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ECOLE NATIONALE POLYTECHNIQUE

Département Génie Chimique

Laboratoire de Valorisation des Energies Fossiles

16eme

journée de l’énergie : Centre de conférence SONELGAZ Avril 2012

Thème : de la bougie à l'électricité durable : les défis de 2030

Sujet : production d’énergie électrique à partir du charbon

Auteurs : Tarek, Dadouche, Djalel, Louahem, Pr Chems Eddine CHITOUR, ENP

10 avenue Hassen Badi Belfort

ملخص:

انفحم هى مبدة معقدة ذاث احتيبطبث عبنميت كبيرة، ونكىهب تستىفد بشكم متسايد الستعمبنهب انتدريجي، فهم ستكىن كبفيت؟ مع

. انطبقىيتاحتيبجبتىب تسايد

سيكىن مقبىال؟إلوتبجهبمع تطىر انتكىىنىجيبث األخري إلوتبج انطبقت فهم استعمبل انفحم و

هم وحه مستعدون الحتىائهب؟ في انىهبيت كيف سيكىن مستقبم انفحم ببعتببري طبقت ,ببعتببر آثبري انسهبيت عهً انبيئت و

زائهت؟

Résume:

Le charbon est une matière complexe avec des réserves mondiaux importantes, mais de plus

en plus épuisés par son utilisation progressive, seront elles suffisantes ? Face au croissance

des besoins énergétiques et l'évolution des autre technologie de production d’énergie, et avec

ses effets néfastes sur l'environnement sommes nous prêts a les contenir ? Finalement qu'elle

sera l'avenir du charbon comme une énergie fossile?

Summary:

Coal is a complex world with significant reserves, but more and more exhausted by its

progressive use, will be sufficient? Faced with growing energy needs and the evolution of

other power generating technology, and what about its effects on the environment? are we

ready to contain them? Finally what will be the future of coal as a fossil fuel?

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PLAN DU TRAVAIL

• Introduction

Qu’est Ce que le charbon?

Inventaire des énergies fossiles (charbon)

• Réserves de charbon dans le monde

• Production et consommation de charbon

• Le bilan de l'énergie électrique d'origine -charbon- mondial et par grand pays à

partir de 1960

• Plus récentes avancées de la technologique de production d'électricité au charbon

i. Combustion à pression supercritique de charbon pulvérisé

ii. Gazéification intégrée à cycle combiné (GICC)

• Avantages et inconvénients du charbon

La résponsabilité dans la pollution et par conséquent le réchauffement climatique

• La Capture de carbone et stockage (CCS) comme solution possible

• L'avenir de la production d'électricité à partir du charbon à 2030

• Conclusion

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Introduction

• Inventaire des énergies fossiles (le charbon)

Le charbon est une matière complexe provenant de l’accumulation massive de biomasse

terrestre (principalement des arbres). Cette matière, déposée dans des bassins sédimentaires

terrestres il y a environ 360 millions d’années s’est transformée sous l’effet de la pression et

de la température successivement en cellulose de bois, en acides humides, en bitumes et enfin

en carbone élémentaire. La formation du charbon dans le sous-sol remonte à l’ère primaire

dite « carbonifère », il y a 200 à 300 millions d’années. L’exploitation se fait à ciel ouvert ou

en mine souterraine.

Les gisements de charbon se situent sous terre et sous les planchers continentaux des océans.

Ils peuvent être enfouis à plusieurs kilomètres de profondeur ou affleurer à la surface du sol.

Le charbon est composé d’hydrogène, de soufre, d’oxygène et surtout de carbone. Selon la

teneur en carbone, la profondeur et la température du gisement, il en existe plusieurs

catégories:

o les charbons de rangs inférieurs ont une faible teneur en carbone :

o le lignite est composé de 50 à 60% de carbone ;

o les sous-bitumineux sont constitués entre 60 et 70% de carbone.

o les charbons de hauts rangs sont composés à plus de 70% de carbone et sont souvent

désignés par le terme de houille :

o les bitumineux sont composés de 70 à 90% de carbone. Ils peuvent être du charbon-

vapeur, utilisé comme combustible pour produire de la vapeur, ou du charbon à coke que

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/lignite

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l’on carbonise dans un four chauffé à 1000°C à l’abri de l’air. Cette carbonisation permet

de produire du coke ;

o l’anthracite a encore une qualité supérieure puisqu’il est composé à plus de 90% de

carbone.

