Centrale à charbon

   

Une des centrales à charbon allemandes qui ont généré près de 44% de l'électricité outre-Rhin en 2015. (©photo)

Sommaire

·  Définition et catégories

·  Fonctionnement

·  Enjeux

·  Acteurs majeurs

·  Unités et chiffres clés

·  Zone de présence

·  Passé et présent

·  Futur

Définition et catégories

Une centrale à charbon produit de l’électricité en utilisant la chaleur générée par la combustion du charbon.

Le charbon est un combustible fossile d’origine organique. Il est le résultat de la transformation de résidus de forêts enfouis dans le sol depuis près de 300 millions d’années (ère carbonifère). Par enfouissement, sous l’effet de pressions et de températures élevées dues à la profondeur, les végétaux ensevelis se sont décomposés puis transformés en une matière solide et combustible à haute teneur en carbone : le charbon. Il existe plusieurs catégories de charbon qui dépendent de la teneur en carbone, en soufre et en eau.

Les centrales à charbon utilisent cette source d’énergie pour produire de l’électricité. Après avoir été trié et lavé, le charbon est brûlé dans une chaudière. La chaleur générée par cette combustion chauffe l’eau jusqu’à ce qu’elle se transforme en vapeur. Cette vapeur entraîne une turbine qui, associée à un alternateur, génère de l’électricité.

Fonctionnement technique ou scientifique

Après avoir été extrait, le charbon peut être transformé en combustible pour alimenter une centrale thermique. Deux techniques peuvent alors être employées.

Technique n°1 : la combustion de poussière de charbon

Le charbon est broyé, mis sous forme de petits morceaux afin de le réduire en poussière fine qui va servir de combustible. Une fois mélangée à l’air, cette poussière est injectée puis brûlée dans une chaudière à plus de 1 400°C. Cette combustion produit la chaleur nécessaire pour chauffer l’eau qui circule dans des tuyaux. Sous l’effet de la chaleur, l’eau se transforme en vapeur à haute pression et permet d’entraîner une turbine. Les rotations de la turbine (énergie cinétique) sont transformées en énergie électrique grâce à un alternateur qui convertit l’énergie transmise par la turbine. Ce mécanisme basé sur l’entraînement d’une turbine par la vapeur est identique à celui des autres centrales thermiques (gaz, fioul, nucléaire).

Cette technique qui consiste à pulvériser la poussière et à la mélanger avec de l’air est largement utilisée dans les centrales à charbon. Toutefois, la rentabilité énergétique de ce procédé dépend de la qualité du charbon utilisé. Le pouvoir calorifique du charbon dépend notamment de sa teneur en carbone. Le lignite est composé de 50 à 60% de carbone et les sous-bitumineux sont constitués de 60 à 70% de carbone. Ce sont des charbons de rangs inférieurs. Les charbons-vapeur sont des bitumineux. Il s’agit de charbon de haut rang dont la teneur en carbone est comprise entre 70 et 90%.

Technique n°2 : le « lit fluidisé »

La technique du « lit fluidisé » peut également être utilisée : le charbon est simplement concassé et conduit à former un « lit » maintenu en sustentation par injection verticale d’air. Les particules de charbon brûlent en suspension et les poussières partiellement brûlées sont récupérées pour être ensuite réinjectées dans la chaudière. Cette technique permet donc d’obtenir une combustion totale à une température allant de 850 à 900°C (au lieu de 1400°C dans une chaudière classique). Ce procédé a de nombreux avantages, tels qu’un haut rendement et la possibilité de brûler des charbons de mauvaise qualité. De plus, cette technique est peu polluante : la température inférieure à 900°C garantit une faible teneur des fumées en oxydes d’azotes ainsi qu’en métaux lourds. Elle permet également la désulfuration des fumées et retient dans ses cendres la quasi-totalité du chlore et du fluor.

Enjeux par rapport à l'énergie

Les besoins en électricité ainsi que les préoccupations géopolitiques et environnementales replacent au centre du débat les centrales à charbon.

