Version classiqueVersion mobile
OpenEdition Books

Énergie, pollution de l’air et développement durable

 | 
Claude Ronneau

Chapitre 3. Combustion et combustibles

Texte intégral

1. Introduction

1La combustion est la principale source des polluants déversés dans l’air. Dans la première partie de ce chapitre, nous allons examiner les mécanismes de formation des polluants dans la flamme afin de comprendre comment il est possible d’améliorer la situation par adaptation des conditions de combustion. Dans une seconde partie, nous passerons en revue les principaux combustibles à notre disposition, actuellement et dans le futur, pour en souligner les qualités et les défauts.

COMBUSTION ET POLLUTION

2. La flamme

2La flamme est une réaction d’oxydation très rapide qui se déroule en phase gazeuse, à haute température, généralement entre 1000 et 2 000°C. Elle dégage de l’énergie thermique (réaction exothermique) grâce à l’oxydation d’un combustible (généralement un hydrocarbure), par l’oxygène de l’air, le comburant. La réaction ne se déroule que si le mélange comburant-combustible a été réalisé dans des proportions adéquates. L’exemple simple de la combustion du méthane se représente par :

3Ce schéma réactionnel, où n’interviennent que des gaz, présente la réaction dans les conditions de « stœchiométrie » stricte, c’est à dire dans des proportions de réactifs telles que n’apparaît ni déficit ni excès de l’un ou de l’autre. La réaction peut, bien sûr, se dérouler dans des limites plus larges de composition du mélange mais, dans ces conditions, l’excès d’un des réactifs (par exemple 11 volumes d’air pour 1 volume de méthane) apporte dans le mélange un supplément d’une substance qui ne peut évidemment réagir et qui, en conséquence, dilue le milieu réactionnel. Il en résulte un abaissement de la température moyenne de la flamme dont la production d’énergie thermique est alors partiellement consacrée à l’échauffement de ce diluant. On comprend ainsi que le maximum de température d’une flamme sera toujours atteint à des concentrations proches de la stœchiométrie des réactifs. L’écart par rapport aux conditions de stœchiométrie se mesure par la « richesse » du mélange définie par :

4Une flamme caractérisée par un excès de combustible est dite « riche » tandis qu’une flamme sous excès d’air est dite « pauvre ». Les combustibles coûtent cher, l’air est gratuit : il est donc compréhensible que l’on souhaite toujours travailler sous un excès d’air (mélange pauvre) pour faire réagir un maximum du combustible investi. A l’inverse, travailler en mélange riche, entraîne le gaspillage du combustible qui n’a pu réagir et, en outre, signifie l’envoi dans la cheminée d’imbrûlés qui, nous le verrons, sont particulièrement polluants.

  • 1 Quelques exemples de flammes de diffusion : une flamme de bougie, de briquet, un feu de bois, …

5La flamme, réaction d’oxydation vive, ne peut exister qu’à haute température : si le mélange s’éloigne trop de la stœchiométrie (suite à un excès de dilution par l’un des réactifs), sa température peut descendre à des valeurs trop basses pour que la réaction puisse se maintenir. On atteint ainsi les « limites d’inflammabilité » du mélange. Par exemple, le méthane en mélange avec de l’air ne s’enflammera que si ses concentrations sont comprises entre 5 et 15 % en volume. Réaliser une flamme « propre » demanderait que combustible et comburant gazeux soient intimement mélangés dans les proportions adéquates avant d’être enflammés de manière à ce que toutes les molécules de réactifs soient mises en présence avant le démarrage de la réaction de combustion : c’est le cas dans un « bec de Bunsen » fonctionnant avec la virole d’admission d’air ouverte ou encore un chalumeau oxyacétylénique. Ce mode de fonctionnement (flamme de « prémélange ») garantit une réaction totale entre comburant et combustible et donc une émission pratiquement nulle de substances imbrûlées. En revanche, une telle solution présente un danger manifeste : le (pré)mélange est détonant et le risque existe de voir la flamme se propager violemment, dans la tubulure d’admission, à la rencontre du flux de réactifs. Le résultat en serait une explosion d’autant plus destructrice que la quantité des gaz prémélangés est importante. En conséquence, par mesure de précaution, dans la majorité des applications industrielles et domestiques (chaudières), le mélange air-combustible est effectué directement dans la chambre de combustion par injection ou pulvérisation du combustible dans un flux d’air pulsé1. On réalise ainsi ce que l’on appelle une « flamme de diffusion » dans laquelle doivent être créées des conditions de turbulence qui garantissent un mélange rapide et intime des réactifs. Le schéma ci-dessous représente cette structure de flamme assurée par une pulsion intense, turbulente, du combustible et de l’air dans une chaudière.

