A. Présentation des différentes énergies fossiles

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1 A. Présentation des différentes énergies fossiles 1 Le charbon 1.1 Formation Comme tous les combustibles fossiles, le charbon est une forme d énergie solaire stockée depuis les temps géologique. Le charbon s est formé à la fin de l ère primaire, durant la période carbonifère (250 à 300 millions d années). La majeure partie des matières organiques constituant les débris végétaux des forêts de cette période s est décomposée, en présence de l oxygène atmosphérique en CO2 et en eau. Cependant, une infime partie des débris végétaux s est accumulé en certains sites géologiques propices pour se transformer en charbon. La figure 1 détaille les étapes de la formation du charbon. Figure 1: cycle de formation du charbon

2 1.2 Composition Chimique des différents charbons La composition chimique des charbons diffère selon sa nature : on distingue : La tourbe, matière fibreuse à forte teneur en eau, qui est extraite des marais Le lignite, matière fibreuse mais plus homogène, de combustion assez médiocre mais largement utilisé La Houille, c est le charbon à proprement parler, il est de structure plus homogène que le lignite C est cette composition chimique qui va influencer le pouvoir calorifique et la qualité des fumées de combustion. Le tableau 1 détaille la composition chimique les trois types de charbon précédemment cités. C S2 H2 O2+N2 Matières volatiles Humidité PCS % massique MJ/kg Tourbe , Lignite , , Houille ,5 1, Anthracite , ,5 3, Tableau 1 : composition chimique de différents charbons 1.3 Les traitements du charbon Le charbon extrait de la mine contient des matières stériles (terre, pierres ) qui doivent être éliminée en vu de l utilisation du combustible. Cette opération est effectuée dans des lavoirs situés à la sortie des puits. Après concassage, le charbon est lavé et criblé afin de séparer les différents calibres : les fragments inférieurs à 6mm constituent les fines (poussières de charbon) utilisés dans les centrales électriques et les fragments de taille supérieure sont séparés par gravité en schiste (plus lourds) et en charbons

3 (moins lourd). Un lavage supplémentaire peut permettre de réduire la teneur en soufre. Le charbon sous forme solide ne se prête qu à un nombre restreint d utilisations, ainsi, il existe des techniques permettant sa transformation en combustible gazeux ou liquide. La liquéfaction permet d obtenir un liquide semblable au pétrole brut (pétrole brut synthétique) qui peut être raffiné pour obtenir de l essence à haut indice d octane qui constitue un carburant automobile de qualité. Cette liquéfaction ce fait par hydrogénation (addition d hydrogène au carbone contenu dans le charbon). La gazéification produit un gaz qui peut être utilisé comme combustible ou carburant ou encore servir de matière première pour produire, comme ci dessus, des produits liquides. Cette technique sera abordée plus en détail par la suite. Les utilisations du charbon Comme nous l avons dit précédemment, l état solide du charbon ne permet pas facilement son utilisation dans des applications mobiles. Ainsi, la majeure partie est utilisée pour la production d électricité et l industrie. La figure 2 détaille l utilisation du charbon dans le monde en Figure 2: utilisations du charbon dans le monde en Réserves et ressources en charbon Lorsque l on parle des quantités d énergies fossiles qu il reste, il est important de différencier les ressources et les réserves : Réserves: ce sont des gisements géographiquement et géologiquement bien déterminés qui peuvent

4 être exploités économiquement dans les conditions techniques actuelles Ressources: ce sont des gisements suffisamment reconnus (ni supposés ni hypothétiques) mais incomplètement étudiés ou dont le coût de production n est pas acceptable dans les conditions actuelles du marché La figure 3, basée sur les chiffres de la banque de données mondiales sur l énergie (ENERDATA) présente le volume des réserves et des ressources en lignite et charbon selon l état des connaissances et En mettant ces chiffres en rapport avec la consommation mondiale, on observe qu il existe encore plus de 200 ans de réserves de charbon, à condition que la consommation reste du même ordre que celle actuelle. Figure 3 : Réserves et ressources de charbons et lignite en 1999

