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Les nergies fossiles David Wilgenbus Page 1 sur 18

Rdacteur David WILGENBUS La main la pte Socit franaise de physique

Dossier Les nergies fossiles

(ce dossier est en ligne sur le site de La main la pte : http://www.inrp.fr/lamap/?Page_Id=16&Action=2&Element_Id=366&DomainScienceType_Id=7)


Table des matires

1 Introduction ........................................................................................................................ 3 2 Le charbon.......................................................................................................................... 3

2.1 Formation ................................................................................................................... 3 2.2 Diffrentes tapes de la fermentation......................................................................... 4 2.3 Les diffrentes mines ................................................................................................. 4 2.4 Le coup de grisou ....................................................................................................... 5 2.5 Transport .................................................................................................................... 5 2.6 Rserves ..................................................................................................................... 5 2.7 Utilisation ................................................................................................................... 5

3 Le gaz naturel ..................................................................................................................... 6 3.1 Formation ................................................................................................................... 6 3.2 Prospection ................................................................................................................. 6 3.3 Transport .................................................................................................................... 7 3.4 Stockage ..................................................................................................................... 7 3.5 Rserves et dveloppement ........................................................................................ 8 3.6 Proprits du gaz naturel ............................................................................................ 8 3.7 Utilisations ................................................................................................................. 9 3.8 La cognration .......................................................................................................... 9 3.9 La climatisation ........................................................................................................ 10 3.10 Le GNV (gaz naturel pour vhicule)........................................................................ 11

4 Le ptrole.......................................................................................................................... 11 4.1 Formation ................................................................................................................. 11 4.2 Prospection ............................................................................................................... 12 4.3 Transport .................................................................................................................. 13 4.4 Raffinage .................................................................................................................. 13

La distillation.................................................................................................................... 13 Le craquage thermique ..................................................................................................... 13 Le craquage catalytique.................................................................................................... 14

4.5 Stockage et rserve................................................................................................... 15 5 Les centrales thermiques flamme (fioul, gaz naturel, charbon) .................................... 15

5.1 Fonctionnement ........................................................................................................ 15 5.2 Les combustibles ...................................................................................................... 16 5.3 Les fumes mises.................................................................................................... 16 5.4 Les gaz mis ............................................................................................................. 17 5.5 Rduction des missions de dioxyde de soufre........................................................ 17 5.6 Rduction des missions d'oxydes d'azote ............................................................... 17 5.7 Le rendement............................................................................................................ 18


1 Introduction Les nergies fossiles rsultent d'une accumulation d'nergie solaire capte par des tres vivants pendant des millions d'annes. Elles regroupent trois sources d'nergie que l'on connat bien :

o le charbon ; o le gaz naturel ; o le ptrole.

Ces nergies sont des nergies non renouvelables, contrairement aux nergies solaire, hydrolectrique, gothermique, olienne... Elles sont donc puisables. Ds l'antiquit le ptrole, rcupr en surface, est utilis pour de multiples usages : mdecine, clairage, tanchit des bateaux au Moyen Orient. Les gyptiens l'employent sous forme d'asphalte dans la conservation des momies et les Chinois l'utilisent pour chauffer leurs maisons, fabriquer des briques et cuire leurs aliments. Ils seront les premiers creuser des puits de ptrole, parfois jusqu' 1000 mtres de profondeur. Le gaz naturel est quant- lui utilis pour la cuisson des aliments. C'est avec la rvolution industrielle que l'utilisation de ces nergies fossiles s'intensifie. La houille, jusqu'alors utilise pour la combustion (la machine vapeur date de la fin du XVIIIme sicle), est distille au XIXme sicle pour produire du coke et du gaz de houille qui brule sans fume et qui est alors utilis pour l'clairage, la cuisson ou la production d'eau chaude. Il est ensuite dlaiss au profit du gaz naturel qui pollue bien moins. Le XIXme sicle voit aussi la naissance de l'industrie ptrolire, avec la rue vers l'or noir. Le ptrole prend de l'importance avec l'avnement du moteur explosion et devient l'gal du charbon. Au XXe sicle, l'utilisation du ptrole se diversifie (paraffine, plastique, huile lubrifiante...) tandis que l'industrie du charbon recule. La crise ptrolire de 1973 incitera certains pays comme la France se tourner vers d'autres formes d'nergie (nuclaire, hydrolectrique, solaire)...

2 Le charbon Le charbon est un terme gnral qui regroupe essentiellement la houille et le lignite. Il reprsente 80 % des nergies fossiles disponibles. C'est l'nergie fossile la plus abondante mais aussi la mieux rpartie.