·         Le prix du charbon est compétitif et relativement stable. Par conséquent, les coûts de production des centrales à charbon ne varient que peu et demeurent compétitifs (plus encore avec l'exploitation des gaz de schiste aux États-Unis qui rend disponible de grandes quantités de charbon sur le marché).

·         Les centrales à charbon jouent un rôle majeur dans la production mondiale d’électricité. Le charbon est la première énergie utilisée pour produire de l’électricité, sa part dans le mix électrique mondial avoisinant 41%⁽¹⁾.

·         Cependant, les centrales à charbon ont un impact négatif et lourd sur l’environnement. Elles rejettent du méthane (CH4), des oxydes d’azote (les NO_x) et du gaz carbonique (CO₂). Lors de sa combustion, le charbon émet plus de gaz carbonique que le pétrole et a fortiori que le gaz naturel.

Acteurs majeurs

Aux côtés des grands fournisseurs d’électricité, Engie, EDF et EON en Europe, Inter RAO en Russie, des « utilities » américaines et des combinats indiens et chinois, le marché mondial des centrales thermiques à charbon est de plus en plus dominé par les constructeurs de turbines maîtrisant l’électrotechnique. Citons Siemens, Alstom, Vatenfall en Europe, General Electric et Westinghouse aux États-Unis, Hitachi et Mitsubishi au Japon, Cosmic Engineering en Inde.

Dans le monde entier, l’effort de recherche et développement se porte sur la réduction de l’impact environnemental des centrales à charbon grâce aux techniques dites de « charbon propre », en particulier avec la capture et le stockage du CO₂. Des centres de recherche du département de l’énergie tels que l’EPRI et l’ORNL (Oak Ridge National Laboratory) aux États-Unis, le BRGM et IFP Energies nouvelles en France, coordonnent ces recherches.

Unités de mesure et chiffres clés

Selon les estimations de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE), le rendement moyen mondial du charbon était d’environ 2 083 kWh/tonne (soit une efficacité de 30%) en 2009. En Europe, ce chiffre était d’environ 2 630 kWh/tonne de charbon (efficacité de 38%). Le rendement moyen des centrales supercritiques au charbon dépasse 45%.

Zone de présence ou d'application

Le charbon se trouve partout en grande quantité et certains États en ont fait leur source d’énergie principale pour produire de l’électricité. Les plus grandes réserves de charbon se trouvent aux États-Unis, en Russie, en Chine (ces pays disposant à eux trois de 57% des réserves prouvées dans le monde à fin 2015)⁽²⁾. L'Australie, l'Inde, l'Allemagne, l'Ukraine, le Kazakhstan et l'Afrique du Sud possèdent également d'importantes réserves (avec plus de 30 milliards de tonnes de réserves prouvées à fin 2015 dans chacun de ces pays).

Les principaux acteurs qui produisent de l’électricité grâce aux centrales à charbon sont les États détenant d’importantes réserves. La part de la production d’électricité issue du charbon en 2012 est de 94% en Afrique du Sud, 86% en Pologne, 81% en Chine, 69% en Australie, 68% en Inde et 43% aux États-Unis et en Allemagne⁽³⁾. Les centrales à charbon jouent un rôle clé dans la production d’électricité de ces pays. D’importants projets de modernisation et de développement des centrales à charbon sont notamment en cours en Chine.

Les pays en développement ont d’énormes besoins en électricité et le charbon est un moyen simple et économique pour satisfaire leurs besoins en toute sécurité. Près des deux tiers des centrales électriques fonctionnant au charbon sont construites dans les pays en développement.

Passé et présent

Les propriétés du charbon ont rapidement été découvertes. C’est un très bon combustible qui brûle longtemps et qui produit de la chaleur. Le charbon a d’abord servi pour chauffer les maisons et faire fonctionner les machines, puis très rapidement il a été utilisé pour produire de l’électricité.

