charbon

5 février 2023
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charbon

Roche noire ou brune, souvent de couleur noire, inflammable et combustible . On la trouve dans les couches souterraines ou les veines . Elle est constituée principalement de carbone , en plus de proportions variables d'autres éléments (principalement de l'hydrogène , du soufre , de l'oxygène et de l'azote , dans ajout à d’autres éléments). [1] Le charbon est une roche sédimentaire qui se forme sous forme de couches de roches appelées veines de charbon. Le charbon se forme lorsque les plantes mortes se décomposent et deviennent de la tourbe , transformée par une chaleur élevée et une pression d'enfouissement pendant des millions d'années. Bien que la majeure partie du charbon soit formée dans des gisements stratifiés, ces gisements peuvent être exposés à des températures et à des pressions extrêmement élevées résultant d'intrusions ignées ou de déformations au cours du processus orogénique (c'est-à-dire des processus orogéniques ), ce qui peut conduire au développement d'anthracite et même de graphite. [2]

Le charbon est un combustible fossile qui a été utilisé tout au long de l'histoire comme source d'énergie thermique. Il a été utilisé pour le chauffage et comme carburant pour les locomotives au début de l'ère de l'invention de la machine à vapeur . Cependant, il existe de nombreux problèmes environnementaux comme un résultat de son utilisation, représenté par l'impact de l'industrie du charbon sur l'environnement et le réchauffement climatique , car le charbon est l'une des plus grandes sources d'émissions non naturelles de dioxyde de carbone (c'est-à-dire en raison des pratiques humaines). Aujourd'hui, la principale utilisation de cette énergie à l'échelle mondiale est la production d'électricité , et le charbon est également utilisé dans la production de coke , qui est une matière première de base dans l' industrie sidérurgique . D'autres matériaux résultent du processus de production de coke et peuvent être utilisés dans la fabrication de médicaments , de colorants et d'engrais . Dans la région arabe, l’Égypte utilise le charbon dans l’industrie du ciment. [3]

Les centrales électriques au charbon génèrent les deux tiers de l'électricité consommée dans le monde, bien que les générateurs électriques utilisant du charbon émettent environ 2 000 livres de dioxyde de carbone pour produire chaque mégawattheure, soit environ le double de ce que le gaz naturel émet pour produire la même énergie. (estimé à 1 100 livres). En 1999, les émissions mondiales totales de dioxyde de carbone provenant du charbon s'élevaient à 8 666 millions de tonnes. [4] En 2011, les émissions totales de dioxyde de carbone provenant du charbon étaient estimées à 14 416 tonnes. [5] En raison de l'efficacité plus élevée du gaz naturel dans la production d'électricité et de l'évolution du marché aux États-Unis d'Amérique visant à réduire la production d'électricité à partir du charbon et à l'augmenter à l'aide du gaz, les émissions de dioxyde de carbone y ont diminué et les valeurs du premier Le premier trimestre de 2012 était le plus bas jamais enregistré, au premier trimestre depuis 1992. [6] En 2013, le chef de l'agence des Nations Unies pour le climat a suggéré de garder la plupart des réserves de charbon dans le sol pour éviter un réchauffement climatique catastrophique. [7]


Stocks mondiaux de charbon en 2009 , en BTU


Extraction de charbon en Allemagne en 1965.

Le charbon est extrait du sol soit à partir de mines à puits, de mines à ciel ouvert ou de mines à ciel ouvert. La Chine est en tête de liste des producteurs de charbon depuis 1983. [8] En 2011, elle a produit 3 520 millions de tonnes de charbon, soit 49,5 % des 7 695 millions de tonnes produites dans le monde. En 2011, les États-Unis d'Amérique (993 millions de tonnes), l'Inde (589), l'Union européenne (576) et l'Australie (416) étaient les pays qui extrayaient le plus de charbon. [9] En 2010, les plus grands exportateurs étaient l'Australie (avec 328 millions de tonnes, 27,1 % du volume des exportations mondiales) et l'Indonésie (avec 316 millions de tonnes (26,1 %)), [10] tandis que les plus grands importateurs étaient le Japon avec 207 millions de tonnes. tonnes (17,5 % du volume des exportations mondiales). Importations mondiales de charbon), la Chine avec 195 millions de tonnes (16,6 %) et la Corée du Sud avec 126 millions de tonnes ( 10,7 %).

