Houille

Ressource minière que l’on désigne sous le nom générique de charbon qui recouvre plusieurs catégories de combustibles solides à teneurs variables en carbone, la houille est qualifiée par sa couleur noire (« houille noire ») pour la distinguer de la « houille blanche » qui désigne les sources d’énergie hydraulique issue des barrages et chutes d’eau. L’origine du terme « houille » est sujette à plusieurs interprétations, soit du wallon « haye » qui signifiait fragment, éclat ou motte, soit dérivé du verbe « schillen » qui signifie peler ou écailler.

La houille est une roche carbonée sédimentaire qui s’est formée il y a plus de 350 millions d’années à la période carbonifère. Le climat chaud et humide qui y régnait, l’atmosphère riche en dioxyde de carbone (cf. Dioxyde de carbone), favorisaient la croissance des plantes dans des forêts équatoriales luxuriantes.

Ces végétaux et plantes croissaient, vivaient et mouraient en déposant sur le sol des quantités énormes de feuilles, branches, troncs qui pourrissaient dans d’immenses tourbières et qui avec les changements géologiques se sont retrouvées enfermées dans les couches du sous-sol.
Soumises à la pression et à la température, elles se sont transformées progressivement en carbone fossile ou parfois en gaz et en pétrole.
Au cours de ces millions d’années, se développeront donc des strates à différentes profondeurs qui vont constituer les poches ou filons de charbon que l’homme va exploiter pour trouver du combustible. Les premières exploitations datent probablement du XIe siècle où l’on parle du « charbon de terre ».
La houille commence à servir pour le chauffage et la cuisson des aliments dans les pays où le bois devient assez rare comme en Angleterre et en Ecosse, car sa chaleur est plus intense et plus durable que celle des braises de charbon de bois.

En fonction de la teneur en carbone et du pouvoir calorifique, on distingue plusieurs variétés de houille depuis l’anthracite (le plus riche) à la tourbe (la plus pauvre) :

Produit % de carbone
Anthracite 95
Charbon maigre 92
Charbon demi-gras 85
Charbon gras 80
Lignite 55
Toube < 55

D’autres valeurs comme la teneur en matières volatiles : méthane (cf. Méthane) et dihydrogène (cf. Dihydrogène), sources du gaz de houille (le grisou), l’humidité et la teneur en cendres qui peuvent contenir des métaux lourds et la teneur en soufre complètent ces caractéristiques.

L’exploitation comme en Angleterre, en France et en Belgique se fait par des mines à plus ou moins grande profondeur. Des puits profonds sont creusés pour amener les mineurs et remonter le charbon sur le carreau et pour assurer l’aération. Entre ces deux types de puits, les mineurs extraient le charbon des veines et filons par abattage et creusent des galeries qui sont consolidées par le boisage.
Durant le XIXe siècle et une bonne partie du XXe, le travail se faisait à la main.
Actuellement des haveuses et des tapis de transfert ont remplacé la pioche, la pelle et les wagonnets trainés par les chevaux aveugles chers à Zola. Il n’en reste pas moins vrai que cette extraction reste dangereuse, guettée qu’elle est, par les poches de grisou, les éboulements, les inondations et la poussière de charbon.
Chaque année des catastrophes, notamment en Chine, rappellent la dangerosité de cette industrie minière.
On ne connait pas vraiment la date de l’invention du coke. On sait seulement que le développement de la « distillation » du charbon date des années 1790-1800 où l’essor de la métallurgie exigeait le remplacement du charbon de bois par le coke, notamment en Angleterre.
La « distillation » ou pyrolyse de la houille dégage des gaz et laisse un solide gris-noir, riche en carbone et très résistant mécaniquement.

Elle fut dans un premier temps un moyen d’obtenir le mélange CH4 + H2 + CO, dénommé gaz d’éclairage ou gaz de ville, dont la découverte se partage entre quatre auteurs dont un français, Philippe Lebon. Ce gaz diffusé et distribué dans les grandes villes comme Londres puis Paris après 1820 va voir s’implanter à leurs périphéries des usines à gaz -terme encore non péjoratif- donnant un sous-produit, le coke qui sera progressivement revendu aux métallurgistes. Employé dans les hauts-fourneaux, il assure la réduction des minerais de fer, ce qui nécessite environ 600 à 700 kg de coke pour obtenir une tonne de fonte.