2.1 Formation Le charbon rsulte de la dcomposition de dbris vgtaux accumuls, il y a des centaines de millions d'annes, dans des endroits marcageux, des lagunes et des deltas de fleuves. Les vgtaux immergs morts se sont dposs au fond de l'eau, fond qui s'est ainsi recouvert de feuilles, de bois, de pollen, d'corces, de spores, d'algues microscopiques... Ces dpts minraux ont t leur tour recouverts d'un dpt d'argile qui les a protgs de l'air. La fermentation a alors pu commencer. C'est cette fermentation qui donnera plus tard la houille. Pendant que les dpts ont ferment, du sable s'est accumul sur l'argile, permettant une nouvelle fort de pousser. Puis le bassin s'est de nouveau enfonc et une partie de la fort a de


nouveau t immerge. Et ainsi de suite. De tels gisements de charbon peuvent atteindre une surface de 5000 km2.

2.2 Diffrentes tapes de la fermentation Au cours de la fermentation, les dpts minraux passent par diffrents stades :

o la tourbe ; o le lignite ; o la houille ; o l'anthracite.

La tourbe ne peut pas tre qualifie de charbon. Elle commence peine se carboniser c'est--dire qu'elle contient seulement 60 % de carbone. C'est donc un mauvais combustible. Le lignite est un charbon fossile qui n'est pas encore arrive maturation. Elle a commenc se former il y a 60 millions d'annes environ et contient seulement 65 70 % de carbone. Elle brle mal et produit peu de chaleur donc peu d'nergie. La houille a commenc sa formation il y a 250 300 millions d'annes. Elle contient entre 80 et 90 % de carbone. Comme elle contient plus de carbone que la lignite, c'est un meilleur combustible. L'anthracite est peine plus g que la houille et contient un peu plus de carbone. On trouve aussi, dans les gisements, du graphite (carbone pur qui sert, entre autre, fabriquer les mines de crayon). Quant au coke, ce n'est pas du vrai charbon. C'est un rsidu de la distillation des charbons fossiles, de couleur gris argent. Dans les hauts fourneaux, il s'unit au minerai de fer pour donner de la fonte. De mme, le charbon de bois n'est pas naturel. C'est un charbon artificiel qui est obtenu par combustion incomplte de vgtaux.

2.3 Les diffrentes mines Il existe deux types d'exploitations :

o les mines souterraines ; o et les mines ciel ouvert.


Dans les mines souterraines, les mineurs creusent des galeries l'intrieur du sol jusqu' la veine (aussi appele filon) de charbon. L'accs aux veines exploiter se fait :

o soit par puits et par galeries ; o soit par descenderie (plan d'accs inclin et dbouchant au jour).

Les galeries peuvent tre directement creuses dans le filon (c'est le systme chambres et colonnes) ou bien enserrer le filon de manire circulaire. Dans le systme chambres et colonnes, le filon est abandonn avant d'tre compltement puis. En effet, au fur et mesure de l'exploitation, les colonnes s'amenuisent et la vote risque alors de s'crouler. Dans ces mines, la profondeur maximale des puits est gnralement de 1000 1200 mtres. Le puits le plus profond se trouve en Inde, Kolar et atteint plus de 3000 mtres de profondeur. Dans les mines ciel ouvert, l'exploitation se fait gnralement entre 10 et 400 mtres de profondeur. Ces mines ressemblent de grands amphithtres avec d'normes gradins. Durant l'exploitation, les couches de terre recouvrant ou entourant le charbon sont dcapes afin d'atteindre le filon. Ainsi, l'amphithtre s'largit progressivement et devient de plus en plus profond.

2.4 Le coup de grisou Le coup de grisou est l'accident li l'exploitation du charbon le plus connu. Le grisou est un gaz (compos essentiellement de mthane CH4) contenu dans la houille. Il est inflammable ds qu'il est prsent plus de 6 % dans l'air. Une simple tincelle suffit alors; c'est l'explosion ou coup de grisou. Le coup de grisou le plus meurtrier en France s'est produit en 1906 Courrires. Il fit environ un millier de victimes.

2.5 Transport Aux XVIIIe et XIXe sicles, les usines se plaaient gnralement autour des bassins charbonniers afin d'viter de longs transports. De nos jours, on transporte aisment le charbon par pipe-lines ou bien par voie fluviale, maritime ou ferroviaire. Les pipe-lines sont lquivalent des oloducs pour le ptrole. Ils sont plutt utiliss pour des transports sur de courtes distances. Pour tre transport ainsi, le charbon doit subir des modifications. En effet, le charbon se prsente sous forme de blocs solides. Il est donc broy sous forme de fines particules puis dilu dans une solution liquide. Pour les longues distances, le charbon est transport par barges ou pniches, par trains ou encore par bateaux sans tre pralablement transform.