Chaque type de charbon correspond à un stade de maturité. Dans les tourbières, les végétaux

se décomposent pour devenir de la tourbe (constituée à 50% de carbone) ; les zones boisées

produisent de la lignite. Puis, par enfouissement, ces dépôts carbonés se transforment

progressivement en houille.

Les charbons de haut rang se forment à plus de 10 km de profondeur. A la suite des

mouvements tectoniques et de l’érosion, la houille peut affleurer à la surface. Compte tenu du

gradient géothermal moyen (3°C par 100 m), les mines de charbon actuellement exploitées ne

par trois kilomètres de profondeur.

Parmi les énergies fossiles (pétrole, gaz et charbon), le charbon est la plus abondante, la

mieux répartie géographiquement d’où son retour sur le devant de la scène.

Mais le charbon constitue aussi la source d'énergie la plus émettrice de CO2 reconnu pour son

effet sur le changement climatique.

Des techniques nouvelles dites de "charbon propre" doivent donc être associées à son

exploitation pour lui permettre de jouer pleinement son rôle de ressource énergétique du

21ème siècle sans menacer l'équilibre écologique de la planète.

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Réserves de charbon dans le monde

Dans l’état actuel des connaissances, le charbon occupe de très loin la première place

parmi les réserves mondiales en combustibles fossiles. Face à la forte progression de

consommation observée ces dernières années, son intérêt dans l’avenir apparait

indissociable de l’évolution du pétrole et du gaz naturel, pénalisés par l’épuisement

progressif de leurs réserves exploitables et gazières. Les estimations à l’heure actuelle

sont à 860,938 Gt dont 50% d’anthracites et de charbon bitumineux de bonne qualité.

Les réserves sont localisées dans l’Asie Pacifique (265.0 millions tonnes environ

30,9%) et en Europe (304,6 millions tonnes environ 35,4 %), En Afrique les réserves

sont localisées en Afrique du Sud. Les réserves sont principalement localisées en

Amérique du Nord, La Chine, la Russie et l’inde.

Figure 1: Répartition des réserves par région

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Figure 2 : Réserves du charbon dans le monde

Production et consommation de charbon

Nous présentons ci-après dans la production et la consommation mondiale de charbon en

(millions tep/jour) par région de 1985 à 2010.

Figure 3 : Production mondiale en Mtep

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La production mondiale de charbon a marqué un taux de croissance annuelle moyen très

élevé entre 2000 et 2010.

La Chine est de loin le premier producteur mondial avec 48 % des volumes extraits.

Figure 4 : Taux de participation pour chaque pays

En 2010, la production a atteint 235,4 tep en Australie ,216,1tep en Inde, 148,8 tep en Russie

; 143,0 tep en Afrique dus sud ; 55,5tep en Pologne et 43,7 tep en Allemagne . Elle a

augmenté de 4,7% par rapport à 2008 pour la Russie et de 2,5 et 2,9% pour l’Inde et

l’Australie et diminue successivement de 1,5 ; 1,6% pour l’Allemagne et la Pologne,

l’Afrique du sud et l’Australie.

Figure 5 : Production par pays en tep

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La production par région : La production du charbon mondiale a grandi par 6.3 % en 2010. La production est

principalement localisée dans l’Asie pacifique (Inde, Chine) et l’Amérique du Nord (Etats

Unis) comme montré sur la figure 6.

Figure 6 : Production par région

La consommation par région : En 2010 la consommation mondiale atteint 3731,4 Mtep.

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Figure 7 : Consommation mondiale en Mtep

La Chine est de loin le premier consommateur mondial avec 48 % de la consommation

mondiale comme montré sur la figure 8.

Figure 8 : Taux de participation des defférents pays

La consommation du charbon mondiale a grandi par 7.6 % en 2010, le charbon reste la seule

source d’énergie primaire croissante. L’Asie pacifique a expliqué 79.9 % d’augmentation

globale comme montré sur la figure 9.

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Figure 9 : Consommation par région par tep

La consommation par pays :

En 2010, la consommation a atteint 1713,5 tep en Chine, 524,6 tep aux USA et 269,7 tep

en Union Européenne. Elle a augmenté de 10,1% par rapport à 2009 pour la Chine et

successivement de 5,7 et 3,8% pour les Etats unis et l’Union Européenne comme montré

sur la figure 10.