Origine du mot

Le mot prenait à l'origine la forme col en vieil anglais, qui à son tour proviendrait de « charbon actif ». Les apparentés incluent le vieux frison cole, le moyen néerlandais kol, le néerlandais kool, le vieux haut allemand chole, l'allemand Kohle et le vieux norrois kol, et le gual irlandais est également apparenté via la racine indo-européenne .

Géologie

Le charbon est composé de minéraux et d'eau. Peut-être que des fossiles et de l'ambre sont présents dans le charbon.



Un modèle de la composition chimique du charbon

La conversion de la végétation morte en charbon de bois est appelée coalescence. À diverses époques du passé géologique, la Terre possédait des forêts denses dans les zones humides de plaine. Dans ces zones humides, le processus de houilification a commencé lorsque le matériel végétal mort et ressuscité a été protégé de la décomposition et de l'oxydation, généralement par de l'argile ou de l'eau acide, et transformé en tourbe. Cela a piégé le carbone dans d’immenses marécages qui ont finalement été profondément enfouis sous les sédiments. Puis, pendant des millions d’années, la chaleur et la pression d’un enfouissement profond ont provoqué une perte d’eau, de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi qu’une augmentation de la teneur en carbone. [12] La qualité du charbon produit dépend de la température maximale atteinte par la pression, le lignite (également appelé « lignite ») étant produit dans des conditions relativement douces, le charbon sous-bitumineux, le charbon bitumineux ou l'anthracite (également appelé « houille » ou "charbon noir"). ») est produit à son tour avec une température et une pression croissantes. [13]

Parmi les facteurs impliqués dans le processus de fortification, la température est plus importante que la pression ou la durée d’enfouissement. Le charbon peut se former à des températures aussi basses que 35 à 80 °C (95 à 176 °F), tandis que l'anthracite nécessite une température d'au moins 180 à 245 °C (356 à 473 °F). [14]

Bien que le charbon soit connu pour la plupart des périodes géologiques, 90 % de tous les gisements de charbon ont été déposés au cours des périodes Carbonifère et Permien, qui ne représentent que 2 % de l'histoire géologique de la Terre. [15] Ironiquement, c'était à la fin de la période glaciaire du Paléozoïque, une période de glaciation mondiale. Cependant, la baisse du niveau mondial de la mer accompagnant la glaciation a exposé le plateau continental auparavant submergé, y ajoutant de larges deltas fluviaux résultant d'une érosion accrue due à la baisse du niveau de base. Ces vastes zones humides offraient des conditions idéales pour la formation du charbon. La formation rapide du charbon a pris fin avec l'interruption du charbon et l'extinction a lieu entre le Permien et le Trias, lorsque le charbon est rare. [16]

Une géographie favorable n’explique pas à elle seule les vastes veines de charbon du Carbonifère. D'autres facteurs qui ont contribué au dépôt rapide du charbon étaient des niveaux élevés d'oxygène , supérieurs à 30 %, qui ont conduit à de graves incendies de forêt et à la formation de charbon de bois indigeste par les organismes en décomposition. Des niveaux élevés de dioxyde de carbone favorisaient la croissance des plantes ; et la nature des forêts carbonifères, qui comprenaient des arbres lycophytes dont la croissance spécifique signifiait que le carbone n'était pas retenu dans le bois de cœur des arbres vivants pendant de longues périodes. [17]

Une théorie suggérait qu'il y a environ 360 millions d'années, certaines plantes avaient développé la capacité de produire de la lignine, un polymère complexe qui rend les tiges de cellulose plus rigides et plus ligneuses. La capacité de produire de la lignine a conduit au développement des premiers arbres. Mais les bactéries et les champignons n’ont pas immédiatement développé la capacité de décomposer la lignine, de sorte que le bois ne s’est pas complètement décomposé mais a été enfoui sous les sédiments, pour finalement se transformer en charbon de bois. Il y a environ 300 millions d'années, des champignons et d'autres champignons ont développé cette capacité, mettant fin à la principale période de formation de charbon de l'histoire de la Terre. [18] Cependant, une étude de 2016 a largement réfuté cette idée, trouvant de nombreuses preuves de dégradation de la lignine au cours du Carbonifère et que les changements dans l'abondance de la lignine n'avaient aucun effet sur la formation de charbon. Ils ont suggéré que les facteurs climatiques et tectoniques constituaient une explication plus plausible.