Les centrales à charbon se sont développées et ont enclenché la marche vers la seconde révolution industrielle au XIX^e siècle. L’utilisation du charbon pour produire de l’électricité s’est vite répandue car elle met en œuvre un processus aisé et peu coûteux. Au fil du temps, des techniques de pointe se sont développées afin d’améliorer la performance des centrales à charbon. Au début du XX^e siècle, leur puissance unitaire n’était que de quelques dizaines de MW (mégawatts) alors qu’elle dépasse aujourd’hui les 1 000 MW.

Par ailleurs, les centrales à charbon récentes émettent 40% de CO₂ en moins que les centrales à charbon du milieu du XX^e siècle tout en demeurant une source de pollution atmosphérique importante (poussières, NO_x, SO₂) et d’effet de serre (CH4, CO₂).

La prolifération des centrales à charbon pose des problèmes environnementaux. Une étude du Massachussetts Institute of Technology (MIT) réalisée en 2007 révélait en 2007 la construction de deux nouvelles centrales à charbon par semaine en Chine.

Futur

De nouvelles avancées technologiques pourraient améliorer les rendements des centrales à charbon tout en protégeant l’environnement :

·         les techniques de « charbon propre » telles que la désulfuration et la dénitrification pourraient réduire l’impact sur l’environnement ;

·         intensifier les recherches pour augmenter l’efficacité et les rendements des centrales à charbon réduirait les émissions de CO₂ ;

·         développer des techniques de captage et de stockage du CO₂ (CSC) permettrait de récupérer et d’enfouir sous terre les émissions de ce gaz ;

·         les avancées technologiques devraient pouvoir être industrialisées à des coûts compatibles avec les exigences économiques, ce qui n’est pas encore obtenu.

Passer de centrales sous-critiques (rendement thermique d’environ 30%) à des centrales ultra-supercritiques (rendement thermique d’environ 46% pour les dernières centrales construites en Europe) permettrait notamment de réduire d’environ 30% les émissions de CO₂ par kWh produit. Selon le GIEC, l’amélioration du rendement des centrales et le déploiement à large échelle de systèmes de capture et de stockage de CO₂ sont indispensables pour atteindre les objectifs fixés par la COP21. Début 2016, seuls 15 projets de CSC étaient en service dans le monde auxquels devraient s'ajouter 7 nouveaux projets d'ici 2017.

SOURCE: CONNAISSANCE DES ENERGIES

Unités de l'énergie

 

À RETENIR

·         Le joule est l'unité de mesure de l'énergie de référence selon le système international d'unités.

·         Dans la pratique, l'énergie est fréquemment mesurée en utilisant d'autres unités que le joule : la tep, le kWh, le BTU, etc.

·         Les confusions dans les unités en matière d'énergie sont courantes. Par exemple, le kW est une unité de puissance tandis que le kWh désigne une quantité d'énergie.

·         La tep (tonne d'équivalent pétrole) permet de mesurer l'énergie calorifique d'une tonne de pétrole « moyen ». Elle est souvent employée dans les bilans énergétiques : ktep (10³ tep), Mtep (10⁶ tep).

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·  Définition et catégories

·  Acteurs majeurs

·  Unités et chiffres clés

·  Zone de présence

·  Passé et présent

Définition et catégories

L’unité de mesure de l’énergie légalement en vigueur en France ainsi que dans la quasi-totalité des pays du monde est le joule (J). Celui-ci s’inscrit dans un système global appelé Système international d’unités (SI).

Le joule est défini comme le travail d’une force d’un Newton dont le point d’application se déplace d’un mètre dans la direction de la force. Il représente une quantité d’énergie perçue comme petite dans l’activité courante d’un être humain, ce qui handicape son usage dans certaines circonstances. Aussi est-il parfois utilisé au travers de ses multiples en milliers : kilojoule (1 kJ soit 10³ J), mégajoule (1 MJ = 10⁶ J), gigajoule (1 GJ = 10⁹ J), etc.

Le joule se définit en référence à d’autres unités de masse, de longueur et de temps du Système international, il est une unité dite dérivée (kg.m².s^-2). Dans la pratique, contrairement à la plupart des autres unités du Système international, l’énergie est fréquemment mesurée en utilisant d’autres unités que le joule.