6En réalité, dans ce type de flamme, la combustion se déroule en « poches », c’est à dire dans les zones de la flamme où sont atteintes les limites d’inflammabilité du combustible. La réaction de combustion proprement dite est un phénomène extrêmement rapide par comparaison avec la vitesse de mélange des réactifs ; c’est donc ce dernier paramètre qui, en définitive, déterminera le temps total de réaction. Une turbulence élevée des gaz pulsés dans la chaudière, assurant un mélange rapide des gaz, réduit d’autant le volume et le temps d’existence de la flamme. Cette turbulence des gaz garantit que toutes les molécules de combustible seront mises rapidement en contact avec l’air, avant que la température du mélange gazeux ne descende à des valeurs trop basses qui « figeraient » la réaction de combustion laissant des imbrûlés échapper dans les fumées. D’autre part, le mélange n’étant pas instantané, il est évident qu’il existe au sein de la flamme (à l’émergence du brûleur), des zones où le combustible se trouve pratiquement à l’état pur (mélange très riche) et porté à des températures qui croissent rapidement.

7La même structure de flamme s’observe lorsque du combustible liquide est pulvérisé en fines gouttelettes dans la chaudière. Mais ici apparaît une étape supplémentaire qui consiste en la volatilisation de l’hydrocarbure liquide : une flamme de fioul liquide que l’on voit s’étirer dans l’enceinte d’une chaudière résulte en fait de la contribution de myriades de gouttelettes dont chacune s’entoure d’un front de flamme extrêmement ténu. Ce front de réaction irradie la surface du liquide qui s’évapore et vient alimenter la phase gazeuse. Il y a donc ici, à l’échelle microscopique, mélange progressif entre l’atmosphère dans laquelle les gouttelettes sont pulvérisées et la vapeur qu’elles émettent sous l’effet des radiations émises par le front de flamme qui les enveloppe. Cette zone de transition, riche en combustible, coincée entre le liquide et le front de flamme, est à l’origine de la formation de suies. La même situation se rencontre durant la phase de pulvérisation de l’essence dans le moteur Diesel.

3. Les combustibles fossiles – généralités

8La croûte terrestre recèle d’énormes quantités de matières combustibles qui résultent de la fossilisation de matières organiques très anciennes. Le pétrole, matière fluide, et le gaz naturel dérivent d’organismes marins accumulés il y a environ un million d’années.

9Le pétrole est constitué majoritairement d’hydrocarbures aliphatiques, avec peu d’aromatiques (v. schémas ci-dessous), ne renfermant généralement pas plus de 30 atomes de carbone. Les gisements de houille, quant à eux, sont issus des fougères arbustives luxuriantes qui couvraient les marécages, abondants il y a 250 millions d’années. Ces fougères ont subi une pétrification progressive, à l’abri de l’air, sous une pression et une température croissant au fur et à mesure de leur enfouissement. Durant ce processus, les molécules végétales ont progressivement perdu de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’azote, provoquant un enrichissement en carbone et réduisant la teneur en matières volatiles. La matière végétale de départ est ainsi progressivement passée de l’état de tourbe à l’anthracite, en passant par le lignite, les charbons gras et les charbons maigres. Contrairement aux molécules du pétrole, l’aromatisation du carbone prédomine ici.