2.6 Rserves Les principaux pays riches en charbon sont situs en zones tempres. Ce sont les Etats-Unis, la Belgique, la France (nord de la France), l'Allemagne, la Pologne, la Russie et la Chine. Les rserves exploitables de charbon correspondent 10 000 milliards de tonnes soit sept fois plus que celles du gaz et du ptrole. Ces rserves sont suffisantes pour subvenir aux besoins pendant environ 300 ans.

2.7 Utilisation De nos jours, le charbon est utilis :

o pour obtenir un substitut au gaz naturel, GNS (gaz naturel de synthse) : c'est la combustion directe du charbon dans la veine qui produit le GNS ;


o pour produire du mthane CH4 : il est produit naturellement dans les veines par dgazage du charbon ;

o en mtallurgie du fer et de l'acier (utilisation du coke pour l'obtention de fonte par exemple) ;

o et pour fabriquer des carburants et des fluides susceptibles d'tre brls dans les chaudires (centrales thermiques par exemple) ou transforms par la chimie (vernis, savon, plastiques, solvants, tergal, explosifs, parfums, colorants, caoutchouc, cosmtique, lubrifiants, dsinfectants, teintures, photographie, insecticides, goudrons, enduits, pharmacie ...)

3 Le gaz naturel Le gaz naturel est le combustible fossile le moins polluant. Ce gaz n'a pas toujours t celui que l'on employait dans les foyers et l'industrie. Auparavant, on utilisait du gaz manufactur, produit par distillation de la houille. Ce dernier fut remplac par le gaz naturel car il tait trop toxique et charg de soufre.

3.1 Formation Le gaz naturel s'est form pendant des millions d'annes partir de la dcomposition des matires organiques et vgtales. Il est produit dans les mmes poches que le ptrole. On le trouve :

o en gisement sec accompagn parfois de gouttelettes de ptrole (celui-ci a fui ailleurs ou bien il ne s'est pas form en quantit suffisante) ;

o ou en gisement humide c'est dire associ au ptrole. Le gaz brut, extrait du sous-sol, est charg de propane, butane, gazoline naturelle et hydrogne sulfur. Il est pur pour obtenir du gaz naturel (compos d'environ 90 % de mthane). Il faut aussi souvent sparer les gouttes d'hydrocarbure liquide se trouvant en suspension dans le gaz. C'est le dgazolinage. Le gaz ainsi obtenu est soit transport par canalisations souterraines, les gazoducs, pour tre utilis directement, soit stock dans des formations souterraines pour faire face une ventuelle demande.

3.2 Prospection La prospection est la recherche de gisements. Pour cela, on recherche les structures gologiques qui pourraient contenir ventuellement du gaz naturel. La mthode gnralement utilise est une mthode sismique ; elle consiste envoyer des ondes sonores depuis la surface ( l'aide d'un camion si on est sur un continent ou l'aide d'un bateau si on se trouve en pleine mer). Ces ondes se rflchissent sur les roches du sous-sol et sont recueillies en surface par le bateau ou par un second camion, enregistres puis analyses. C'est l'analyse couche par couche qui permet de dterminer la nature du sous-sol donc les roches qui le composent. On peut ainsi supposer la prsence ventuelle de gaz. Il faut ensuite raliser un forage pour s'assurer de sa prsence. En pleine mer, on installe des plateformes de forage. Ces plateformes peuvent peser jusqu' 50 000 tonnes soit environ 7 fois la masse de la Tour Eiffel et dpasser 200 mtres de hauteur. On peut aussi supposer la prsence du gaz naturel en ralisant un carottage du sol. Les carottes extraites renseignent sur la nature du sol, la hauteur des strates et les fossiles prsents, paramtres qui conditionnent la prsence du gaz naturel.


3.3 Transport On dispose de deux moyens pour le transport du gaz naturel. On peut le transporter :

o sous forme gazeuse par gazoduc (conduites souterraines ou immerges) ; o ou sous forme liqufie par mthanier.