Le charbon est connu dans les strates précambriennes , antérieures aux plantes terrestres. Ce charbon de bois proviendrait de restes d’algues. [19]

Parfois, les veines de charbon (également connues sous le nom de veines de charbon) sont intercalées avec d'autres gisements dans le cyclothème. On pense que les cyclothèmes trouvent leur origine dans des cycles glaciaires qui ont produit des fluctuations du niveau de la mer , qui ont alternativement exposé puis submergé de vastes zones du plateau continental. [19]

Chimie de la coalition

La tourbe moderne est principalement composée de lignine. La composante cellulose et hémicellulose varie de 5 % à 40 %. Divers autres composés organiques sont également présents, tels que la cire et les composés contenant de l'azote et du soufre. [20] Les lignines sont des polymères de monolignols, une famille d'alcools qui partagent un cycle benzénique avec une chaîne latérale d'alcool allylique. Ceux-ci sont réticulés par des chaînes glucidiques pour former de la lignine, qui a une composition générale d'environ (C 31 H 34 O 11 ) n . La cellulose est un polymère de glucose de formule approximative (C 6 H 10 O 5 ) n. [21] La lignine est composée en poids d'environ 54 % de carbone, 6 % d'hydrogène et 30 % d'oxygène, tandis que la cellulose a une composition pondérale d'environ 44 % de carbone, 6 % d'hydrogène et 49 % d'oxygène. Le charbon bitumineux est composé d'environ 84,4 % de carbone, 5,4 % d'hydrogène, 6,7 % d'oxygène, 1,7 % d'azote et 1,8 % de soufre, sur une base pondérale. Cela signifie que les processus chimiques au cours du processus de carbonisation doivent éliminer la majeure partie de l’oxygène et une grande partie de l’hydrogène, laissant derrière eux du carbone, un processus appelé carbonisation. [18]

Le processus de carbonatation est principalement réalisé par déshydratation , décarboxylation et déméthanisation. La déshydratation élimine les molécules d'eau du charbon mature via des réactions telles que [22].

2 R – OH → R – O – R + H 2 O

2 R-CH2-O-CH2-R → R-CH = CH-R + H 2 O

La décarboxylation élimine le dioxyde de carbone du charbon mature et est obtenue par une réaction telle que :

RCOOH → RH + CO2

Alors que le processus d'élimination du méthane se poursuit par une réaction telle que

2 R-CH 3 → R-CH 2 -R + CH 4

Dans chacune de ces formules, R représente le reste de la molécule de cellulose ou de lignine à laquelle les groupes réactifs sont attachés.

La déshydratation et la décarboxylation se produisent au début du processus de cémentation, tandis que la déméthanisation ne commence qu'une fois que le charbon a déjà atteint la qualité bitume. [23] L'effet de la décarboxylation est de réduire le pourcentage d'oxygène, tandis que l'élimination du méthane réduit le pourcentage d'hydrogène. La déshydratation fait les deux et réduit également la saturation du squelette carboné (augmentant le nombre de doubles liaisons entre les carbones).

À mesure que la carbonisation se poursuit, les composés aliphatiques (composés carbonés caractérisés par des chaînes d'atomes de carbone) sont remplacés par des composés aromatiques (composés carbonés caractérisés par des anneaux d'atomes de carbone) et les anneaux aromatiques commencent à se combiner en plusieurs composés aromatiques (anneaux d'atomes de carbone liés). [24] La structure ressemble de plus en plus au graphène , l'élément structurel du graphite.