10L’origine biologique des combustibles fossiles se manifeste par la présence d’éléments caractéristiques des molécules biologiques, à savoir le carbone et l’hydrogène, bien sûr, mais aussi, en moindres proportions, le soufre, l’azote et bien d’autres éléments naturellement présents en traces dans tous les organismes vivants. Carbone et hydrogène sont les éléments majeurs dans la production d’énergie thermique. Soufre et azote contaminent les combustibles, ainsi d’ailleurs que des oxydes de métaux, présents dans la croûte terrestre, qui se sont mélangés aux constituants organiques : ils se retrouvent sous forme d’oxydes qui forment les cendres après combustion de la matière hydrocarbonée. Les combustibles fossiles se caractérisent par quelques propriétés physiques et chimiques qui intègrent les qualités et les défauts que l’on peut attendre d’eux lors de leur production et de leur utilisation : il s’agit principalement : (1) de leur nature physique (gaz, liquide, solide), qui conditionne leur plus ou moins grande facilité d’exploitation, de transport, de distribution, (2) de leur viscosité et de leur volatilité pour ce qui concerne les liquides : qualités influençant les problèmes de manutention mais, surtout, leur volatilisation au moment où ils sont injectés dans les chaudières ou dans les moteurs thermiques, (3) de leur densité énergétique, massique ou volumique (MJ/kg, MJ/L pour les liquides ou MJ/m3 pour les gaz) et enfin, (4) du rapport moyen entre le nombre d’atomes d’hydrogène et de carbone (H/C) présents dans le combustible, rapport qui affecte la densité énergétique ainsi que la fluidité du combustible.

Quelques hydrocarbures typiques

11Les réserves des différents combustibles constituent un critère majeur dans l’appréciation des perspectives de consommation. De ce point de vue, on estime à moins d’un siècle (70 ans) les réserves prouvées de pétrole et de gaz, au rythme actuel d’exploitation, le charbon, lui, pourrait encore subvenir à nos besoins pour deux siècles … à la condition qu’on le brûle proprement et qu’on arrive à piéger et stocker de manière économique les milliards de tonnes de CO2 qu’il déverse actuellement dans l’atmosphère.

12Le tableau présenté ci-dessous résume les principales caractéristiques (valeurs moyennes) des différents types de combustibles. Hydrogène et méthanol y sont repris pour mémoire : ce ne sont pas, contrairement à ce qu’on peut parfois lire, des sources d’énergie car il faut les synthétiser au départ d’autres combustibles (bois, charbon, gaz naturel, ...) et cette synthèse est pénalisée par une importante dépense d’énergie ! Ces combustibles de synthèse sont, plus exactement, des vecteurs d’énergie au même titre, par exemple, mais dans un autre registre, que l’électricité, les explosifs ou, plus rarement, l’air comprimé.

13Quelques remarques s’imposent :

  • la fluidité et l’énergie massique des combustibles augmentent avec le rapport H/C : alors que décroît le facteur d’émission du dioxyde de carbone (g de CO2 émis pour produire, p.ex. 1 kWh), -il est plus aisé et donc moins onéreux de transporter, distribuer, mettre en œuvre les combustibles fluides que les combustibles solides,
  • en ce qui concerne la constitution de réserves, les combustibles liquides sont préférables aux combustibles gazeux qui, pour un même contenu énergétique, occupent des volumes trop importants pour être stockés aisément ou bien alors faut-il les comprimer, les liquéfier, ... ce qui consomme de l’énergie et augmente leur prix2.

Tableau III.1. Caractéristiques de combustibles fossiles et synthétiques

Tableau III.1. Caractéristiques de combustibles fossiles et synthétiques

4. La formation d’oxydes d’azote et de soufre

4.1. Azote et soufre liés au combustible

  • 3 Il existe plusieurs types d’oxyde d’azote différant par les proportions d’azote et d’oxygène dans (...)

14L’origine de cette formation est évidente : si du soufre et de l’azote sont liés aux molécules de combustible, leur oxydation durant la combustion dégage NOx3, SO2 et SO3. Il s’agit de gaz acides particulièrement agressifs. Une épuration soignée des combustibles peut donc assurer une réduction appréciable des émissions de ce type de polluant. Mais toute épuration a son prix : il faut donc qu’une analyse coût-bénéfice apprécie le taux d’épuration qu’il convient d’imposer pour atteindre un degré satisfaisant de salubrité de l’air sans grever exagérément le prix de revient du combustible. Cette réflexion constitue une démarche tout à fait générale en matière de protection de l’environnement. L’épuration est une opération trop coûteuse pour le charbon, onéreuse mais nécessaire pour les dérivés du pétrole, aisée pour les gaz.