Figure 10 : Consommation par pays en tep

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Le bilan de l'énergie électrique d'origine -charbon- mondial et par grand pays à

partir de 1960 :

Afrique du Sud : Chute de 6% en 39 ans

Figure 11 : Production d’électricité à partir duc charbon en Afrique du Sud

Évolution Pour l'ensemble de la période 1971-2010, on enregistre une moyenne

annuelle de 95,4.

C'est en 1971 qu'on enregistre le plus haut niveau (99,8%) et c'est en 1988 qu'on

enregistre le plus bas niveau (91,3%).

Chine : Croissance de 12% en 37 ans

Figure 12 : Production d’électricité à partir duc charbon en Chine

Évolution Pour l'ensemble de la période 1971-2008, on enregistre une moyenne annuelle de

68,8.

C'est en 2007 qu'on enregistre le plus haut niveau (81,1%) et c'est en 1976 qu'on enregistre le

plus bas niveau (51,4%).

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États-Unis Chute de 15% en 49 ans

Figure 13 : Production d’électricité à partir duc charbon en Etats Unis

Évolution Pour l'ensemble de la période 1961-2010, on enregistre une moyenne annuelle de

51,3%.

C'est en 1988 qu'on enregistre le plus haut niveau (57,7%) et c'est en 1978 qu'on enregistre le

plus bas niveau (44%).

Australie : Croissance de 2% en 50 ans

Figure 14 : Production d’électricité à partir duc charbon en Australie

Pour l'ensemble de la période 1960-2010, on enregistre une moyenne annuelle de 76.

C'est en 1998 qu'on enregistre le plus haut niveau (84) et c'est en 1974 qu'on enregistre le

plus bas niveau (67,8).

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Plus récentes avancées de la technologique de production d’électricité au charbon

La plupart des centrales au charbon actuelles produisent de l’électricité en brûlant

directement du charbon pour produire de la vapeur, laquelle fait tourner des turbines qui

entraînent une génératrice électrique.

1. Centrales au charbon pulvérisé (CP) :

Réparties en 3 catégories selon leurs cycles de vapeur,sous-critique(les plus courantes et les

moins performantes),super-critique et ultra-critique (les moins courantes et les plus

performantes).

Leur rendement est directement proportionnel à la température et la pression de la vapeur. La

centrale au CP à cycle de vapeur supercritique a maintenant la cote en Asie et en Europe.

2. Gazéification:

À température et pression élevées, la gazéification du charbon est une réaction entre le

charbon, la vapeur et l’air (ou de l’oxygène pur) qui produit un gaz de synthèse brut (un gaz

de synthèse est un composé d’hydrogène, de monoxyde de carbone et d’impuretés).

Dans une centrale à gazéification intégrée à un cycle combiné (GICC) mélange de charbon

pulvérisé et d’oxygène est transformé par un gazogène en gaz de synthèse, lequel est

acheminé dans un échangeur récupérateur de chaleur, puis dans un épurateur au sortir duquel

il se détend et est brûlé pour produire de l’électricité. Pour produire de l’électricité

additionnelle, on achemine les gaz d’échappement de la turbine dans un générateur de vapeur

à récupération de chaleur (GVRC) qui récupère la chaleur perdue.

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Figure 15 : Schéma d’une centrale au charbon

Le charbon est une source d’énergie primaire de choix pour la production électrique dans

le monde, mais dans le contexte du réchauffement climatique, il reste handicapé par des

émissions élevées en CO2. Aussi, un effort de recherche considérable est-il fourni pour

développer une filière de captage et de stockage géologique du CO2 économiquement viable.

Mais cela n’est pas si simple : les fumées issues des centrales thermiques contiennent du CO2

mai aussi d’autres constituants (vapeur d’eau, azote, etc.). Afin de capter le CO2, il faut donc

parvenir à le séparer.

