plus ses capacités de production de charbon thermique ; Rio Tinto a pris la même direction dès 2014 et n’a plus aucune activité en 2019 dans le charbon thermique ; Wesfarmers, un groupe multi-diversifié qui est le premier employeur d’Australie, a délaissé le charbon thermique en 2018 pour se réorienter notamment vers le lithium.

Le charbon est une roche sédimentaire combustible composée essentiellement de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Ce sont les observations au microscope d’Hutton et de Link, vers 1840, qui ont permis la découverte de la composition du charbon.

Il se forme sur plusieurs millions d’années à partir de l’accumulation de débris végétaux qui vont sédimenter et carboniser progressivement à la suite d’une modification graduelle des conditions de température et de pression.

Ses propriétés physicochimiques dépendent donc essentiellement du « lithotype », qui reflète le degré de carbonisation du charbon (le « rang » du charbon) ; Plus le rang est élevé, plus sa teneur en eau est faible et sa teneur en carbone est forte, plus son pouvoir calorifique est important. Les charbons de rang supérieur sont donc des combustibles de meilleure qualité. Les charbons de rang inférieur sont plus brunâtres, plus ternes et plus friables tandis que les charbons de rang supérieur sont plus noirs, plus durs et plus résistants.

Les principaux gisements datent du Carbonifère, environ de -360 à -295 Ma1, plus particulièrement d’une période de climat chaud et humide favorable à la croissance de vastes forêts luxuriantes en bordure de zones marécageuses, appelées forêts équatoriales du Carbonifère. Les gisements de charbon sont issus d’un processus de « carbonification » ou « houillification » qui prend environ 300 à 500 millions d’années pour transformer un végétal (feuilles, branches, arbres, etc.) morts en anthracite (le charbon ayant le plus grand pourcentage de carbone).

Quelques conditions géologiques sont nécessaires : une très grande quantité de débris végétaux doit s’accumuler dans une couche d’eau peu profonde et faible en dioxygène (environnement de type tourbière), ce qui permet à une partie de la matière organique d’échapper à l’action des décomposeurs. Au cours de plusieurs millions d’années, l’accumulation et la sédimentation de ces débris végétaux provoquent une modification graduelle des conditions de température, de pression et d’oxydoréduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (50 à 55 %), le lignite (55 à 75 %), la houille (75 à 90 %) et l’anthracite (> 90 %). La qualité du charbon, appelée « maturité organique », dépend donc des conditions physico-chimiques, ainsi que de la durée de sa formation.

Selon une étude ayant comparé l’horloge moléculaire et le génome de 31 espèces de basidiomycètes (agaricomycètes : « pourriture blanche », groupe qui contient aussi des champignons ne dégradant pas la lignine (pourriture brune) et des espèces ectomycorrhiziennes), l’arrêt de formation du charbon à la fin du Carbonifère semble pouvoir être expliqué par l’apparition de nouvelles espèces de champignons capables de dégrader la totalité de la lignine grâce à des enzymes (les lignine-peroxydases).

Friedrich Bergius a tenté vers 1913 de transformer en laboratoire du bois en charbon. Il lui était possible de reproduire le facteur pression, par contre, il lui était impossible de recréer le facteur temps5.

Il existe de nombreuses variétés de charbon, que l’on distingue selon plusieurs critères dont les principaux sont :

  • l’humidité,
  • la teneur en matières minérales non combustibles (cendres),
  • le pouvoir calorifique,
  • l’inflammabilité, liée à la teneur en matières volatiles.

La plupart de ces critères sont corrélés avec l’âge du charbon : les charbons les plus récents (lignite) sont assez humides et contiennent relativement beaucoup de matières volatiles inflammables, tandis que les plus vieux (anthracites) se sont naturellement dégazés au cours du temps ; ils sont difficiles à enflammer, mais plutôt secs et constitués de carbone presque pur, ils ont un fort pouvoir calorifique.

Un autre critère important, bien qu’il n’intervienne pas dans les classifications, est la composition des matières minérales. Certains charbons (par exemple, charbons indonésiens) ont des cendres majoritairement composées d’oxydes de calcium ou de sodium, dont le point de fusion est assez bas ; ces cendres emportées dans les fumées de combustion auront tendance à se coller sur les parois des fours ou chaudières et les colmater. D’autres charbons (par exemple, charbons australiens) ont des cendres très abrasives composées essentiellement de silice et d’alumine ; la conception des fours ou chaudières où seront brûlés ces charbons devra donc être adaptée.

Pour classifier les charbons, on doit en faire l’analyse. Les propriétés des charbons (analyse, pouvoir calorifique…) sont données soit sur brut c’est-à-dire pour le charbon tel qu’il sera brûlé, soit sur sec, c’est-à-dire pour un charbon préalablement séché, soit sur pur, c’est-à-dire pour la partie réellement combustible du charbon, hors cendres et humidité. L’analyse immédiate est par définition donnée sur brut et l’analyse élémentaire généralement donnée sur pur.

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Sources : Wikipédia, YouTube.

 

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