4.2. La formation de l’oxyde d’azote « thermique »

15On utilise l’air comme source d’oxygène : il est gratuit et disponible partout à la surface du globe. Mais, à haute température, une faible fraction de l’azote atmosphérique se combine avec l’oxygène pour former de l’oxyde d’azote, un polluant assez préoccupant. La réaction s’écrit très simplement :

Energie + N2 + O2 → 2 NO

16Cette réaction dépend très étroitement de la température de la flamme : négligeable en dessous de 1 000°C, elle prend de plus en plus d’importance au-delà de 1 200°C. Elle est également relativement lente, par comparaison avec la vitesse d’oxydation des molécules d’hydrocarbures. Lutter contre la formation de ce polluant dans les flammes est une entreprise assez complexe parce qu’il existe une opposition de principe entre le fait qu’il convient, d’une part, d’éviter la formation d’un oxyde indésirable (NO) alors que, simultanément, on doit assurer l’oxydation parfaite des hydrocarbures en CO2 et H2O. Les tactiques de réduction de NO se baseront donc sur les caractéristiques propres de sa réaction de formation, à savoir, sa relative lenteur et sa dépendance étroite de la température de la flamme. La démarche consiste donc à (1) réduire, autant que faire se peut, les pointes de température atteintes par les flammes et (2) accroître la turbulence de la flamme, de manière à accélérer le processus de combustion et abréger ainsi la durée d’existence des gaz à haute température, ce qui réduit d’autant la formation de NO (processus lent). Durant les dernières décennies ont été mis au point des brûleurs à mélange accéléré qui, en association avec d’autres innovations (multiplication du nombre de brûleurs, étalement des flammes, …), parviennent à réduire de 50 % les émissions de NO, ce qui est appréciable mais insuffisant.

5. La formation d’imbrûlés

17On pourrait produire de l’énergie thermique sans provoquer l’émission de substances polluantes : il « suffirait » de faire brûler de l’hydrogène en présence d’oxygène pur. Le seul produit émis par cette combustion est la vapeur d’eau que l’on peut même envisager de condenser afin de récupérer les dernières calories qu’elle contient encore (énergie latente de condensation). Ce serait donc là le combustible idéal, associé au comburant parfait, capable de fournir de l’énergie thermique sans aucun rejet dans l’atmosphère. Soit donc, après condensation de l’eau :

H2 + 0,5 O2 → H2Oliq + 283 kJ/mol (2 g) de H2

18Malheureusement, outre que l’oxygène doit être extrait de l’air par distillation à très basse température, l’hydrogène doit, lui, être synthétisé avec une lourde pénalisation en dépense d’énergie : la deuxième partie de ce chapitre abordera ce problème. On en est donc réduit à brûler les combustibles fossiles. Ces combustibles, on l’a vu, sont faits de carbone et d’hydrogène, unis en proportions très variables dans des molécules les plus diversifiées (alcanes, alcènes, aromatiques), qui vont du gaz le plus ténu (le méthane) au charbon le plus pur (l’anthracite, pauvre en hydrogène) en passant par une gamme très large de substances liquides que sont les dérivés du pétrole. On peut schématiser la combustion complète d’un hydrocarbure :

CnHm + (n + m/4) O2 → n CO2 + m/2 H2O + Energie

19où n et m représentent les proportions respectives de carbone et d’hydrogène dans l’hydrocarbure en question. Dans ce schéma idéal, la combustion aboutit à ne produire que de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2), gaz non toxique mais préoccupant par l’effet de serre qu’il développe.