Celles-ci ont généralement un usage adapté à un domaine d’activité et/ou bénéficient d’un long historique d’utilisation : électron-volt (eV), erg (erg), calorie (cal), Calorie (kcal), British Thermal Unit (BTU), kilowatt-heure (kWh), tonne d’équivalent pétrole (tep), etc.

·         électron-volt (eV) : énergie cinétique gagnée par un électron accéléré par une différence de potentiel d’un volt, utilisée principalement dans le monde scientifique des physiciens car elle correspond à l’ordre de grandeur de l’énergie d’un électron au sein d’un atome.
1 eV = 1,602.10^-19 J

·         erg (erg) : unité d’énergie constitutive d’un système différent du Système international, appelé CGS (dont les unités de base sont le centimètre, le gramme et la seconde).
1 erg = 10^-7 J

·         calorie (cal) : unité historique de mesure de l’énergie définie initialement par Nicolas Clément en 1824 comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré Celsius  la température d’un kg d’eau. Cette définition imprécise a été par la suite spécifiée et déflatée d’un coefficient 1 000 en indiquant qu’il s’agissait de la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’eau dégazée de 14,5°C à 15,5°C sous un bar de pression atmosphérique.
1 cal = 4,1855 J
Remarques
Il est parfois fait usage dans le monde de la réfrigération d’une unité « négative » la frigorie (fg) :  1 fg = -1 cal.
La notion de Grande calorie (Cal ou kcal) est utilisée principalement en diététique : 1 Cal = 1 kcal = 10³ cal = 4 185,5 J
La thermie (th) est une unité ancienne d’énergie : 1 th = 10⁶ cal = 4 185,5.10³ J

·         British Thermal Unit (Btu ou BTU) : unité d’énergie anglo-saxonne définie comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré Fahrenheit une livre anglaise d’eau dans une atmosphère d’un bar.
1 BTU = 1 055 J

·         kilowatt-heure (kW.h ou kWh) : Energie consommée par un appareil de 1 000 watts pendant une durée d’une heure. Cette unité est particulièrement utilisée dans les industries électriques. Il est fait usage également du watt-heure (Wh) et des multiples par milliers du kWh que sont le mégawatt-heure (MWh) et le gigawatt-heure (GWh).
1 kWh = 3,6.10⁶ J
Le kWh est défini en référence à une unité de puissance, le watt qui fait partie du Système international d’unités (SI). Il arrive fréquemment qu’il y ait confusion dans le langage courant entre énergie et puissance. Or, la puissance d’une machine est l’énergie qu’elle fournit pendant une unité de temps : un watt est la puissance d’une machine qui fournit un joule toutes les secondes. A l’inverse un Wh est l’énergie fournie en une heure par une machine d’un watt.

·         Tonne de TNT : énergie libérée lors de l’explosion d’une tonne d’un explosif appelé TNT. Sa valeur est susceptible de varier suivant les conditions de l’explosion. Elle a cependant été normalisée. Pratique essentiellement réservé au monde militaire.
1 tonne de TNT = 4,184.10⁹ J

·         Tonne d’équivalent pétrole (tep) : énergie calorifique d’une tonne de pétrole « moyen ». Cette unité est particulièrement utilisée par les économistes de l’énergie qui font fréquemment référence à certains de ses multiples par milliers : ktep (10³ tep), Mtep (10⁶ tep).
1 tep = 4,186.10¹⁰ J

·         Dans le même esprit que la tonne d’équivalent pétrole, il est fait parfois référence à une unité d’énergie équivalente à un baril de pétrole. La valeur en est fixée de manière conventionnelle.
1 tep = 7,33 barils de pétrole

·         Avant la référence au pétrole, pour définir une unité énergétique d’un point de vue économique et industriel, il était fait référence à la tonne d’équivalent charbon (tec). Par ailleurs, suivant les circonstances industrielles, sont également utilisées les tonnes d’autres produits énergétiques : essence, fioul lourd, gaz, lignite, etc.
1 tec = 2,930.10¹⁰ J

Acteurs majeurs

Le joule, unité d’énergie, tire son nom d’un physicien anglais James Prescott Joule (1818-1889). Outre la direction d’une fabrique de bières, il se consacra à l’étude des sciences notamment dans les domaines électriques, magnétiques et thermiques. Il formula entre autres la loi régissant les dégagements de chaleur provoqués par le passage d’un courant électrique dans un conducteur.