5 2 Le pétrole 2.1 Formation De manière semblable au charbon, le pétrole résulte de la dégradation bactériologique en l absence d oxygène, d organismes végétaux et de poissons morts déposés au fond de l eau il y a 10 à 100 millions d années. Seule une infime partie de la masse vivante a été soustraite au cycle de vie et de pourriture, mais ce phénomène se prolongea pendant des millions d années conduisant à la formation d immenses réserves en matières fossiles. 2.2 Compositions usuelles du pétrole brut Il existe une très grande variété de pétroles bruts, ceux ci contiennent principalement des hydrocarbures gazeux, liquides et solides (50 à 95 % en masse) sous forme de macromolécules. Le reste est constitué d eau, de sel, de sable, de soufre, d azote ou de composés azotés. L analyse élémentaire des pétroles bruts montre que les différents composants se trouvent dans les fourchettes de proportions suivantes : 80 à 88 % de Carbone 9 à 14 % d hydrogène 0 à 3 % d oxygène 0 à 5 % de soufre 0 à 2 % d azote 2.3 Le raffinage Le pétrole brut ne se prête pas à l utilisation directe comme carburant ou combustible. Les divers composants du pétrole brut (hydrocarbures légers, moyens ou lourds) doivent être séparés et éventuellement raffinés pour obtenir des produits pétroliers de différentes qualités et différentes utilisations. Le raffinage comprend les quatre opérations suivantes : L épuration des pétroles bruts, qui consiste à extraire les chlorures de sodium et de magnésium en suspension pour éviter la formation d acide chlorhydrique et les dépôts de

6 sels au cours des opérations ultérieurs. La distillation, qui se réalise à pression atmosphérique et sous vide, permet d obtenir des produits gazeux (butane, propane), des liquides (essence, kérosène, huile diesel, huile lourde) et des produits à forte viscosité (goudrons, asphalte). La figure 4 montre le principe d une tour de distillation, ou l on voit apparaître l étagement des produits issus de la distillation Figure 4 : schéma d'une tour de distillation Les conversions par craquage (fracture des grosses molécules en molécules plus petites pour passer d hydrocarbures lourds à l essence automobile par exemple), ou par reformage (pour monter l indice d octane) les finitions : hydrogénation (fixation de l hydrogène), désulfuration des gaz liquéfiés 2.4 Réserves et ressources en pétrole La figure 5 présente le volume des réserves et des ressources de pétrole mis en rapport avec la consommation annuelle mondiale (ENERDATA, 1999). En observant ces chiffres on voit qu il resterai environ 40 ans de réserves de pétrole, mais cela ne tient pas compte à la fois de l augmentation constante de la consommation annuelle et des nouvelles réserves qui pourraient être exploitées.

7 Figure 5 : Réserves et ressources en pétrole en Le gaz naturel 3.1 Formation Le gaz naturel est formé de manière différente selon la profondeur à laquelle on le trouve : Le gaz biogénique est produit par dégradation de débris organiques accumulés à l interface eausédiments par des bactéries méthanogènes, ces phénomènes se produisent naturellement en surface notamment dans les marais et à des profondeurs inférieures à m Le gaz naturel que l on trouve à de plus grandes profondeurs est produit par craquage thermique, c'est à dire par cassure de grandes molécules en molécules plus petites sous l effet de la chaleur. Recouverts sans cesse de nouveaux dépôts, à l'abri de l'oxygène et de la lumière, les sédiments sont enfoncés dans la terre et sont soumis à des températures et des pressions de plus en plus élevées 3.2 Composition du gaz naturel La composition du gaz naturel varie fortement selon les gisements, comme le montre le tableau 2 cidessous.

8 D une manière générale, le gaz naturel est constitué de différents hydrocarbures gazeux comportant un nombre d atome de carbone au maximum égal à 4 (CH4, C2H6, C3H8, C4H10). En plus de ces constituants énergétiques on trouve aussi du CO2, de l hydrogène sulfuré H2S et de l azote N2. La composition du gaz naturel étant très variable, son pouvoir calorifique est également très variable : le pouvoir calorifique supérieur est compris entre 9,8 et 12,3 KWh/m 3. Méthane Ethane GNL composés Gaz (Gaz soufrés Inertes Gisement CH4 C2H6 Naturel CO2, H2S Liquéfié) N2,... Lacq (France) 69,2 3,3 1,6 15,3 10,6 Groningue (Pays Bas) 81,3 2,9 0,6 15,2 Frigg (mer du 95,7 nord) 3,6 0,1 0,6 Hass R'Mel 83,7 (Algérie) 6,8 3,3 6,2 Etat Unis 56 0,4 0,1 43,5 Tableau 2 : composition chimique du gaz naturel de quelques gisements importants 3.3 Les traitements du gaz naturel Une fois extrait, le gaz naturel doit être traité afin d être débarrassé de tous les composants pouvant générer de la pollution lors de la combustion ou abîmer les installations. On utilise pour cela différentes techniques telles que l absorption sur charbon actif, le lavage ou le chauffage. La figure 6 détaille tous ces traitements possibles.