20Si l’hydrogène offre une chimie relativement simple, les hydrocarbures, par contre, se prêtent à la formation de nombreuses substances, intermédiaires entre l’hydrocarbure de départ et le dioxyde de carbone et l’eau. Il suffit que la bonne marche de la combustion soit perturbée pour que l’on retrouve dans les fumées bon nombre de ces intermédiaires indésirables (aldéhydes, oléfines, monoxyde de carbone, suies, ... ). Le schéma reproduit ci-dessous montre les différentes voies de réactions possibles lors de la combustion d’un hydrocarbure :

  • Voie réactionnelle globale (voie 1) qui traduit l’aboutissement « normal » de la combustion, c’est à dire l’oxydation complète, en présence d’oxygène, du carbone et de l’hydrogène en CO2 et H2O.
  • Mais la réalité est plus complexe : la combustion procède par une série d’intermédiaires (voie 2) : aldéhydes (R-COH), monoxyde de carbone (CO) … qui peuvent se retrouver dans les fumées si la réaction devait être freinée, par exemple, suite à un refroidissement des gaz par contact de la flamme avec des parois froides.
  • Au delà de 400°C (voie 3), là où apparaît un déficit local en oxygène, les hydrocarbures se dégradent et perdent progressivement de l’hydrogène pour donner des alcènes (liaisons doubles C=C), des alcynes (liaisons triples entre carbones). Ces molécules vont à leur tour donner naissance à des aromatiques (ex. le benzène : v. ci-dessous) qui vont eux-mêmes se condenser en Hydrocarbures Aromatiques Polycondensés (HAP - p.ex. le benzo-a-pyrène) pour aboutir à la formation de suies. Les suies sont relativement stables, difficiles à détruire par oxydation en CO2.

21Toutes les substances présentées dans les deux schémas ci-après peuvent se retrouver peu ou prou dans les gaz de combustion suivant la qualité du mélange du combustible avec l’air. En définitive, les fumées sont, avant tout, la manifestation d’une combustion imparfaite. Signalons également que CO est un toxique violent, que les oléfines et les aldéhydes entrent dans le chimisme du « smog » photochimique, que le benzène et certains HAP sont cancérogènes.

22Déversées dans l’air, les suies constituent des noyaux de condensation pour divers polluants (HAP, par exemple), elles réduisent la visibilité et sont la cause principale de la salissure des matériaux et des édifices en zone urbaine. Enfin, les suies sont à l’origine de la luminosité des flammes dans le jaune, le rouge et l’infra rouge : cette luminosité est un des processus par lesquels la flamme transfère son énergie vers les parois des chaudières. Une flamme lumineuse (en train de produire des suies) se refroidit donc plus vite qu’une flamme « bleue », avec, comme effet favorable, de réduire sa production de NO thermique.

Formation des imbrûlés dans les flammes

Le mécanisme de formation des suies

23Etant donné que les suies résultent d’une perte progressive d’hydrogène par les molécules d’hydrocarbures, il est compréhensible que les molécules les plus riches en cet élément (rapport H/C élevé) produisent peu de suies : c’est le cas du méthane (CH4). Le méthanol (H3C-OH), quant à lui, possède une liaison C-O qui interdit au carbone de s’unir à lui-même : de ce fait, le méthanol (« alcool à brûler ») donne une flamme pratiquement invisible. La formation des dioxines, il faut le savoir, est étroitement liée au schéma de la transformation des hydrocarbures en suies (voie 3).

Les dioxines sont aussi un produit de mauvaise combustion

24Il existe une grande variété de dioxines, en association avec de proches cousins appelés les « furannes » : on en dénombre 210 espèces chimiquement très proches les unes des autres. Elles n’ont aucune utilité en chimie et ne sont que le résultat de réactions indésirables. Comme elles avaient été découvertes en tant qu’impuretés dans la synthèse d’herbicides, on les considéra d’abord comme un produit exclusif de l’industrie chimique. Elles faisaient peur car des animaux de laboratoire se montraient très sensibles à certaines variétés (le cobaye entre autres). On a ainsi prétendu que la 2,3,7,8 tétrachloro-dibenzo-para-dioxine (c’est le nom d’une des dioxines) est « le toxique le plus violent connu à ce jour ».

  • 4 L’aisance relative avec laquelle se forment les dioxines donne à penser qu’il ne serait pas ininté (...)