Unités de mesure et chiffres clés

La mesure des énergies concerne des phénomènes d’ordre de grandeur exceptionnellement différents. D'un électron-volt à une tonne d’équivalent pétrole, il y a ainsi 29 ordres de grandeur de différence. Autrement dit, il faut multiplier l’énergie d’un électron-volt par un nombre ayant 30 chiffres avant la virgule pour obtenir un ordre de grandeur équivalent à celui d’une tonne d’équivalent pétrole.

Cette disparité explique l’usage d’unités différentes. Malheureusement, elle crée fréquemment des confusions sur les ordres de grandeur, ce qui est nuisible à la compréhension des phénomènes.

Illustrations de quelques ordres de grandeur

·         Énergie délivrée par un flash d’appareil photo : en dizaines de joules ;

·         Énergie cinétique d’une voiture d’1,5 tonne roulant à 125 km/h : en millions de joules (10⁶ J) ;

·         Énergie d’un kilomètre cube d’air se déplaçant à 250 km/h lors d’un ouragan : en milliers de milliards de joules (10⁹ J) ;

·         Énergie totale du soleil qui atteint la terre en une seconde : en centaines de millions de milliards de joules (10¹⁷ J) ;

·         Énergie consommée dans le monde en une année : en centaines de milliards de milliards de joules (10²⁰ J).

Zone de présence ou d'application

Le Système international d’unités a été adopté officiellement par tous les pays à l’exception des Etats-Unis, du Libéria et de la Birmanie. 

Passé et présent

Le Système international d’unités (SI) est un système décimal exception faite de la mesure du temps. Il compte 7 unités de base : le mètre (m), le kilogramme (kg), la seconde (s), l’ampère (A), le kelvin (K), la mole (mol) et le candela (cd). Des unités en sont dérivées comme le joule pour l’énergie.

Il est né lors d’une conférence générale des poids et mesures en 1960 et a été complété par introduction de la mole en 1971. Il est l’héritier de toute une série de travaux de normalisation initiés en Angleterre en 1668 par la Royal Society. Dans le cheminement aboutissant à sa création, le vote par l’Assemblée nationale française en 1790 d’un texte amenant à la création d’un système de mesure uniforme et métrique a constitué une étape importante.

Le saviez-vous ?

Si l’homme était capable d’utiliser toute l’énergie potentielle de la matière quelle qu’elle soit, telle que définie par Einstein dans sa formule E=mc², la consommation de 5 tonnes de matière suffirait à alimenter l’ensemble de la population de la Terre en énergie pendant un an, dans les conditions de consommation actuelles.

SOURCE: CONNAISSANCE DES ENERGIES 

Climat : les émissions de CO2 repartent à la hausse en 2017

parue le 13 novembre 2017

    

Près de 40% des émissions mondiales de CO₂ liées à l’énergie et à l’industrie en 2016 seraient dues au charbon. (©Robert Castillo-Dreamstime.com)

Les émissions mondiales de CO₂ liées à la combustion d’énergie fossile et à l’industrie pourraient augmenter de près de 2% en 2017 selon le Global Carbon Projet. Les données présentées ce matin en marge de  la COP23 à Bonn constituent un nouveau signal inquiétant dans la lutte contre le changement climatique.

