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« Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 1 sur 18 Rédacteur David WILGENB

« Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 1 sur 18 Rédacteur David WILGENBUS La main à la pâte – Société française de physique Dossier « Les énergies fossiles » (ce dossier est en ligne sur le site de La main à la pâte : http://www.inrp.fr/lamap/?Page_Id=16&Action=2&Element_Id=366&DomainScienceType_Id=7) « Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 2 sur 18 Table des matières 1 Introduction........................................................................................................................ 3 2 Le charbon.......................................................................................................................... 3 2.1 Formation ................................................................................................................... 3 2.2 Différentes étapes de la fermentation......................................................................... 4 2.3 Les différentes mines ................................................................................................. 4 2.4 Le coup de grisou ....................................................................................................... 5 2.5 Transport .................................................................................................................... 5 2.6 Réserves ..................................................................................................................... 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 Réserves et développement ........................................................................................ 8 3.6 Propriétés du gaz naturel............................................................................................ 8 3.7 Utilisations ................................................................................................................. 9 3.8 La cogénération.......................................................................................................... 9 3.9 La climatisation........................................................................................................ 10 3.10 Le GNV (gaz naturel pour véhicule)........................................................................ 11 4 Le pétrole.......................................................................................................................... 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 réserve................................................................................................... 15 5 Les centrales thermiques à flamme (fioul, gaz naturel, charbon) .................................... 15 5.1 Fonctionnement........................................................................................................ 15 5.2 Les combustibles...................................................................................................... 16 5.3 Les fumées émises.................................................................................................... 16 5.4 Les gaz émis............................................................................................................. 17 5.5 Réduction des émissions de dioxyde de soufre........................................................ 17 5.6 Réduction des émissions d'oxydes d'azote............................................................... 17 5.7 Le rendement............................................................................................................ 18 « Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 3 sur 18 1 Introduction Les énergies fossiles résultent d'une accumulation d'énergie solaire captée par des êtres vivants pendant des millions d'années. Elles regroupent trois sources d'énergie que l'on connaît bien : o le charbon ; o le gaz naturel ; o le pétrole. Ces énergies sont des énergies non renouvelables, contrairement aux énergies solaire, hydroélectrique, géothermique, éolienne... Elles sont donc épuisables. Dès l'antiquité le pétrole, récupéré en surface, est utilisé pour de multiples usages : médecine, éclairage, étanchéité des bateaux au Moyen Orient. Les égyptiens 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 à creuser des puits de pétrole, parfois jusqu'à 1000 mètres de profondeur. Le gaz naturel est quant-à lui utilisé pour la cuisson des aliments. C'est avec la révolution industrielle que l'utilisation de ces énergies fossiles s'intensifie. La houille, jusqu'alors utilisée pour la combustion (la machine à vapeur date de la fin du XVIIIème siècle), est distillée au XIXème siècle pour produire du coke et du gaz de houille qui brule sans fumée et qui est alors utilisé pour l'éclairage, la cuisson ou la production d'eau chaude. Il est ensuite délaissé au profit du gaz naturel qui pollue bien moins. Le XIXème siècle voit aussi la naissance de l'industrie pétrolière, avec la ruée vers l'or noir. Le pétrole prend de l'importance avec l'avènement du moteur à explosion et devient l'égal du charbon. Au XXe siècle, l'utilisation du pétrole se diversifie (paraffine, plastique, huile lubrifiante...) tandis que l'industrie du charbon recule. La crise pétrolière de 1973 incitera certains pays comme la France à se tourner vers d'autres formes d'énergie (nucléaire, hydroélectrique, solaire)... 