9 Figure 6 : les traitements du gaz naturel 3.4 Réserves et ressources en gaz naturel Les réserves en gaz naturel sont plus difficiles à évaluer que celle de pétrole, la consommation du premier ayant démarrée plus récemment que celle du second, et par conséquent les travaux de prospection sont moins avancés que ceux du pétrole. La figure 7 présente le volume des réserves et des ressources en gaz naturel mis en rapport avec la consommation annuelle mondiale (ENERDATA, 1999). En observant ces chiffres on voit qu il resterai environ 70 ans de réserves, toujours en ne tenant pas compte de l évolution de la consommation et des réserves exploitables. Figure 7 : réserves et ressources en gaz naturel en 1999

10 4 Les rejets Gazeux Les rejets gazeux issus de la combustion des combustibles fossiles sont très variés en nature et en proportion selon le combustible. De manière générale, les gaz de combustion sont composés d eau, de CO2, de SO2, de NOx, de N2O, de benzènes et d autres composés. Ces rejets dépendent essentiellement de la qualité des traitements effectués après l extraction des combustibles. Les données concernant la composition des fumées sont très difficiles à trouver, c est pourquoi le tableau 3 présente l évolution des normes de composition en composés polluant dans le pétrole. Tableau 3 : évolution des normes de teneur en polluants du pétrole

11 B. Le Traitement des polluants Les polluants des énergies fossiles sont très divers, il peut s agir de soufre, SO2, de NOx, de CO ou encore de CO2. Le traitement de ces polluants peut être effectué en amont ou en aval de la combustion. La désulfuration des combustibles en amont Le soufre est contenu dans différentes proportion suivant la nature du combustible, mais il est toujours présent. Il existe deux types de procédés de désulfuration : Les procédés régénératifs : à partir du SO2 on récupère du soufre élémentaire ou de l acide sulfurique qui sont en principe recyclables et qui ont parfois une valeur marchande Le procédé à la soude : le SO2 est absorbé dans une solution de sulfite de sodium sous forme bisulfite de sodium. Après chauffage de cette solution on sépare le SO2 dans une usine de fabrication de soufre Le procédé aux amines : il s agit aussi d une absorption du SO2 mais cette fois dans une solution aqueuse d amine Le procédé aux charbons actifs : le SO2 est absorbé sur un charbon actif qui est régénéré à chaud ou par circulation inverse du combustible Les procédés non régénératifs : Le procédé à la chaux ou au calcaire : il s agit d un lavage en présence d'un réactif alcalin, tel que la chaux ou le calcaire Les procédés secs La dépollution en aval : application aux véhicules

12 La réduction des émissions à la source des moteurs des véhicules passe par différents progrès technologiques tels que: L injection diesel à rampe commune : cette technique permet, par la pulvérisation sous pression du carburant, une forte réduction des émissions de CO, de NOx et de particules tout en agissant également sur le bruit La recirculation des gaz d échappement à l admission du moteur permet, en abaissant par dilution de la charge les températures de combustion, de limiter la formation des oxydes d azote Les filtres à particules Les filtres à particules utilisent des céramiques (carbure de silicium). Ils présentent une efficacité de filtration largement supérieure à 90 %, y compris pour les particules ultrafines. La principale difficulté réside dans la régénération du filtre qui consiste périodiquement à brûler les suies contenues dans le filtre : Soit en utilisant du NO2 comme agent oxydant. Un catalyseur d oxydation placé en amont du filtre transforme NO en NO2 lequel est utilisé pour oxyder les suies dans le filtre au fur et à mesure de leur piégeage (figure 8). La régénération ce fait donc de manière continue. Ce système est efficace à partir de 260 C et nécessite un rapport NOx/Particules supérieur à 8 et idéalement Ce filtre nécessite cependant également l utilisation d un carburant à faible teneur en soufre (< 50 ppm). Soit avec un catalyseur d oxydation imprégnée sur les parois du filtre (permet d obtenir une régénération continue à partir de 300 C de température de filtre) En cas de chargement de suie faisant suite à des fonctionnements prolongés à faible charge, une régénération active peut être provoquée via une action du contrôle moteur sur l injection de carburant. Une partie du carburant est alors utilisée pour le réchauffage du filtre afin de déclencher la combustion des suies accumulées. Soit en utilisant des systèmes de rétrofit destinés à équiper des véhicules anciens, en particulier les bus ou les bennes à ordures. Les systèmes dits «passifs» sont généralement basés sur l utilisation d un additif mis dans le carburant et qui permet d abaisser la température d initiation de la combustion des suies et d accélérer la régénération du filtre à particules. Les systèmes «actifs» sont basés généralement sur l utilisation d un filtre précédé d un catalyseur d oxydation. L élévation de température nécessaire à la régénération du filtre est obtenue par exemple par l injection de