25Après le scandale de « l’agent orange » au Viêt-Nam, après l’accident de Seveso, face à ce nouveau mal qui répandait la terreur, on mit au point des techniques de détection et d’analyse de plus en plus sensibles, capables d’identifier et de doser ces substances à des teneurs incroyablement basses. A force de pousser les performances des appareils d’analyse, on en vint à constater que les dioxines n’étaient pas une catégorie de substances aussi rare qu’on eût pu le croire jusque là et, en particulier, il devenait évident que les unités de production de substances « chimiques » n’étaient pas les seules à mettre en cause. Il fallut donc s’interroger sur leur origine et se mettre en quête de sources de dioxines autres que l’industrie chimique. Comme on peut s’en douter, c’est encore la combustion qu’il fallut incriminer. Les dioxines et les furannes apparaissent dès que des substances organiques sont, en présence de chlore, portées à des températures de l’ordre de 300 à 500°C. Elles dérivent directement de phénols sur lesquels se fixent des atomes de chlore4. En revanche, elles sont détruites si elles séjournent pendant 1 à 2 secondes à des températures supérieures à 650°C, en présence d’oxygène. On comprend donc que, au même titre que les imbrûlés et les suies, elles sont le résultat d’un mauvais fonctionnement de certains foyers. Les dioxines se forment à des températures de l’ordre de 200 à 400°C, en même temps que les suies et si elles ne sont pas détruites par la flamme à plus haute température, en présence d’oxygène, elles s’échappent ensemble par la cheminée.

Schéma de la formation des dioxines

26Les dioxines apparaissent chaque fois qu’un combustible contenant du chlore est mis à brûler dans de mauvaises conditions. Sont à suspecter, le charbon, le bois et les déchets brûlés dans les incinérateurs industriels, municipaux ou hospitaliers. Dans ces derniers cas, le PVC (chlorure de polyvinyle) est une source de chlore souvent incriminée ; mais on sait que le chlorure de sodium (sel de cuisine) présent dans les déchets est aussi important de ce point de vue.

27Les imbrûlés témoignent d’une mauvaise combustion et donc, d’une réduction du rendement du foyer : au prix où sont les combustibles, envoyer des fumées par la cheminée est un non-sens économique. Dans les installations de combustion de grande puissance, on veille soigneusement à éviter les imbrûlés et, par conséquent les dioxines, par un agencement adéquat de la combustion et en assurant leur destruction à une température suffisante. Ce n’est pas aussi facile dans les petits foyers où le rendement de combustion est parfois médiocre. La conséquence en est que les foyers domestiques au charbon émettent proportionnellement plus de dioxines que les grosses installations industrielles. La fumée de cigarette en contient aussi, de même que trop d’imbrûlés (qui donnent son arôme à la fumée !).

28Il faut également calmer les esprits pour ce qui concerne la toxicité de ces composés. On se rappellera que cette crainte était apparue suite à des études effectuées sur certains animaux de laboratoire : le cobaye y est particulièrement sensible. Or, le symptôme aigu majeur d’exposition aux dioxines que l’on soit parvenu à mettre en évidence chez l’homme est la « chloracné » réaction aiguë observée chez des travailleurs de l’industrie d’herbicides chlorés dans lesquels les dioxines se trouvent comme impureté et chez les habitants de Seveso après l’accident. Plus récemment, des études épidémiologiques poussées ont montré que, chez les Inuit du nord du Canada, des enfants présentent un affaiblissement de leur potentiel immunitaire vis à vis de diverses maladies infectieuses : la responsabilité en a été attribuée aux taux élevés de dioxines présentes dans leur alimentation qui est basée sur les pêcheries effectuées dans l’Océan arctique où s’accumulent les déchets rejetés par les fleuves russes et sibériens. Jusqu’à ce jour, il a été très difficile, voire peu concluant, de démontrer, chez les personnes exposées aux dioxines, l’accroissement de l’incidence des cancers ou des malformations à la naissance imputables à ces substances. A Seveso où la contamination a été extrêmement sévère, on a observé, après vingt ans de surveillance épidémiologique, une légère augmentation du nombre de cancers du foie chez l’homme et, semble-t-il, des tissus lymphatiques et des tissus mous. L’horreur absolue des dioxines, c’est encore une baudruche qu’il est grand temps de dégonfler. Mais, au moins savons-nous maintenant d’où elles viennent et ce qu’il convient de faire pour s’en préserver.