Dans les gazoducs, le gaz naturel circule haute pression la vitesse de 30 km/h dans des canalisations pouvant atteindre 1,40 mtre de diamtre. Afin de dtecter d'ventuelles fuites de gaz, on plante au dessus des conduites souterraines une vgtation qui change d'aspect au contact du gaz. Actuellement, le rseau mondial de gazoducs reprsente environ 900 000 km de canalisations. La France dispose du premier rseau de transport europen avec plus de 30 000 km de canalisations. Ces gazoducs permettent d'apporter le gaz naturel directement aux habitations et aux industries. Aprs son extraction, le gaz est une pression de 70 bars soit 35 fois celle d'un pneu. Pour pouvoir l'utiliser, on place sur le rseau des dtendeurs qui ont pour rle d'abaisser la pression jusqu' 4 bars. Et cette pression va encore diminuer en arrivant chez le consommateur pour atteindre 20 mbar. On peut aussi transporter le gaz naturel par mthanier si le lieu d'extraction et le lieu de consommation sont trop loigns ou s'il n'existe pas de canalisation les reliant. Avec un mthanier, on peut transporter en un voyage la consommation d'une ville de 200 000 habitants. Ce mode de transport est beaucoup plus compliqu que le prcdent car pour pouvoir transporter le gaz naturel par bateau, il faut le liqufier au port d'embarquement afin de rduire son volume. Pour cela, on utilise le procd invent par le physicien et chimiste anglais, Michael Faraday : on abaisse sa temprature -160C. Le gaz naturel alors l'tat liquide occupe un volume 600 fois plus petit. Aprs dchargement, on vaporise le gaz naturel liqufi GNL et on le renvoie dans le rseau de gazoducs ou bien on le stocke. Actuellement, 25 % des changes internationaux sont assurs par les mthaniers.

3.4 Stockage Les rservoirs sont gnralement remplis l't pour faire face l'augmentation de consommation l'hiver ou une ventuelle impossibilit d'approvisionnement. La France possde 15 rservoirs de deux types : o en nappe aquifre ; o ou en couche de sel. Une nappe aquifre est une ralisation artificielle d'un gisement de gaz dans une roche poreuse et permable (calcaire ou grs) entre -300 et -1200 mtres. Cette roche est surmonte d'une couche de terrain impermable (argile en gnral) afin de stopper l'ascension du gaz naturel. La forme des nappes est le plus souvent un dme.


Le plus grand rservoir du monde est un rservoir en nappe aquifre. Il se trouve Chmery, dans le Loir-et-Cher et a une capacit de 7 milliards de m3 soit plus que la quantit de gaz encore contenu dans le gisement de Lacq. La seconde possibilit pour stocker le gaz naturel est le stockage en couche de sel. Pour cela, on ralise des cavits en forme de poire en dissolvant le sel du sous-sol par injection d'eau douce. Le gaz naturel est stock sous pression leve dans ces cavits.

3.5 Rserves et dveloppement Les rserves mondiales actuelles reprsentent plus de 70 ans de consommation au rythme actuel de consommation soit plus de 150 000 milliards de m3. De plus, chaque anne, on trouve plus de gaz naturel que l'on en consomme. Aujourd'hui, encore 3 % des quantits de gaz trouves sont brles la torche dans les pays ptroliers loigns des grands centres de consommation, faute de dbouch. En france, le plus grand gisement est celui de Lacq avec plus de 5 milliards de m3. Sa contenance initiale tait de 200 milliards de m3. Dans les annes soixantes, il rpondait 30 % des besoins nationaux. Il est dsormais quasiment puis. C'est pourquoi, la France importe environ 95 % du gaz naturel qu'elle consomme, principalement de Norvge, de Russie, d'Algrie et des Pays-Bas. Le gaz naturel reprsente en France 14,7 % de la consommation nergtique et dessert prs de 75 % de la population. Sa consommation est en constante progression dans le monde. En 2000, il reprsentait 24 % de l'nergie mondiale consomme contre 10 % en 1950.

3.6 Proprits du gaz naturel Le gaz naturel est un gaz incolore, inflammable et inodore quand on l'extrait du sous-sol. Afin de pouvoir le dtecter en cas de fuite, on lui ajoute une odeur caractristique. C'est le combustible fossile le plus "propre". Sa combustion ne gnre ni poussire, ni suie, ni fume. Elle dgage du dioxyde de carbone CO2, de la vapeur d'eau, un peu d'oxyde d'azote NOx et trs peu de dioxyde de soufre SO2. Pour une production d'nergie quivalente, il dgage :

o deux fois moins d'oxyde d'azote que le fioul et le charbon ; o 30 % de moins de dioxyde de carbone que le fioul lourd (fioul non catalys) ; o et 45 % de moins de dioxyde de carbone que le charbon.


3.7 Utilisations Le gaz naturel est prsent quotidiennement. Il est utilis :

o dans la cuisson : cuisinire, cuisine de restaurant, cantine scolaire, four, four de boulangerie, table de cuisson ;

o pour faire chauffer l'eau : l'eau est chauffe par un chauffe-eau au gaz naturel ; o pour se chauffer : l'eau qui circule dans les radiateurs est chauffe par une chaudire

au gaz naturel (actuellement, un franais sur deux est chauff au gaz naturel dans son habitation principale) ;

o pour produire de la chaleur : schage des peintures dans l'industrie automobile, chauffage des bains de teinture pour le textile, thermoformage des plastiques, chauffage du verre, des mtaux ...

o pour climatiser : bureaux, centres commerciaux, htellerie de chane ; o dans la cognration : chauffage de l'eau des piscines, chauffages des hpitaux,

chauffage des serres, papeterie, agroalimentaire... o pour les transports avec le GNV (Gaz Naturel pour Vhicule) : transport collectif

(bus), bennes ordures... o pour produire de l'lectricit dans les centrales thermiques flamme.