13 gazole, au moyen d un injecteur placé dans la ligne d échappement. Les hydrocarbures injectés vont Figure 8 : filtre à particule avec catalyseur d'oxydation en amont La réduction catalytique des oxydes d azote Pour la réduction catalytique des oxydes d azote, deux technologies principales sont envisagées : La réduction catalytique avec une solution aqueuse d urée NH2CONH2 (SCR) qui injectée à l échappement va libérer de l ammoniac par une réaction d hydrolyse. Le catalyseur d oxydation placé en amont permet d augmenter le rapport NO2/NO des gaz d échappement et ainsi d accroître l efficacité de conversion notamment à basse température en tenant compte du fait que la réaction de NO2 avec NH3 est plus rapide que la réaction de NO avec NH3. Le catalyseur dit de «clean up» placé en aval du système permet de traiter les éventuels rejets d ammoniac excédentaire, notamment pendant les phases transitoires. La mise au point du système pour une application véhicule va nécessiter de calibrer très précisément la quantité d urée injectée en fonction de la quantité de NOx émis par le moteur, de la température d échappement, des caractéristiques du catalyseur. (Ce système consomme 4 à 8 % du volume de gazole en urée) Figure 9 : réduction catalytique avec solution d'urée Le piège à NOx, qui permet d atteindre des taux d efficacité comparables à celle de la SCR, sans

14 présenter l inconvénient d embarquer un réducteur supplémentaire, représente une alternative pour le traitement des oxydes d azote qui suscite actuellement de nombreux développements. Il est basé sur l alternance de 2 phases : d abord un fonctionnement normal en mélange pauvre durant lequel les oxydes d azote, après avoir été oxydés en NO2, sont stockés sous forme de nitrates sur une masse adsorbante puis un fonctionnement en mélange riche durant lequel les NOx sont déstockés puis réduits par les réducteurs (CO, HC) présents à l échappement. Le déstockage et la réduction des oxydes d azote nécessitent donc un fonctionnement à une richesse du mélange air/carburant supérieure ou égale à 1, inhabituel pour un moteur diesel. Ce fonctionnement est obtenu par modification des réglages moteur (débit d air, phasage et durées des injections, taux d EGR). L objectif des développements en cours est d optimiser ces basculements de richesse pour atteindre le meilleur compromis NOx/surconsommation de carburant. Les conditions de déstockage (niveau de richesse, réglages) influence sa durée et son efficacité : le déstockage, par exemple, est plus court à richesse élevée (> 1,15) et meilleur pour des réglages privilégiant les émissions de CO plutôt que d HC. La régénération provoque également une forte montée en température du piège qui peut conduire à sortir de la fenêtre de stockage du piège et donc limiter l efficacité de la phase de piégeage suivante. La conjugaison de l influence de ces différents paramètres tant sur le stockage que sur le déstockage montre que le meilleur compromis NOx/consommation est obtenue pour des richesses élevées de déstockage comme on le voit sur la figure 10. Grâce à l optimisation de l ensemble du système, on peut ainsi atteindre des efficacités de réduction d environ 80 % pour des surconsommations en gazole de 2 à 5 %. Pour éviter les relargages de CO et d HC qui peuvent se produire lors des passages riches, on prévoit l installation en aval du piège d un catalyseur d oxydation permettant de les traiter (un peu sur le même principe que le catalyseur de clean up pour la SCR). Le piège à NOx exige également l utilisation d un carburant sans soufre (< 10 ppm). En effet en présence de soufre, le piège se sature progressivement de sulfates, plus stables que les nitrates, qui font chuter rapidement son efficacité et vont nécessiter de désulfater périodiquement le piège par des passages riches à haute température.

15 Figure 10 : Piège à NOx : compromis NOx/consommation en carburant