Plusieurs procédés sont ainsi étudiés. La solution la plus mature vise à acheminer les

fumées de combustion vers une tour où le CO2 est absorbé par un solvant chimique. On peut

aussi agir en amont. Dans ce cas, on brûle le combustible fossile avec de l’oxygène pur, afin

d’obtenir des fumées plus concentrées en CO2. Enfin, on peut récupérer le CO2 avant

combustion : le charbon est alors transformé en un mélange d’hydrogène et de monoxyde de

carbone que l’on convertit par la suite en CO2. Dans tous les cas, des progrès restent à faire

pour limiter la perte de rendement issue du captage. Que faire ensuite de tout ce gaz ? L’idée

est de l’enterrer dans le sol. Trois types de formations géologiques sont envisagés pour ce

faire, à commencer par les gisements de pétrole et de gaz épuisés. Une deuxième solution

serait d’utiliser les aquifères salins, des nappes souterraines d’eau salée très profondes. Enfin,

on pourrait recourir aux veines de charbon : le CO2 viendrait chasser le méthane et prendre sa

place dans la roche. Pour y voir plus clair, des expériences sont en cours partout dans le

monde. L’une d’entre elles, baptisée « Road », conduite par Gdf Suez et E.on avec le

concours de la Commission européenne et du gouvernement néerlandais, teste le captage et le

stockage de CO2, à Rotterdam, sur une centrale à charbon de 250 MW. Néanmoins, les

obstacles ne sont pas uniquement technologiques et économiques. L’autre difficulté majeure

est l’acceptation sociale. De nombreuses associations de protection de l’environnement

soulignent ainsi les dangers causés par d’éventuelles fuites massives de CO2, un gaz mortel à

haute dose.

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Avantages et inconvénients du charbon

Face aux préoccupations environnementales grandissantes et à la nouvelle réglementation

des gaz à effet de serre, les efforts d’amélioration de la technologie de la combustion ont

surtout porté sur le rendement du cycle et la réduction des émissions.

Les avantages du charbon sont les suivants :

- C'est la seule forme d'énergie fossile sui est solide.

- Il est disponible dans de nombreux pays.

- Les gisements connus sont très importants.

- Il permet de produire du gaz de houille et un grand nombre de produits chimiques carbonés

ou hydrogénées.

Les inconvénients du charbon sont les suivants :

- C'est une énergie non-renouvelable et très couteuse à extraire.

- C'est une énergie fossile très polluante surtout à cause de ses impuretés qui se dispersent

dans l'atmosphère lors de sa combustion.

- De plus, lors de sa combustion, c'est une énergie fossile qui libère beaucoup de dioxyde de

carbone. Ce phénomène est à l'origine de l'accroissement de l'effet de serre.

Les technologies habilitantes peuvent grandement réduire l’empreinte écologique d’une

centrale au charbon. Ainsi, la technologie du captage et du stockage du carbone (CSC)

permettrait en principe d’éliminer les émissions de dioxyde de carbone après la combustion

(surtout dans les centrales à combustion) ou avant (principalement dans les centrales à

gazéification).

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Séquestration du CO2

La séquestration du CO2 est une nouvelle technologie qui offre la possibilité de capturer

le CO2 des émissions polluantes et de le stocker de façon sécurisée.

L’objectif de cette technologie est de rendre possible l'usage du charbon tout en réduisant les

émissions de CO2 dans l'atmosphère, et réduisant ainsi l’impact des gaz à effet de serre sur le

changement climatique global.

Figure 16 : installation CCS (Coal Capture and Storage)

La séquestration (captage-stockage) de CO2 est une opération, réalisable, mais coûteuse

sur le plan énergétique et financier (on estime qu’elle double le coût d’investissement et

augmente d’au moins de 30 % les coûts de production pour l’énergie issue du charbon). Elle

ne devrait se réaliser à grande échelle que si des taxes significatives sont imposées aux rejets

de CO2 à l’atmosphère, comme c’est le cas dans l’exemple norvégien (champ de Sleipner).

Les potentiels de stockage sont importants en faisant appel aux nappes aquifères.

Les questions de droit et d’acceptabilité par les populations sont encore incertaines, mais

ne représentent pas, a priori, des obstacles insurmontables, si on pense notamment aux

aquifères sous les mers.

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Prix du charbon

Le charbon est une source d’énergie fossile bon marché et relativement accessible.

L’emballement soudain du prix du gaz a encouragé fortement la demande de charbon dans le

secteur énergétique.