Les changements chimiques s'accompagnent de changements physiques, comme une diminution de la taille moyenne des pores. Les éléments minéraux (molécules organiques) du lignite sont composés d'hominite, d'apparence terreuse. À mesure que le charbon mûrit en charbon sous-bitumineux, l'hominite commence à être remplacée par de la vitrinite vitreuse (brillante). [25] La maturation du charbon est caractérisée par le bitume, où une partie du charbon est transformée en bitume, une matière gélatineuse riche en hydrocarbures. La maturation en anthracite est caractérisée par une déméthanisation (de la déméthanisation) et une tendance accrue de l'anthracite à se séparer par fracture conchoïdale, semblable à la façon dont les fractures du verre épais. [26]

le genre



charbon

À mesure que les processus géologiques exercent une pression sur les matières biologiques mortes au fil du temps, dans des conditions appropriées, leur degré ou rang métamorphique augmente séquentiellement jusqu'à :

  • La tourbe , précurseur du charbon
  • Le lignite , ou lignite, la qualité de charbon la plus basse et la plus nocive pour la santé [27] , est utilisé presque exclusivement comme combustible pour produire de l'énergie électrique.
  • Le charbon sous-bitumineux, dont les propriétés se situent entre celles du lignite et celles du charbon bitumineux, est principalement utilisé comme combustible pour la production de vapeur et d'électricité.
  • Le charbon, une roche sédimentaire dense, généralement noire, mais parfois brun foncé, souvent avec des bandes bien définies de matière brillante et terne. Il est principalement utilisé comme combustible dans la production de vapeur et d'électricité et pour fabriquer du coke . Connu sous le nom de charbon vapeur au Royaume-Uni, il était historiquement utilisé pour produire de la vapeur dans les locomotives à vapeur et les navires.
  • L'anthracite , le charbon le mieux classé, est un charbon noir plus dur et brillant utilisé principalement pour chauffer les espaces résidentiels et commerciaux.
  • Le graphite est difficile à enflammer et n'est pas couramment utilisé comme combustible ; Il est le plus souvent utilisé dans les crayons ou comme poudre lubrifiante.

Le charbon de canal (parfois appelé « charbon de bougie ») est une variété de charbon à grains fins et de haute qualité avec une teneur élevée en hydrogène, composé principalement de leptinite.

Il existe plusieurs normes internationales pour le charbon. [28] La classification du charbon est généralement basée sur la teneur en matières volatiles. Mais la distinction la plus importante concerne le charbon thermique (également connu sous le nom de charbon vapeur), qui est brûlé pour produire de l'électricité via la vapeur ; Charbon minéral (également connu sous le nom de coke), qui est brûlé à haute température pour fabriquer de l'acier .

La loi de Hilt est une observation géologique selon laquelle (dans une petite zone) plus un charbon est profond, plus son rang (ou sa qualité) est élevé. Il est appliqué si le gradient de température est complètement vertical ; Cependant, le métamorphisme peut provoquer des changements latéraux de rang, quelle que soit la profondeur. Par exemple, certaines veines de charbon des champs houillers de Madrid et du Nouveau-Mexique ont été partiellement converties en charbon anthracite par métamorphisme de contact d'un filon-couche igné tandis que les veines restantes sont restées sous forme de charbon bitumineux. [29]



Un train de l'Alaska Railroad transportant du charbon en route vers Anchorage en 1917

L'utilisation connue la plus ancienne vient de la région de Shenyang en Chine, où vers 4000 avant JC les peuples du Néolithique ont commencé à sculpter des ornements à partir de lignite noir. [30] Charbon de la mine de cuivre de Fushun, dans le nord-est de la Chine, datant de 1000 avant JC. Marco Polo, un Italien qui a voyagé en Chine au XIIIe siècle, a décrit le charbon comme « des pierres noires... qui brûlent comme des bûches », et a déclaré que le charbon était si abondant que les gens pouvaient prendre trois bains chauds par semaine. [31] En Europe, la première référence à l’utilisation du charbon comme combustible provient du traité géologique Sur les pierres (Roll 16) de l’érudit grec Théophraste (vers 371 – 287 av. J.-C.) : [32]

Parmi les matériaux extraits parce qu'utiles, ceux connus sous le nom de braise (charbon) sont constitués de terre et, une fois incendiés, ils brûlent comme du charbon de bois. On les trouve en Ligurie... et en Elis lorsqu'on approche d'Olympie par la route de montagne ; Ils sont utilisés par ceux qui travaillent les métaux. -