Une hausse des émissions en grande partie liée à la Chine

En 2017, les émissions mondiales de CO₂ pourraient atteindre 41 milliards de tonnes (Gt), dont environ 36,8 Gt dues à la combustion d’énergie fossile et à l’industrie selon le Global Carbon Projet (GCP). A l’origine du rapport présenté ce matin à Bonn, 76 scientifiques de 57 centres de recherche font état d’une incertitude de plus ou moins 5% pour estimer les émissions de 2017 mais ils s’accordent sur un fait : ces émissions seront en hausse (entre + 0,8% et + 3% par rapport à 2016), après trois années de stabilisation.

Publié chaque année depuis 12 ans, le Global Carbon Budget signale que la hausse des émissions mondiales en 2017 est en grande partie due à la hausse des émissions chinoises. La Chine, dont les émissions avaient baissé en 2015 et 2016, pourrait émettre près de 10,5 Gt CO₂ en 2017, soit 3,5%⁽¹⁾ de plus que l’an dernier. Cette évolution est liée à une hausse de la production industrielle et une plus forte consommation d’énergies fossiles (+ 3% de charbon notamment), parallèlement à une baisse de la production hydroélectrique (baisse des précipitations).

Les émissions mondiales de CO₂ vont atteindre un niveau record en 2017. (©Connaissance des Énergies d’après Global Carbon Project)

Aux États-Unis, la baisse des émissions de CO₂, qui avoisinait 1,2% par an au cours de la dernière décennie, pourrait se limiter à 0,4% en 2017 en raison d’une hausse de la consommation de charbon. Dans l’Union européenne, les émissions pourraient également diminuer de seulement 0,2% en 2017 selon le Global Carbon Projet, contre une baisse de 2,2% par an en moyenne lors des dix dernières années.

Avec des émissions estimées en hausse de 2% en 2017, l’Inde fait finalement figure de « bonne surprise » puisqu’il s’agit d’un important recul par rapport à la tendance de la dernière décennie (+ 6% par an). Parmi les autres faibles signaux positifs, le Global Carbon Project constate que 22 pays ont diminué leurs émissions de CO₂ au cours de la dernière décennie alors que leurs PIB augmentaient.

Pour rappel, la Chine, les États-Unis et l’Inde ont compté pour la moitié des émissions mondiales de CO₂ en 2016 (comptant respectivement pour 28%, 15% et 7% de ces émissions). Rapportées à la population, les émissions de CO₂ sont plus de deux fois plus importantes aux États-Unis qu’en Chine ou dans l’Union européenne.

La cible des 2°C s’éloigne…

Près de 40% des émissions mondiales de CO₂ liées à l’énergie et à l’industrie en 2016 sont imputées par le Global Carbon Project à la combustion de charbon. Les autres facteurs d’émissions sont la consommation de pétrole (34%) et de gaz (19%), la production de ciment (6%) et le « torchage » de gaz (près de 1%).

Entre 2011 et 2016, les émissions mondiales de CO₂ liées au charbon ont baissé en moyenne de 0,6% par an tandis que celles liées au pétrole augmentaient de 1,6% par an. Pour rappel, ces deux énergies comptaient encore pour 61,4% de la consommation mondiale d’énergie en 2016⁽²⁾.

La cible de « 2°C »⁽³⁾, voire de « 1,5°C » semble hors de portée à l’heure actuelle : « il faudrait que les émissions atteignent leur pic ces prochaines années puis diminuent rapidement » et de manière drastique, souligne Corinne Le Quéré, co-auteur du rapport du Global Carbon Project et professeur à l’université britannique d’East Anglia qui fait part d’ « une grande déception » face aux nouvelles données présentées.

A Bonn, la COP23 entrera mercredi et jeudi dans une phase plus « politique » avec entre autres l’intervention d’Angela Merkel et d’Emmanuel Macron. Il sera à nouveau question de l’inadéquation entre les objectifs de l’Accord de Paris et les engagements réels des États signataires.

En 2016, la consommation mondiale d’énergie primaire reposait encore à plus de 85% sur les énergies fossiles. (©Connaissance des Énergies d’après BP Statistical Review of World Energy)

SOURCE :  CONNAISSANCE DES ENERGIES