6. Brûler du charbon et du bois pollue

  • 5 Le cancer du scrotum, fréquent chez les ramoneurs londoniens, fut attribué par Percival Pott à l’e (...)

29Le charbon est un combustible particulièrement polluant. Dès qu’il est versé sur un foyer, sa température augmente progressivement ; il sèche d’abord et puis commence à subir ce qu’on appelle la « pyrolyse » : étape au cours de laquelle s’échappent les substances volatiles qu’il contient et qui se forment suite à la montée en température. Il s’agit essentiellement du benzène et ses dérivés (les aromatiques), des goudrons, des dérivés du phénol (dont les dioxines), ... Parmi les aromatiques se détecte une substance particulièrement préoccupante, le benzo-a-pyrène dont la réputation de cancérogène est bien établie5.

6.1. La pollution par le charbon

30Si elles ne sont pas détruites dans le foyer, à une température suffisamment élevée, ces émanations donnent aux fumées du charbon une teinte caractéristique et une odeur désagréable qui ont fait beaucoup pour asseoir sa réputation (méritée) de combustible « sale ». Ces fumées sont une fraction du combustible qui échappe au brûlage ; elles témoignent donc d’un mauvais rendement dans le processus de conversion en chaleur de l’énergie potentielle chimique contenue dans le carbone et l’hydrogène. Chose qu’on ne peut se permettre dans les grosses installations industrielles où l’on vise, pour des raisons économiques évidentes, un rendement optimum ... avec le bénéfice d’une pollution moindre. On a estimé que, dans les années soixante, 480 tonnes de benzo-a-pyrène étaient émises chaque année aux USA : de ce total, 400 tonnes auraient été produites par les seuls foyers domestiques alimentés au charbon et au bois, alors que leur consommation est, de loin, inférieure à celle des installations industrielles. Mais, voilà, on ne se préoccupe pas beaucoup de rendement de combustion dans un foyer domestique parce que les exigences en la matière ne sont jamais très sévères et qu’il est difficile de faire mieux avec un poêle à charbon ou à bois. L’adage « Small is Beautiful » n’est certainement pas applicable ici !

31Après s’être débarrassé de ses matières volatiles, le charbon commence à brûler. A ce moment, il dégage, sous forme d’oxydes, le soufre et l’azote qu’il contient, parfois en fortes proportions de quelques pour cent. Nous devrons en reparler plus tard, les oxydes d’azote et de soufre sont à l’origine de l’acidité de l’air. A l’échelle de la planète, le charbon porte une grande part de responsabilité dans le bilan d’émission de ces gaz polluants. En outre, le charbon émet des suies qui proviennent de la dégradation thermique des aromatiques. Les fumées noires sont aussi une des tristes caractéristiques de cette combustion particulièrement peu engageante. Pour clôturer la liste des polluants émis, signalons la présence dans les fumées d’éléments toxiques tels que le mercure, l’arsenic, le cadmium, ... qui présentent un point d’ébullition relativement bas. Lorsqu’il brûle, le charbon les dégage dans ses fumées : ils sont littéralement « distillés » dans l’air que nous respirons. Il est inquiétant de constater que les éléments les plus volatils présents dans le charbon sont précisément parmi les plus toxiques que l’on connaisse.