Il y a trois nouvelles utilisations du gaz naturel : la cognration, la climatisation et le GNV.

3.8 La cognration La cognration est la production simultane d'nergie mcanique et de chaleur partir d'un combustible tel que le gaz naturel. L'nergie mcanique produite peut tre utilise pour produire de l'lectricit ou pour entraner des machines tournantes. Dans une centrale thermique flamme, c'est la vapeur d'eau sous pression qui produit l'lectricit en entranant des turbines. Cette vapeur d'eau doit tre refroidie afin de continuer son cycle. Pour cela, on utilise gnralement un circuit de refroidissement qui dissipe et donc perd la chaleur. Avec la cognration, on utilise cette chaleur pour le chauffage urbain, par exemple. Le circuit de refroidissement est compos de longs tuyaux qui rejoignent les habitations. Il y a alors change de chaleur entre ces tuyaux et le circuit de chauffage des habitations. Aprs cet change, l'eau du circuit de refroidissement retourne la centrale thermique o elle est nouveau rchauffe puis repart vers les habitations et ainsi de suite.


La cognration permet d'exploiter au maximum le potentiel nergtique du combustible. Son rendement est de 80 90 % contre environ 45 % pour une utilisation classique. De plus, elle permet de diminuer la quantit de gaz effet de serre par quantit d'nergie utilise.

3.9 La climatisation La climatisation au gaz naturel quipe des btiments tels que les bureaux, les htels, les hpitaux, les salles de spectacles... Le principe de la climatisation au gaz naturel peut paratre surprenant puisqu'on utilise une flamme pour produire du froid. En effet, on chauffe, l'aide du gaz naturel, une solution d'eau et de bromure de lithium. L'eau se vaporise et est envoye vers un condensateur sous l'effet de la pression (70 mbar au dessus de la pression atmosphrique). Celle rgnant dans l'absorbeur est de 7 mbar au dessus de la pression atmosphrique. Par consquent, cette diffrence de pression entre le gnrateur et l'absorbeur cre un courant d'air du gnrateur vers l'absorbeur qui entrane les particules de bromure de lithium vers l'absorbeur. La vapeur d'eau arrive au condensateur o elle redevient liquide par change de chaleur avec un circuit de refroidissement (tour ou circuit d'eau) puis rejoint l'vaporateur en passant par une fente. Cette fente a pour effet de diminuer la pression. Ainsi l'eau atteint l'vaporateur avec une pression de 7 mbars. Dans l'vaporateur, l'eau capte la chaleur du circuit de distribution et se vaporise tandis que l'eau du circuit de distribution se refroidit. Cette vapeur d'eau est alors absorbe par les particules de bromure de lithium. Ce mlange eau-bromure de lithium est refroidi par le circuit de refroidissement et rinjecte dans le gnrateur.


On peut aussi utiliser comme fluide rfrigrant un mlange ammoniac/eau. Dans ce mlange, c'est l'ammoniac qui circule dans le circuit via le condenseur et l'vaporateur et qui est rcupr dans l'absorbeur par l'eau.

3.10 Le GNV (gaz naturel pour vhicule) Le GNV est un cousin du GPL (gaz de ptrole liqufi qui est en fait du butane). Le GNV est du gaz naturel stock dans les vhicules sous forme gazeuse une pression minimale de 200 bars. Cette pression leve permet de rduire le volume occup par le gaz donc de stocker plus de gaz dans un mme volume et de faciliter l'arrive du gaz au moteur. Il sert de carburant au mme titre que l'essence ou le gazole. L'avantage de l'utilisation du gaz naturel comme carburant est qu'il produit moins de gaz effet de serre; par exemple, les missions de CO2 sont rduites de 25 % par rapport aux vhicules essence et de 10 % par rapport aux vhicules diesel. L'inconvnient de ce carburant est le danger li la forte pression de stockage du gaz.

4 Le ptrole Le ptrole tient son nom du latin "petra" qui signifie pierre et "oleum", huile. C'est une huile minrale naturelle trs fonce et plus dense que l'eau douce.