2 Le charbon Le charbon est un terme général qui regroupe essentiellement la houille et le lignite. Il représente 80 % des énergies fossiles disponibles. C'est l'énergie fossile la plus abondante mais aussi la mieux répartie. 2.1 Formation Le charbon résulte de la décomposition de débris végétaux accumulés, il y a des centaines de millions d'années, dans des endroits marécageux, des lagunes et des deltas de fleuves. Les végétaux immergés morts se sont déposés au fond de l'eau, fond qui s'est ainsi recouvert de feuilles, de bois, de pollen, d'écorces, de spores, d'algues microscopiques... Ces dépôts minéraux ont été à leur tour recouverts d'un dépôt d'argile qui les a protégés de l'air. La fermentation a alors pu commencer. C'est cette fermentation qui donnera plus tard la houille. Pendant que les dépôts ont fermenté, du sable s'est accumulé sur l'argile, permettant à une nouvelle forêt de pousser. Puis le bassin s'est de nouveau enfoncé et une partie de la forêt a de « Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 4 sur 18 nouveau été immergée. Et ainsi de suite. De tels gisements de charbon peuvent atteindre une surface de 5000 km2. 2.2 Différentes étapes de la fermentation Au cours de la fermentation, les dépôts minéraux passent par différents stades : o la tourbe ; o le lignite ; o la houille ; o l'anthracite. La tourbe ne peut pas être qualifiée de charbon. Elle commence à peine à se carboniser c'est- à-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 arrivée à maturation. Elle a commencé à se former il y a 60 millions d'années environ et contient seulement 65 à 70 % de carbone. Elle brûle mal et produit peu de chaleur donc peu d'énergie. La houille a commencé sa formation il y a 250 à 300 millions d'années. 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 à peine plus âgé que la houille et contient un peu plus de carbone. On trouve aussi, dans les gisements, du graphite (carbone pur qui sert, entre autre, à fabriquer les mines de crayon). Quant au coke, ce n'est pas du vrai charbon. C'est un résidu 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 même, le charbon de bois n'est pas naturel. C'est un charbon artificiel qui est obtenu par combustion incomplète de végétaux. 2.3 Les différentes mines Il existe deux types d'exploitations : o les mines souterraines ; o et les mines à ciel ouvert. « Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 5 sur 18 Dans les mines souterraines, les mineurs creusent des galeries à l'intérieur du sol jusqu'à la veine (aussi appelée filon) de charbon. L'accès aux veines à exploiter se fait : o soit par puits et par galeries ; o soit par descenderie (plan d'accès incliné et débouchant au jour). Les galeries peuvent être directement creusées dans le filon (c'est le système à chambres et colonnes) ou bien enserrer le filon de manière circulaire. Dans le système à chambres et colonnes, le filon est abandonné avant d'être complètement épuisé. En effet, au fur et à mesure de l'exploitation, les colonnes s'amenuisent et la voûte risque alors de s'écrouler. Dans ces mines, la profondeur maximale des puits est généralement de 1000 à 1200 mètres. Le puits le plus profond se trouve en Inde, à Kolar et atteint plus de 3000 mètres de profondeur. Dans les mines à ciel ouvert, l'exploitation se fait généralement entre 10 et 400 mètres de profondeur. Ces mines ressemblent à de grands amphithéâtres avec d'énormes gradins. Durant l'exploitation, les couches de terre recouvrant ou entourant le charbon sont décapées afin d'atteindre le filon. Ainsi, l'amphithéâtre s'élargit progressivement et devient de plus en plus profond. 2.4 Le coup de grisou Le coup de grisou est l'accident lié à l'exploitation du charbon le plus connu. Le grisou est un gaz (composé essentiellement de méthane CH4) contenu dans la houille. Il est inflammable dès qu'il est présent à plus de 6 % dans l'air. Une simple étincelle suffit alors; c'est l'explosion ou coup de grisou. Le coup de grisou le plus meurtrier en France s'est produit en 1906 à Courrières. Il fit environ un millier de victimes. 2.5 Transport Aux XVIIIe et XIXe siècles, les usines se plaçaient généralement autour des bassins charbonniers afin d'éviter de longs transports. De nos jours, on transporte aisément le charbon par pipe-lines ou bien par voie fluviale, maritime ou ferroviaire. Les pipe-lines sont l’équivalent des oléoducs pour le pétrole. Ils sont plutôt utilisés pour des transports sur de courtes distances. Pour être transporté ainsi, le charbon doit subir des modifications. En effet, le charbon se présente sous forme de blocs solides. Il est donc broyé sous forme de fines particules puis dilué dans une solution liquide. Pour les longues distances, le charbon est transporté par barges ou péniches, par trains ou encore par bateaux sans être préalablement transformé. 2.6 Réserves Les principaux pays riches en charbon sont situés en zones tempérées. Ce sont les Etats-Unis, la Belgique, la France (nord de la France), l'Allemagne, la Pologne, la Russie et la Chine. Les réserves exploitables de charbon correspondent à 10 000 milliards de tonnes soit sept fois plus que celles du gaz et du pétrole. Ces réserves sont suffisantes pour subvenir aux besoins pendant environ 300 ans. 2.7 Utilisation De nos jours, le charbon est utilisé : o pour obtenir un substitut au gaz naturel, GNS (gaz naturel de synthèse) : c'est la combustion directe du charbon dans la veine qui produit le GNS ; « Les énergies fossiles » David Wilgenbus Page 6 uploads/Industriel/ 366-dossier-energies-fossiles-pdf.pdf