Le charbon a toujours été bon marché comparativement aux autres énergies fossiles

comme montré dans la figure.

Figure 17 : Prix des énergies fossiles (USD/tep)

Le prix du charbon est assez bien corrélé aux coûts supportés tout au long de la chaîne

charbonnière. Les prix du charbon sont à la fois relativement stables dans le temps et

relativement bas, bien qu’on assiste depuis quelques mois à une croissance rapide des prix

CIF sur le marché mondial en raison d’une forte pression de la demande. Les coûts

d’exploitation sont de l’ordre de 15 à 230 $ la tep. Le coût du transport international reste

modéré (de 1,5 à 30 $ la tep selon la route suivie), mais en augmentation depuis quelques

mois.

Les prix CIF du charbon s’établissaient à 35 $ la tonne à Rotterdam au début 2003 ; ils ont

atteint 70 $ la tonne, soit 105 $ la tep à la mi-2004. Il s’agit là de charbon-vapeur et le prix du

charbon à coke a davantage augmenté. Cela s’explique largement par une demande asiatique

et une demande américaine soutenues. Les coûts de distribution sont très variables selon les

régions (de 5 à 150 $ la tonne) mais la fiscalité est faible (5 $ par tonne en moyenne), voire

négative puisque le charbon est parfois subventionné.

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Figure 18 : Couts du CCS

Le coût du système complet de CCS, pour la production d’électricité à partir d’une grande

centrale à combustible fossile nouvellement construite, dépend d’un certain nombre de

facteurs, y compris des caractéristiques de la centrale et du type de captage, des spécificités du

site de stockage, de la quantité de CO2, et de la distance à parcourir. D’après les chiffres, il

s’agit d’une expérience avec une installation de grande taille. Les prix du gaz sont compris

entre 2,8 et 4,4 USD par giga joule (GJ), les prix du charbon entre 1 et 1,5 USD/GJ (différents

des prix du marché actuels).

Estimation du coût en capital de la centrale électrique de technologies aux États-Unis ($ /

kW) :

Sur la base de l'US Energy Information Administration (EIA), qui constitue la base pour le

calcul de 2007 Annual Energy Outlook, l'estimation du coût en capital de la construction

d'une usine de production d'énergie par type de technologie est la suivante. C'est en supposant

que la commande a été passée en 2006.

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Technologie Année

en

ligne

Coût

($ / kW)

Advanced Open turbine à gaz à

cycle

2008 398

Conventionnelles ouvert

turbine à gaz à cycle

2008 420

Options de gaz / huile à cycle

combiné

2009 594

Conventionnelles de gaz / huile

à cycle combiné

2009 603

La production décentralisée

(charge de base)

2009 859

La production décentralisée

(charge de pointe)

2008 1032

Avancée à cycle combiné avec

séquestration

2010 1185

Vent 2009 1208

Charbon avec laveur 2010 1290

IGCC 2010 1490

L'énergie hydraulique

conventionnelle

2010 1500

Biomasse 2010 1869

Géothermie 2010 1880

Nucléaires avancés 2011 2081

Cycle combiné avec

gazéification intégrée avec le

piégeage du carbone

2010 2134

Le solaire thermique 2009 3149

Pile à combustible 2009 4520

Photovoltaïque 2008 4751

Figure 19 : coût en capital de la construction d'une usine de production d'énergie par type

de technologie

Basé sur le tableau ci-dessus, Advanced Open cycle de turbine à gaz a le moins de coût et

un des plus rapides à construire (2-3 ans), probablement en raison de sa technologie a mûri

par rapport à photovoltaïque, pile à combustible, solaire thermique et technologies, ce qui a un

coût de plus de 10 fois de l'Advanced Open turbine à gaz à cycle plantes.

Il est à noter que ce coût est basé sur les États-Unis où les équipements sont plus

susceptibles d'être d'origine et la taille des unités de production sont relativement plus grande

que ce que d'autres petits pays, en général, ont. Ainsi, le coût par mégawatt de la construction

d'une centrale électrique sera plus élevé à d'autres pays en dehors des États-Unis et en Europe

et si l'unité de taille est plus faible. Aux Philippines, par exemple, Le coût de la construction

http://www.jcmiras.net/surge/p83.htmhttp://www.jcmiras.net/surge/p83.htm

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d'une centrale de charbon se situent entre $ 1,6 millions à 2,0 millions $ par mégawatt par

rapport à environ 1,3 million de dollars par mégawatt aux États-Unis.

