Centrale à charbon

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.

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.

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

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⁾.

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).

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%.

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.

Les centrales à charbon sont l'une des principales sources de pollution atmosphérique et environnementale. Elles sont à l'origine de nombreuses maladies, provoquant le décès de milliers de personnes chaque jour dans le monde.

Voici quelques-unes des principales formes de pollution associées à ces centrales :

• Émissions de dioxyde de carbone (CO2) : Les centrales à charbon sont responsables d'une grande partie des émissions mondiales de CO2, un gaz à effet de serre majeur contribuant au changement climatique.
• Émissions de dioxyde de soufre (SO2) : Lorsque le charbon est brûlé, il produit du dioxyde de soufre, qui contribue à la formation de pluies acides. Ces pluies acides peuvent avoir des effets dévastateurs sur les écosystèmes terrestres et aquatiques.
• Émissions d'oxydes d'azote (NOx) : Les centrales à charbon produisent également des oxydes d'azote, qui contribuent à la formation de smog et de particules fines dans l'atmosphère. Ces polluants peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine, notamment en aggravant les problèmes respiratoires et cardiovasculaires.
• Émissions de particules fines : La combustion du charbon génère également des particules fines, qui peuvent pénétrer profondément dans les poumons et causer des problèmes de santé graves, tels que des maladies pulmonaires et cardiovasculaires.
• Production de cendres volantes et de résidus : Les centrales à charbon produisent d'importantes quantités de cendres volantes et de résidus, qui peuvent contaminer les sols et les eaux souterraines s'ils ne sont pas correctement gérés.

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.

La baisse de la production mondiale du parc de centrales à charbon aura une importance centrale dans le cadre de la lutte contre le changement climatique : le scénario « Sustainable Development » de l’Agence internationale de l’énergie – jugé compatible avec l’Accord de Paris – parie sur une baisse moyenne de 6% par an de cette production électrique à partir du charbon. Autrement dit, le double du rythme de réduction « historique » envisagé par Carbon Brief pour l’année 2019.

Facteur central de la révolution industrielle

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.

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 centrales à charbon dans le monde

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.

Une étude du Massachussetts Institute of Technology (MIT) révélait en 2007 la construction de deux nouvelles centrales à charbon par semaine en Chine.

En 2022, la puissance du parc mondial de centrales à charbon a augmenté de 19,5 GW (soit une croissance annuelle d'un peu moins de 1%). « En dehors de la Chine, ce parc a continué de se contracter, bien qu'à un rythme plus lent que les années précédentes », souligne Global Energy Monitor⁽³⁾ : près de 26 GW de centrales à charbon ont été arrêtées dans le monde en 2022 mais 45,5 GW d'installations utilisant ce combustible ont été mises en service dans le même temps, dont 59% en Chine.

Dans l'Union européenne, l'invasion de l'Ukraine par la Russie et la crise gazière ont conduit à un ralentissement des arrêts de centrales à charbon (seulement 2,2 GW en 2022, contre 14,6 GW en 2021). « Ce qui semblait être un pic de capacité de charbon n'a engendré que 1% en plus de production de la part des centrales à charbon dans l'UE », note toutefois Global Energy Monitor (16% du mix électrique de l'UE en 2022).

La puissance cumulée des centrales à charbon « en développement » dans le monde est en forte hausse, atteignant 537 GW à fin 2022 (contre 479 GW à fin 2021), en raison de la relance de nombreux projets en Chine (entre autres justifiée par les autorités chinoises comme un moyen d'assurer l'équilibre du réseau électrique et de faciliter l'intégration en parallèle des filières renouvelables à production intermittente).

Pour rappel, la consommation mondiale de charbon a atteint un nouveau pic en 2022 et ce combustible, pourtant décrié dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, reste de loin la première source d'électricité. 

En mars 2023, le secrétaire général des Nations Unies António Guterres a à nouveau appelé à arrêté toutes les centrales à charbon d'ici à 2030 dans les pays développés de l'OCDE et d'ici à 2040 dans le reste du monde (avec un arrêt immédiat des nouveaux projets liés au charbon)⁽⁵⁾.

Dans les pays de l'OCDE, près de 70% des centrales à charbon sont « en phase » avec ce calendrier avec un arrêt prévu d'ici à 2030, indique Global Energy Monitor. En revanche, seulement... 6% des centrales à charbon situées hors des pays de l'OCDE ont une date de fermeture prévue avant 2040.

La puissance installée du parc mondial de centrales à charbon continue d’augmenter mais ces centrales sont moins utilisées durant l’année. (©Connaissance des Énergies, d’après Carbon Brief)

Selon Global Energy Monitor, « le rythme mondial des arrêts de centrales devrait être quatre fois et demi plus rapide⁽⁶⁾ afin de mettre le monde sur la bonne voie pour éliminer le recours au charbon dans le secteur électrique d'ici 2040, comme requis pour atteindre les objectifs de l'accord de Paris sur le climat ».

Parmi les grands acteurs réduisant le poids de leurs centrales à charbon figure l’Union européenne⁽⁷⁾. La chute actuelle est due pour moitié aux nouvelles installations de capacités éoliennes et solaires et pour moitié à une substitution du charbon par le gaz⁽⁸⁾. Il est entre autres rappelé que le Royaume-Uni a produit de l’électricité sans faire appel à ses centrales à charbon pendant 2 semaines en mai, une première dans ce pays depuis le début de la Révolution industrielle.

Aux États-Unis aussi, la baisse du charbon atteint des niveaux très élevés : 57 centrales d’une puissance cumulée de 14 GW ont fermé rien qu'en 2019 (soit 5,8% du parc américain de centrales à charbon).

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.

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.

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).

Début 2016, seuls 15 projets de CSC étaient en service dans le monde auxquels devraient s'ajouter 7 nouveaux projets d'ici 2017.