Le charbon extrudé était utilisé en Grande-Bretagne à l'âge du bronze (3 000-2 000 avant JC), où il faisait partie des bûchers funéraires. Dans la Grande-Bretagne romaine, à l'exception de deux bassins houillers modernes, les Romains exploitaient le charbon dans tous les principaux bassins houillers d'Angleterre et du Pays de Galles à la fin du deuxième siècle après JC. Des preuves du commerce du charbon, remontant à environ 200 après JC, ont été trouvées dans une colonie romaine à Heronbridge, près de Chester , ainsi qu'à Fenland, où le charbon des Midlands était transporté à travers la digue de Carr pour être utilisé dans le séchage des céréales. [33] Des cendres de charbon ont été trouvées dans les foyers de villas et de forts romains, en particulier dans le Northumberland, datant d'environ 400. Dans l'ouest de l'Angleterre, des écrivains contemporains ont décrit la merveille d'un brasier de charbon de bois debout sur l'autel de Minerve à Acqui Sulis. ( Bath moderne), bien que le charbon de surface facilement accessible de ce qui est devenu le bassin houiller du Somerset était couramment utilisé localement dans les habitations très basses. [34] Des preuves de l'utilisation du charbon de bois dans les usines sidérurgiques de la ville ont été trouvées pendant la période romaine. À Eschweiler, en Rhénanie, les Romains utilisaient des gisements de charbon pour fondre du minerai de fer. [35]




Ouvriers du bassin houiller d'Umbilin à Sumatra vers 1860-1900

Rien ne prouve que la miniaturisation des produits ait eu une grande importance en Grande-Bretagne avant l’an 1000 environ ou au Haut Moyen Âge. [36] Le charbon était appelé « charbon marin » au XIIIe siècle. Le quai sur lequel le matériel arrivait à Londres était connu sous le nom de charbon de mer, c'est pourquoi il fut identifié dans une charte du roi Henri III accordée en 1253. Initialement, ce nom fut donné parce qu'une grande quantité de charbon fut trouvé sur la plage, tombé de les veines de charbon exposées sur les falaises au-dessus ou lavées des affleurements de charbon sous-marins, mais à l'époque d'Henri VIII, on pensait qu'elles provenaient de la façon dont il était transporté jusqu'à Londres par voie maritime. [37]

Ces sources facilement accessibles furent largement épuisées (ou ne purent répondre à la demande croissante) au XIIIe siècle, lorsque l'extraction souterraine par puits se développa. L'autre nom était « charbon de mine », car il provenait des mines. Le développement de la révolution industrielle a conduit à une utilisation généralisée du charbon, la machine à vapeur prenant le pas sur la roue hydraulique. En 1700, les cinq sixièmes de la production mondiale de charbon étaient extraits en Grande-Bretagne. La Grande-Bretagne aurait manqué de sites appropriés pour les moulins à eau dans les années 1830 si le charbon n'avait pas été disponible comme source d'énergie. [38] En 1947, il y avait environ 750 000 mineurs en Grande-Bretagne [39] mais la dernière mine de charbon en profondeur du Royaume-Uni a fermé ses portes en 2015. [40]

La nuance située entre le charbon bitumineux et l'anthracite était autrefois connue sous le nom de « charbon vapeur », car elle était largement utilisée comme combustible pour les locomotives à vapeur. Dans cet usage spécialisé, il est parfois connu sous le nom de « charbon marin » aux États-Unis. Les petits « charbons vapeur », également appelés petits charbons vapeur secs (ou DSSN), sont utilisés comme combustible pour le chauffage de l'eau domestique. [41]

Le charbon a joué un rôle important dans l’industrie aux XIXe et XXe siècles. Le prédécesseur de l'UE, la Communauté européenne du charbon et de l'acier, était fondé sur le commerce de ce produit de base.