L'avenir de la production d'électricité à partir du charbon à 2030

Scénario fil de l’eau :

Dans ce scénario nous admettrons que les tendances économiques actuelles, se poursuivent

dans la même ligne qu’aujourd’hui sans interférence majeure des décideurs politiques.

Figure 20 : Projection de la production et de la consommation de charbon à 2030 en Mtep

De ce fait, le monde ne constituant qu’un segment de la consommation énergétique

mondiale, nous laisse prévoir un scénario « fil de l’eau ». Ce scénario laisse croire que la

consommation de charbon ne cessera de croitre. Représentent une consommation cumulée de

charbon entre 2009 et 2030 comprise entre 73 et 101 Gtep soit 18 à 24 % des réserves

prouvées en 2009. La consommation de charbon s’établirait entre 3,9 et 4,9 Gtep en 2030 en

moyenne 4,5 Gtep (elle est de 2,9 Gtep en 2009).

Scénario de l’AIE :

L’AIE, sur la base de l’analyse historique et des tendances de consommation propre un

scénario de production et de consommation de charbon allant jusqu’à 2050.

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Figure 21 : Consommation mondiale en charbon «AIE»

Au rythme actuel de production, les 847,5 milliards de tonnes de réserves prouvées de

charbon permettraient d’assurer les besoins mondiaux en cette énergie pendant environ 145

ans. Cependant les situations sont très diverses suivant les pays. Au niveau actuel de

production, les réserves de la Chine seront épuisées dans une cinquantaine d’années. Au

contraire, les Etats Unis disposeraient de plus de 230 ans de production, l’Inde de quelque 130

ans, L’Australie et l’Afrique du Sud autour de 200 ans et la Fédération de Russie de plus de

500 ans. En Europe, les réserves de Pologne et d’Allemagne ne représentent respectivement

que 47 et 33 ans de production.

Par ailleurs, d’après le scénario tendanciel de l’Agence internationale de l’énergie

(AIE) dans le World Energy Outlook 2011, le charbon devrait être, hors énergies

renouvelables, l’énergie primaire enregistrant la plus forte croissance de consommation d’ici

2030, avec une progression de 70 % par rapport à 2011. D’autres organismes prévoient, dans

leurs scénarios tendanciels, des hausses de consommation à 2030 de l’ordre de 65 %

(Commission européenne) ou même 95 % (DOE EIA). D’après ces divers scénarios, la

consommation de charbon s’établirait entre 3,9 et 4,9 Gtep en 2030.

Le charbon est aussi l’énergie primaire à plus fort contenu carbone donc avec les

émissions de CO2 associées à sa combustion les plus importantes. La croissance forte de

l’utilisation du charbon se conçoit difficilement sans le développement des technologies

« charbon propre », qui vise à réduire l’impact environnemental de son utilisation.

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Conclusion

Immenses ressources évaluées à plus de 1 000 milliards de tonnes, le charbon

représente plus de 80 % des ressources énergétiques fossiles, contre moins de 20 % pour le

pétrole et le gaz naturel.

Sa durée de vie est d’environ 200 ans contre environ 40 ans pour le pétrole.

De plus, de nouvelles technologies sont en développement (combustibles liquides,

hydrogène ...).

Donc le charbon a encore un avenir brillant devant lui et c'est la recherche technique

qui le maintiendra dans les prochaines années à un niveau d’utilisation important dans le

monde.

Le challenge des prochaines années pour le monde ne sera pas de réduire leur

dépendance vis à vis du charbon mais d'accélérer le déploiement de technologies de charbon

propre qui mettront en valeur son développement durable.

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Bibliographie

BP, Statistical Review of World Energy 2011 http://www.iea.org http://www.enerdata.com http://www.bp.com http://www.worldenergy.org http://www.ciel.org http://www.atics.fr http://www.commodesk.com L’encyclopédie libre Wikipedia. U.S. Energy Information Administration www.eia.gov

http://www.iea.org/http://www.enerdata.com/http://www.bp.com/http://www.worldenergy.org/http://www.ciel.org/http://www.atics.fr/http://www.commodesk.com/http://www.eia.gov/