4.1 Formation Le ptrole que nous utilisons actuellement est le rsultat d'une lente dgradation au fond des ocans du plancton (sdiments organiques et minraux). Elle a dbut il y a des dizaines voire des centaines de millions d'annes. Ce plancton s'est dpos par couche, entranant la formation de strates. Ces strates de plancton, qui sont le sige de la formation du ptrole (mais aussi du gaz naturel), sont souvent spars par une paisseur de dpt argileux qui constitue alors une roche impermable. La strate dans laquelle va avoir lieu la dgradation du plancton est appele roche mre. La roche mre est donc en quelque sorte une ponge dans laquelle se forme, aprs fossilisation


des sdiments, du ptrole et du gaz naturel bruts. L'eau de mer qui tait dans les sdiments n'est pas modifie et reste dans la roche mre.

Le ptrole, le gaz et l'eau de mer vont ensuite remonter, par pression lithostatique (pression exerce par le poids des couches suprieures), le long d'une fracturation jusqu' ce qu'ils rencontrent une roche impermable (argile en gnral). L'eau de mer est plus dense que le ptrole et le ptrole est plus dense que le gaz ; c'est pourquoi l'eau de mer est situe sous le ptrole qui est lui mme situ sous le gaz.

Ils vont ainsi rester coincs dans une strate appele roche magasin ou rservoir (du fait de son rle) jusqu' ce que l'homme les trouve et les exploite. Depuis le dbut de la formation de ces gisements, il y a plusieurs millions d'annes, les ocans se sont retirs par endroits, laissant ainsi certains d'entre eux dans des terres merges. C'est le cas du Bassin Parisien par exemple. En gnral, un gisement s'tale sur quelques mtres plusieurs centaines de mtres en hauteur et peut atteindre plusieurs dizaines de kilomtres en longueur (c'est le cas au Moyen-Orient). Un gisement peut aussi comprendre plusieurs champs ptrolifres, c'est--dire plusieurs accumulations de ptrole et de gaz naturel spares par des couches de roches impermables. Toutefois, la majeure partie du ptrole et du gaz naturel ne rencontre jamais de roche impermable et remonte librement la surface de la terre ou au fond des ocans.

4.2 Prospection La prospection du ptrole est la recherche de gisement de ptrole. Elle s'effectue comme pour le gaz naturel par une tude sismique le plus souvent. Par cette tude, on dduit la nature des


roches composant le sous-sol et ainsi, on a une ide sur la possibilit de prsence de ptrole (et fortiori de gaz naturel). Pour vrifier cette existence, on effectue un forage. On peut aussi supposer la prsence du ptrole en ralisant un carottage du sol. Les carottes extraites renseignent sur la nature du sol, la hauteur des strates et les fossiles prsents, paramtres qui conditionnent la prsence de ptrole.

4.3 Transport Une fois extrait des gisements, le ptrole est transport par oloducs ou par ptroliers. Les oloducs ou pipelines sont des tuyaux de diamtres assez importants dans lesquels le ptrole circule jusqu'aux grands centres de consommation. C'est l'quivalent des gazoducs pour le gaz naturel. Les ptroliers ou tankers sont utiliss pour transporter le ptrole par voie maritime. C'est l'quivalent des mthaniers pour le gaz naturel. Le premier navire utilis pour transporter du ptrole tait un btiment allemand en 1886. Pour le livrer aux utilisateurs, on dispose de diffrents moyens. Pour les petites quantits (fuel pour chauffage des particuliers, carburants des stations-service), le ptrole est transport par camions-citernes. Contrairement aux gazoducs, les oloducs ne vont gnralement pas directement aux points de consommation. Ce sont des camions qui assurent cette livraison. Le ptrole est transport par oloducs, caboteurs (bateaux qui naviguent le long des ctes et spcialement entre les ports d'un mme pays), wagons-citernes et gros camions-citernes pour livrer les gros consomateurs tels que les usines, les aroports, les centrales thermiques...

4.4 Raffinage Le ptrole brut est un mlange de milliers d'hydrocarbures et de rsidus d'eau et de solides. Le raffinage consiste :

o extraire l'eau et les solides du ptrole brut ; o et sparer et traiter les hydrocarbures.

Il se fait en trois tapes : la distillation, le craquage thermique et le craquage catalytique.

La distillation C'est la premire tape du raffinage. Cette tape permet de sparer le ptrole brut en "coupes d'hydrocarbures". En effet, le ptrole brut est compos de diffrents hydrocarbures aux proprits assez voisines pour que l'on puisse leur donner la mme utilisation (krosne, asphalte, bitume...). Pour cela, on chauffe le ptrole brut une temprature infrieure celle de l'bullition de l'eau et celle de vaporisation des solides mais suprieure celles d'vaporation des hydrocarbures. Ainsi, l'eau sale et les solides restent en bas de la cuve de distillation tandis que les hydrocarbures se vaporisent et se sparent en diffrentes couches (chaque couche est caractristique d'une temprature d'vaporation donc d'un hydrocarbure).