Le charbon continue d’atteindre les côtes du monde entier en raison de l’érosion naturelle des veines de charbon exposées et des déversements de vent provenant des cargos. De nombreuses maisons dans ces régions collectent ce charbon comme source importante, et parfois primaire, de combustible de chauffage domestique. [42]

Intensité des émissions

L’intensité des émissions correspond aux gaz à effet de serre émis pendant la durée de vie d’un générateur par unité d’électricité produite. L’intensité des émissions des centrales électriques au charbon est élevée, émettant environ 1 000 grammes d’équivalent CO2 par kilowattheure généré, tandis que le gaz naturel a une intensité d’émission moyenne, soit environ 500 grammes d’équivalent CO2 par kilowattheure. L'intensité des émissions de charbon varie selon le type et la technologie du générateur et dépasse 1 200 grammes par kWh dans certains pays. [43]

Densité énergétique _ _

La densité énergétique du charbon est d'environ 24 mégajoules par kilogramme (environ 6,7 kWh par kilogramme). Pour une centrale électrique au charbon avec un rendement de 40 %, il faut 325 kg (717 lb) de charbon pour alimenter une lampe de 100 watts pendant un an. [44]

En 2017, 27,6 % de l’énergie mondiale provenait du charbon, dont près des trois quarts en Asie. [45]

chimie

formation

La composition du charbon est rapportée soit sous la forme d'une analyse immédiate (humidité, matières volatiles, carbone fixe et cendres) ou d'une analyse finale (cendres, carbone, hydrogène, azote, oxygène et soufre). Il n’existe pas de « matière volatile » en soi (à l’exception d’un peu de méthane absorbé) mais elle définit les composés volatils produits et excrétés par le chauffage du charbon. Un charbon bitumineux typique peut avoir une analyse finale sur une base sèche et sans cendres de 84,4 % de carbone, 5,4 % d'hydrogène, 6,7 % d'oxygène, 1,7 % d'azote et 1,8 % de soufre, sur une base pondérale. [46]

Le coke et ses utilisations pour la fonte du fer


Du coke tiré des chemins de fer de l'Ohio, aux États-Unis

Le coke est un résidu de carbone solide dérivé du coke (charbon bitumineux à faible teneur en cendres et en soufre, également connu sous le nom de charbon métallurgique), utilisé dans la fabrication de l'acier et d'autres produits sidérurgiques. [47] Le coke est fabriqué à partir de coke en le cuisant dans un four sans oxygène à des températures allant jusqu'à 1 000 °C, en éliminant les composants volatils et en fusionnant le carbone fixé et les cendres restantes. Le coke minéral est utilisé comme combustible et comme agent réducteur lors de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. [48] Le monoxyde de carbone résultant de sa combustion réduit l'hématite (oxyde de fer) en fer.

Les déchets de dioxyde de carbone sont également produits avec le minerai de fer, qui est très riche en carbone dissous, il doit donc être à nouveau traité pour fabriquer de l'acier.

La quantité de coke est faible dans les cendres, car le soufre et le phosphore ne se combinent pas avec ce métal. Le coke doit être suffisamment résistant pour supporter le poids du haut fourneau [47] , c'est pourquoi le coke est important dans la fabrication de l'acier selon les méthodes traditionnelles. Le coke de charbon est gris, dur, poreux et a un pouvoir calorifique de 29,6 MJ/kg. Certains procédés de fabrication du coke produisent des dérivés, notamment le goudron de houille, l'ammoniac, les huiles légères et le gaz de houille.

Le coke de pétrole est le résidu solide obtenu lors du raffinage du pétrole, qui est similaire au coke mais contient trop d'impuretés pour être utile dans les applications métallurgiques.


Utilisation dans les composants de fonderie

Le charbon finement broyé, connu dans cette application sous le nom de charbon marin, est un composant du sable de fonderie. Pendant que le métal en fusion est dans le moule, le charbon de bois brûle lentement, réduisant les gaz lors de la compression, empêchant ainsi le métal de pénétrer dans les pores du sable. On le retrouve également dans le « mold wash », qui est une pâte ou un liquide ayant la même fonction appliqué sur le moule avant la coulée. [49] Le charbon marin peut être mélangé avec le revêtement d'argile (« corps ») utilisé au fond du four à cubilot. Lorsqu'il est chauffé, le charbon se décompose et le corps devient quelque peu cassant, ce qui facilite l'ouverture des trous pour extraire le métal en fusion. [50]

Alternatives au Coca


La ferraille d'acier peut être recyclée dans un four à arc électrique ; Une alternative à la fabrication du fer par fusion est le fer réduit directement, où n'importe quel combustible carboné peut être utilisé pour fabriquer des éponges ou des granulés de fer. Les émissions de dioxyde de carbone sont considérées comme réduisant l'hydrogène et l'agent réducteur ainsi que la biomasse ou les déchets peuvent être utilisés comme source de carbone. [51] Historiquement, le charbon était utilisé comme substitut au coke dans le haut fourneau, le fer résultant étant connu sous le nom de fer de charbon.