L’utilisation du charbon se partage en trois grands domaines :

    • les centrales thermiques pour la production d’électricité et le chauffage urbain,
    • la sidérurgie pour la production de la fonte et de l’acier,
    • le chauffage domestique qui ne cesse de diminuer, concurrencé par le chauffage au fioul ou à l’électricité.

La carbochimie était jusque dans les années 1970 une source de chimie de base pour les dérivés aromatiques (cf.Benzène, Phénol), l’acétylène (cf. Acétylène), l’éthylène (cf. Éthylène)… Elle a pratiquement complètement disparu dans les pays où les mines ont fermé au profit de la pétrochimie.

L’exploitation des combustible solides, même si elle remonte au XIIe siècle a connu sa grande expansion dans les pays européens qui ont, au XIXe et une bonne partie du XXe siècle, basé leur économie industrielle sur l’exploitation massive de leurs réserves de charbon. En France, la production est passée par un maximum de 57 Mt en 1960, pour baisser en-dessous de 3Mt dans les années 2000 et s’arrêter définitivement après la fermeture du dernier puits de La Houvre en Lorraine en 2004, conformément au pacte charbonnier signé en 1994, l’exploitation de la houille française n’étant plus compétitive. Parallèlement, la consommation dans l’hexagone a été plus que divisée par deux entre 1973 (46 Mt) et 2008 (19Mt), dont 35 % pour la sidérurgie et encore 45% pour l’électricité d’origine thermique qui représente actuellement 6,9 GW fournis par dix centrales thermiques au charbon réparties sur tout le territoire national.

Nous sommes évidemment de faibles consommateurs face aux deux géants que sont la Chine avec 2 300 Mt et les Etats-Unis avec 1 125 Mt. L’essentiel de nos importations vient d’Australie, des Etats-Unis et de l’Afrique du Sud. Le prix spot de la tonne qui avait suivi l’envolée 2006-2008 des ressources fossiles, aggravée par une tension très forte sur la logistique due au manque de bateaux charbonniers, avait atteint le record de 140 €/t, mais est retombé aux alentours de 50 €/t. C’est donc une ressource énergétique plutôt bon marché face au pétrole et au gaz, avec de plus une large répartition géographique des gisements dans le monde dans des régions et états politiquement stables, qui contraste avec celle des gisements pétroliers et gaziers plus concentrée dans un nombre réduit de régions.

Le point noir (c’est le cas de le dire) vient cependant de la réputation du charbon d’être « sale » eu égard à ses émissions de gaz à effet de serre (GES) : Dioxyde de carbone (cf. Dioxyde de carbone) bien sûr, mais aussi dioxyde de soufre (cf. Soufre) et oxydes d’azote (cf. Protoxyde d’azote, Oxydes d’azote) sans oublier la volatilisation des métaux lourds : vanadium, cadmium, mercure. Malgré cela, la production mondiale de charbon a plus que doublé depuis 1973 et atteint près de 4 200 Mt.

Combustible Kg C02 par TEP
Lignite 4 400
Charbon 4 400
Fioul domestique 3 000
Fioul lourd 2 970
Gaz naturel 2 350

Les pays signataires du protocole de Kyoto et des intentions de Copenhague se sont engagés à limiter, voire diminuer, leurs émissions de GES et ont donc quelques scrupules à relancer de nouvelles centrales thermiques au charbon. Scrupules que ne peuvent avoir les pays émergents ou en plein développement, confrontés à des nécessités plus immédiates comme la Chine ou l’Inde, surtout s’ils peuvent exploiter leurs propres et importantes réserves.