Le craquage thermique Le craquage thermique n'est pas apparu ds le dbut de l'exploitation du ptrole. Il fut invent en 1925 par un franais, Emile Houdry. Il consiste chauffer sous pression et des tempratures leves les rsidus lourds (hydrocarbures composs de grosses molcules du ptrole brut). Son exploitation industrielle ne commena qu'en 1936.


Le but de cette tape est de fournir plus de carburant partir du ptrole. En effet, l'industrie automobile cre rapidement des besoins et il faut trouver des sources d'approvisionnement au plus vite. Avec ce procd de craquage thermique, on peut transformer certains rsidus lourds de la distillation en produits plus lgers comme l'essence ou le gazole.

Le craquage catalytique Le craquage catalytique fut invent en 1949. Il s'effectue haute temprature (500C) et l'aide d'un catalyseur (substance qui dclenche la raction par sa prsence). Il consiste galement "casser" en petites molcules les produits lourds afin d'obtenir des produits lgers tels que :

o des gaz (le butne par exemple) ; o de l'essence ; o du gazole.

Grce ce craquage, on amliore la qualit de l'essence et on obtient des caractristiques suprieures (carburant pour moteurs antidtonation et produits chimiques particuliers). Des oprations similaires (alkylation, isomrisation, refomation catalytique) conduisent la fabrication des matires premires de la ptrochimie : alcools, dtergents, caoutchouc synthtique, glycrines, engrais, solvants, nylon, plastiques, paraffines, peintures, polyesters, styrne, polystyrne, teintures, matriaux isolants, explosifs, additifs alimentaires, substrats destins la fabrication des mdicaments...


4.5 Stockage et rserve Le stockage permet d'assurer la rgularit de l'approvisionnement des consommateurs en dpit des variations saisonnires. Le ptrole n'est pas stock en sous sol comme le gaz naturel mais en surface, dans des rservoirs spcifiques. Quant aux rserves actuelles de ptrole prouves, elles sont relativement minimes tant donn que l'on consomme plus que ce que l'on dcouvre. En effet, elles seraient de 50 milliards de tonnes environ, ce qui correspond une autonomie de 50 ans, au rythme de consommation actuelle.

5 Les centrales thermiques flamme (fioul, gaz naturel, charbon)

Les centrales thermiques flamme sont aussi appeles centrales thermiques classiques. Elles utilisent comme combustible le fioul, le gaz naturel et le charbon. Elles reprsentent, en Europe, 40 % de l'quipement et fournissent actuellement le complment ncessaire pour ajuster la production la consommation. Elles servent galement en cas de vagues de froid ou en cas de demande inattendue de consommation. En cas d'urgence, douze minutes suffisent pour commencer produire de l'lectricit pour les plus performantes. En 1973, ces centrales assuraient 55 % de la production franaise d'lectricit. Suite au choc ptrolier de cette mme anne, le gouvernement d'alors a dcid d'acclrer la conversion du parc des centrales lectriques au nuclaire. Actuellement, les centrales thermiques classiques n'assurent plus que 8 % de la production franaise d'lectricit.

5.1 Fonctionnement Les centrales thermiques classiques produisent de l'lectricit en entranant des turbines l'aide de vapeur d'eau sous pression. Tout d'abord, un combustible est brl dans les brleurs de la chaudire. La temprature au niveau de ces brleurs est de 1500C environ. Cette combustion produit de la chaleur qui a pour consquence :

o daugmenter la pression 170 bars environ (pression rgnant dans la chaudire) ; o de vaporiser l'eau circulant dans le circuit autour de 560C (du fait de la pression

leve, la temprature d'bullition de l'eau n'est plus 100C mais autour de 560C). Cette vapeur entrane alors successivement trois turbines qui entranent leur tour un alternateur. C'est cet alternateur qui produit l'lectricit. Du fait de ce passage dans les turbines, la pression de la vapeur d'eau a diminu jusqu' 50 mbars environ. La vapeur passe ensuite dans un condenseur o elle est refroidie pour redevenir liquide. Le condenseur est un circuit d'eau trs souvent relie une tour de refroidissement. La vapeur d'eau change de sa chaleur avec l'eau du circuit de refroidissement et redevient liquide tandis que l'eau du circuit de refroidissement passe dans la tour de refroidissement o elle est refroidie par des courants d'air ascendant puis repart vers le condenseur. On peut aussi utiliser ce circuit de refroidissement pour faire de la cognration. Il y a donc deux circuits ferms : le circuit de refroidissement et le circuit de circulation qui actionne les turbines.