Processus de gazéification

La gazéification du charbon, dans le cadre d'une centrale électrique au charbon à cycle de gazéification intégré (IGCC), est utilisée pour produire du gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène gazeux ( H2 ) pour alimenter des turbines à gaz afin de produire de l'électricité. Le gaz en croissance peut également être converti en carburants de transport, tels que l'essence et le diesel, grâce au procédé Fischer-Tropsch. Alternativement, le gaz de synthèse peut être converti en méthanol, qui peut être mélangé directement au carburant ou converti en essence via un processus de transformation du méthanol en essence. Gazéification avec la technologie Fischer-Tropsch par Sasol, une entreprise chimique sud-africaine qui fabrique des produits chimiques et des carburants à partir du charbon. [52]

Lors de la gazéification, le charbon est mélangé à de l'oxygène et de la vapeur tout en étant chauffé et comprimé. Au cours de la réaction, les molécules d'oxygène et d'eau oxydent le charbon en monoxyde de carbone (CO), tout en libérant également de l'hydrogène gazeux (H 2 ). Cela se faisait dans les mines de charbon souterraines, mais aussi pour fabriquer du gaz de ville qui était apporté aux clients pour être brûlé pour l'éclairage, le chauffage et la cuisine.

3C + O 2 + H 2 O → H 2 + 3CO



Dessin montrant la réaction de Fischer-Tropsch

Si une entreprise de raffinage souhaite produire de l’essence, le gaz de synthèse est dirigé vers la réaction Fischer-Tropsch. C’est ce qu’on appelle la liquéfaction indirecte du charbon. Cependant, si l'hydrogène est le produit final souhaité, le gaz de synthèse est introduit dans une réaction de gazéification de l'eau, où davantage d'hydrogène est libéré :

Monoxyde de carbone + H2O → CO2 + H2

Liquéfaction



Un diagramme montrant le processus de liquéfaction du charbon

Le charbon peut être converti directement en carburant synthétique équivalent à l’essence ou au diesel par hydrogénation ou carbonisation. [53] La liquéfaction du charbon émet plus de dioxyde de carbone que la production de carburant liquide à partir du pétrole brut. L’incorporation de biomasse et l’utilisation du CSC émettraient un peu moins que le procédé pétrolier, mais à un coût plus élevé. [54] La société d'État China Energy Investment Company exploite une usine de liquéfaction de charbon et prévoit d'en construire deux autres. [55]

La liquéfaction du charbon peut également indiquer des risques pour la cargaison lors du transport du charbon. [56]


Production chimique


Des produits chimiques sont produits à partir du charbon depuis les années 1950. Le charbon peut être utilisé comme matière première dans la production d’une large gamme d’engrais chimiques et d’autres produits chimiques. La principale voie d'écoulement de ces produits a été la gazéification du charbon pour produire du gaz de synthèse. Les produits chimiques primaires produits directement à partir du gaz de synthèse comprennent le méthanol, l’hydrogène et le monoxyde de carbone, qui sont les éléments chimiques à partir desquels toute une gamme de produits chimiques dérivés sont fabriqués, notamment les oléfines, l’acide acétique, l’ammoniac, l’urée et d’autres. La polyvalence du gaz de synthèse en tant que précurseur des produits chimiques en amont et des produits dérivés de grande valeur offre la possibilité d’utiliser le charbon pour produire une large gamme de biens. Cependant, au XXIe siècle, l’utilisation du méthane de houille est devenue plus importante. [57]

Étant donné que la liste des produits chimiques pouvant être fabriqués par gazéification du charbon peut également être utilisée comme matière première générale dérivée du gaz naturel et du pétrole, l’industrie chimique a tendance à utiliser la matière première la plus rentable. Par conséquent, l’intérêt pour le charbon a eu tendance à augmenter en raison de la hausse des prix du pétrole et du gaz naturel et pendant les périodes de forte croissance économique mondiale qui ont pu mettre à rude épreuve la production pétrolière et gazière. [58]