Pour les pays européens, les situations de l’Allemagne, du Royaume-Uni et de la France sont très différentes :

    • l’Allemagne a une production forte et un « mix » électrique charbon fort,
    • le Royaume-Uni importe plus de charbon qu’il n’en extrait, et alors qu’il était auto-suffisant en énergie grâce au pétrole et au gaz de la mer du Nord, l’épuisement de ces ressources lui impose de trouver des solutions de remplacement. La mine de charbon de Hatfield, fermée en 2004, est en train de renaître et sa production annuelle de 2,5 Mt doit assurer un service de l’ordre de 40 ans,
    • pour la France, il est apparu un projet minier dans la Nièvre, projet déposé par la SEREN (Société d’exploitation des ressources énergétiques du Nivernais) à la suite de la découverte par le BRGM d’un gisement évalué à 300 Mt au sud est de Nevers. Le gouvernement qui doit décider, suivant le code minier, de son exploitation balance entre, d’une part la création d’emplois et l’accès à une ressource énergétique nationale peu coûteuse et, d’autre part la protection du climat après les engagements de Grenelle et les atteintes environnementales à un site plutôt agricole.

On estime que le charbon représente 40 % de la production mondiale d’électricité. D’ici 2030, le développement des pays en émergence, et notamment la Chine et l’Inde, cette production augmentera de 32 % et le charbon y contribuera alors à hauteur de 60 %. Le rythme d’implantation de centrales thermiques dans ces deux pays est impressionnant, de même que les risques pris dans l’exploitation minière. Si l’on pense pouvoir respecter les engagements de Kyoto ou les bonnes intentions de Copenhague, l’avenir passe par le « charbon propre ». Dans un premier temps, c’est l’amélioration du rendement des centrales thermiques qui permettra moins d’émissions pour la même quantité d’électricité produite. De 1950 à 1970 on est passé de 30 % à 35 %. En 2009, avec de meilleures technologies telle que la combustion du charbon pulvérisé en lit fluidisé avec cycle de vapeur supercritique ou un cycle combiné gaz-vapeur avec gazéification du charbon, on atteint des rendements de l’ordre de 45 %. Des recherches sur les futures technologies avec cycles combinés (IGCC, PPCC) laissent espérer 55 %, mais elles n’ont pas encore montré leur rentabilité économique. De plus, elles doivent encore résoudre les problèmes du traitement des gaz de combustion et la résistance à haute température des ailettes des turbines.

La solution ultime est bien sûr le captage et le stockage géologique du dioxyde de carbone dans des nappes profondes d’eau saumâtre, des gisements épuisés de pétrole et de gaz ou encore des cavités géologiques. Le captage et la séparation du dioxyde de carbone des fumées qui contiennent aussi SO2, H2O, N2O et N2 est une étape assez coûteuse (70 % du surcoût). Les méthodes d’oxycombustion (à l’oxygène pur) permettraient de sauter cette étape. Mais il reste la compression et le transport vers le réservoir géologique qui n’est pas forcément proche de la centrale thermique. Le prix additionnel total est estimé à 60 à 100 € par tonne de carbone séquestré. Reste aussi à convaincre de l’acceptabilité du procédé par les populations environnantes, si on en croit les demandes des associations du Sud-Ouest près du site expérimental de TOTAL. Le développement d’une chimie du dioxyde de carbone paraît aussi indispensable malgré les exigences en hautes températures et peut être la demande en hydrogène.

Des études économiques et environnementales sont en cours. Il est clair que les recherches et le développement industriel de ces nouvelles technologies sur un « vieux » combustible seront une alternative aux permis d’émissions qui devraient alors être mondiaux et pas seulement européens et probablement contraignants pour inciter aux investissements innovants.

Entre deux affirmations extrêmes « le charbon ennemi de l’environnement » et « le charbon propre avenir de l’énergie », préférons « le charbon n’est pas un problème, c’est une partie de la solution énergétique ».

Poème du jour :
Au nord c’était les corons,
La terre c’était le charbon,
Le ciel c’était l’horizon,
Les hommes, des mineurs de fond.
(Pierre Bachelet )

Sources :

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