5.2 Les combustibles Il existe trois types de combustible :

o solide : le charbon ; o liquide : le fioul ; o gazeux : gaz naturel ou gaz des hauts fourneaux (gaz qui sort par l'ouverture

suprieure des hauts fourneaux au cours de la fusion de la fonte). Chaque chaudire ne peut en utiliser qu'un seul car chaque combustible exige un brleur particulier. Dans les chaudires utilisant le charbon, il faut d'abord transformer celui-ci en fines particules dans un broyeur, puis mlanger ces particules de l'air rchauff avant d'introduire le tout sous pression dans le brleur. Pour le fioul , il faut le liqufier en le chauffant avant de l'injecter dans les brleurs car il est trop visqueux pour tre utilis tel quel. Quant au gaz , aucun traitement n'est ncessaire. Il est directement envoy dans les brleurs. Jusqu'en 1979, le fioul tait le principal combustible utilis dans les centrales thermiques flamme mais les deux chocs ptroliers lui ont valu sa destitution au profit du charbon. Actuellement, en puissance installe (puissance que peuvent dvelopper les centrales), le charbon reprsente 48,3 %, le fioul, 46 % et le gaz, 5,7 %.

5.3 Les fumes mises La combustion dans la chaudire charbon produit des cendres. Elles sont rcupres plus de 99 % dans des dpoussireurs lectrostatiques et sont utilises dans la fabrication des ciments et des revtements routiers ou encore comme adjuvant dans les btons pour les amliorer.


5.4 Les gaz mis La combustion dans la chaudire produit des gaz qui sont rejets dans l'atmosphre. Parmi ces gaz, on trouve de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone CO2, du dioxyde de soufre SO2, des oxydes d'azote NOx ...

NOM CAUSES EFFETS

Gaz carbonique CO 2

combustion respiration... effet de serre

monoxyde de carbone CO

chaudire mal rgle moteurs essence et gazole...

maladie cardio-vasculaire intoxication mortelle si aration insuffisante

Oxydes d'azote NO x

secteur du transport centrales thermique flamme (3 % des missions de NOx) : combustion du charbon et du fioul

effet de serre pluies acides pollution photochimique (ozone...)

Dioxyde de soufre SO 2

secteurs des transports, industriel, agricole, tertiaire, rsidentiel centrales thermiques flamme (7 % des missions de SO2 ) : combustion du charbon et du fioul

pluies acides irritation respiratoire

Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote tant nocifs et entre autre responsables des pluies acides, ils sont retraits afin de rduire leur mission.

5.5 Rduction des missions de dioxyde de soufre Les centrales franaises disposent de trois techniques pour rduire les missions de dioxyde de soufre dans l'atmosphre. La premire mthode, dont le rendement est de 90 %, consiste laver les gaz par dsulfurisation. Avant d'atteindre la chemine, les fumes sont refroidies puis laves dans un brouillard d'eau sature en calcaire qui forme, par raction, du gypse, communment appel pierre pltre (le gypse est d'ailleurs revendu aux industries pltrire). Les gaz ainsi lavs sont alors rchauffs et renvoys la chemine. Ils ne contiennent plus que 10 % du dioxyde de soufre initial. La seconde mthode, dont le rendement est de 50 %, consiste injecter du calcaire ou de la chaux dans le foyer de la chaudire. Le soufre ragit pour former du sulfate de calcium qui est captur par les dpoussireurs lectrostatiques avec les cendres volantes. La troisime mthode concerne uniquement les centrales fonctionnant au fioul. Elle consiste diminuer la teneur en soufre du fioul. En gnral, le fioul contient 3 % de soufre. Aprs traitement, il en contient moins de 1 %. Les rejets de dioxyde de soufre sont donc diviss par trois par rapport un fioul non trait.

5.6 Rduction des missions d'oxydes d'azote Pour rduire les missions des oxydes d'azote, on peut effectuer :

o une dnitrification primaire ; o ou bien une dnitrification avale.


Lors d'une dnitrification primaire, on tage la combustion et on rduit la temprature de flamme. Au dpart, on abaisse la temprature de flamme en rduisant la quantit d'air amene aux brleurs et, uniquement pour les chaudires fonctionnant au fioul, en rduisant la taille des gouttelettes de combustible par mlange des gouttelettes d'eau. Ainsi, on retarde la combustion. Pour achever et tager la combustion, on rinjecte de l'air chaud plus haut dans la flamme. La dnitrification avale est une dnitrification qui a lieu en aval de la chambre de combustion. Elle a pour rle de dcomposer les oxydes d'azote NOx en azote N et en oxygne O.

5.7 Le rendement Au dbut du XX e sicle, le rendement des centrales thermiques flamme tait de 13 %. Aprs la seconde guerre mondiale, il atteint 38 %. Cette progression continue et la fin des annes 80, il est de 45 %. Le recours au thermique devrait probablement augmenter dans les annes venir puisque le cot du charbon tend diminuer, le rendement tend augmenter et les missions de fumes sont constamment rduites.

Documents

366_dossier_energies_fossiles.pdf