Production d'électricité


Traitement de précombustion

Le charbon raffiné est le produit d'une technologie de valorisation du charbon qui élimine l'humidité et certains contaminants des charbons de moindre qualité tels que le charbon semi-bitumineux et le lignite (brun). Il s'agit d'une forme de traitement et de processus de pré-combustion du charbon qui modifie les propriétés du charbon avant qu'il ne soit brûlé. Des améliorations de l'efficacité thermique peuvent être obtenues grâce à un pré-séchage amélioré (particulièrement pertinent pour les combustibles à forte humidité tels que le lignite ou la biomasse). [59] Les objectifs des technologies de pré-combustion du charbon sont d'augmenter l'efficacité et de réduire les émissions lors de la combustion du charbon. La technologie de précombustion peut parfois être utilisée en complément des technologies de postcombustion pour contrôler les émissions des chaudières au charbon.


Centrale électrique

Le charbon brûlé comme combustible solide dans les centrales électriques au charbon pour produire de l’électricité est appelé charbon thermique. Le charbon est également utilisé pour produire des températures très élevées par combustion. Les décès prématurés dus à la pollution atmosphérique ont été estimés à 200 par gigawatt par an, mais ils peuvent être plus élevés autour des centrales électriques où les épurateurs ne sont pas utilisés ou inférieurs si elles sont éloignées des villes. [60] Les efforts déployés partout dans le monde pour réduire la consommation de charbon ont conduit certaines régions à se tourner vers le gaz naturel et l’électricité provenant de sources à faibles émissions de carbone.

Lorsque le charbon est utilisé pour produire de l’électricité, il est généralement broyé puis brûlé dans un four équipé d’une chaudière. [61] La chaleur du four convertit l'eau de la chaudière en vapeur, qui est ensuite utilisée pour faire tourner des turbines qui entraînent des générateurs et produisent de l'électricité. [62] L'efficacité thermique de ce procédé varie entre 25 % et 50 % selon le traitement de précombustion, la technologie de la turbine (par exemple générateur de vapeur supercritique) et l'âge du générateur. [63]

Quelques centrales électriques à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC) ont été construites, qui brûlent le charbon plus efficacement. Au lieu de décomposer le charbon et de le brûler directement comme combustible dans des chaudières génératrices de vapeur, le charbon est gazéifié pour créer du gaz ascendant, qui est brûlé dans une turbine à gaz pour produire de l'électricité (tout comme le gaz naturel est brûlé dans une turbine). Les gaz d'échappement chauds de la turbine sont utilisés pour transporter la vapeur vers un générateur de vapeur à récupération de chaleur qui entraîne une turbine à vapeur supplémentaire. L’efficacité globale de l’usine lorsqu’elle est utilisée pour fournir de la chaleur et de l’électricité peut atteindre 94 %. [64] Les centrales électriques IGCC émettent moins de pollution locale que les centrales au charbon pulvérisé conventionnelles ; Cependant, les technologies de captage et de stockage du carbone après gazéification et avant combustion se sont jusqu’à présent révélées trop coûteuses à utiliser avec le charbon. [65] D'autres méthodes d'utilisation du charbon sont le combustible à base de boues de charbon et d'eau (CWS), qui a été développé en Union soviétique, ou dans le cycle MHD. Cependant, ils ne sont pas largement utilisés en raison du manque de profit.

En 2017, 38 % de l'électricité mondiale provenait du charbon, soit le même pourcentage qu'il y a 30 ans. [66] En 2018, la capacité installée mondiale était de 2 TW (dont 1 TW en Chine), ce qui représentait 30 % de la capacité totale de production d’électricité. Le grand pays le plus dépendant est l’Afrique du Sud, avec plus de 80 % de son électricité produite à partir du charbon.

La consommation maximale de charbon a été atteinte en 2013. [67] En 2018, le facteur de capacité moyen d'une centrale électrique au charbon était de 51 %, c'est-à-dire qu'elle fonctionne pendant environ la moitié des heures de fonctionnement disponibles.



le critique

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