32Le charbon est particulièrement difficile à épurer : c’est un combustible solide qu’il est onéreux de désagréger mécaniquement et chimiquement pour retirer les éléments indésirables qu’il recèle. Si on désire le brûler proprement, on est immanquablement amené à en épurer les fumées, ce qui est très coûteux ou bien alors faut-il le transformer en une autre forme de combustible, en le gazéifiant, par exemple. Nous verrons plus loin que cette solution, adoptée sans précautions, n’est pas très favorable pour l’évolution du climat de la planète. Le pétrole et, surtout, les combustibles gazeux se prêtent beaucoup mieux à l’épuration et assurent, si elle est bien menée, une combustion beaucoup plus satisfaisante à bien des égards. Bien brûler le charbon n’est pas une opération facile. Le schéma ci-dessous présente la manière sans doute la plus classique de procéder. C’est l’agencement pratiqué dans le très classique poêle à charbon ou à bois. Le combustible est entassé dans le foyer par le haut de l’installation ; l’air alimente ce « lit » par le bas, à travers la grille : il s’agit du foyer à lit fixe alimenté à contre-courant où gaz et matières solides circulent à contresens. Deux facteurs favorisent l’émission de substances polluantes : (1) la température et la teneur en oxygène vont en diminuant durant l’ascension des gaz vers le haut du lit, ce qui est particulièrement défavorable puisque s’amenuise ainsi la possibilité de détruire les imbrûlés. (2) Vers 800-900°C apparaît un équilibre chimique dans lequel le CO2, formé par combustion franche dans le bas du lit, réagit avec le charbon (en absence d’oxygène) pour former le monoxyde de carbone (CO).

CO2+ C → 2 CO

33Cette réaction est à éviter pour deux raisons : le CO est très toxique et il s’agit d’un gaz combustible qui, évacué vers la cheminée, emporte ainsi une fraction importante du contenu énergétique du charbon.

La combustion de solides en lit fixe

6.2. Comment bien brûler le charbon

34Le schéma reproduit ci-dessus montre combien la couche de charbon « frais » est source de substances polluantes (imbrûlés, suies, dioxines, …) : cette production est favorisée par la conjonction d’une température trop basse et d’une teneur trop faible en oxygène. Le remède évident est donc de réduire l’épaisseur relative de cette partie supérieure du lit fixe de manière à ce qu’elle soit rapidement soumise à une combustion vive sous un flux d’air partout suffisant. Il convient donc d’alimenter le foyer en étalant le charbon frais en couches minces et par doses successives strictement adaptées au progrès de la combustion, en évitant toute surcharge du lit. Manifestement, ce type d’alimentation du foyer est réservé à des installations industrielles soigneusement gérées ; des foyers domestiques ne peuvent satisfaire à de telles exigences et resteront donc polluants. Ce qu’illustrent parfaitement les bûches fumant laborieusement dans des feux ouverts.

35La combustion du charbon pulvérisé s’assimile à la combustion par pulvérisation de combustibles liquides. Elle est probablement la technique la plus anciennement appliquée qui ait débouché sur une combustion satisfaisante. Mais d’autres types de chaudières ont vu le jour et laissent augurer de performances encore meilleures.

6.3. La combustion du charbon en lit fluidisé

36Des techniques de combustion du charbon, couplées à des filtres efficaces de dépoussiérage des fumées, garantissent une relative salubrité des émissions. Le lit fluidisé est constitué majoritairement de particules de silice de granulométrie adéquate maintenues en suspension dans un flux d’air ascendant. Ces particules de silice sont portées à une température de l’ordre de 900°C et des grains de charbon sont alors injectés dans le lit à un rythme tel que leur concentration reste minoritaire, de l’ordre de 5 à 10 % du lit. Etant donné cette faible concentration (mélange très pauvre) la température reste relativement basse (850 – 950°C) ce qui évite la formation du NO par voie thermique. D’autre part, la turbulence qui règne au sein du lit et la violence du flux d’air garantissent un contact efficace entre le comburant et le combustible et évitent la formation d’imbrûlés.

37Un dernier avantage de la faible température du lit réside en ce qu’on peut ici appliquer une technique de désulfuration, ingérable dans un foyer classique car la réaction présentée ci-dessous ne se déroule pas à des températures de l’ordre de 1 200°C. La désulfuration se réalise par injection de chaux dans le foyer où se déroule alors la réaction :

CaO + SO2 + air → CaSO3, CaSO4

38Le sulfate produit est éliminé avec les cendres du charbon.

Chaudière à lit fluidisé

7. Le pétrole, un bon combustible ?

39Les dérivés du pétrole ont littéralement submergé le marché de l’énergie. Les raisons en sont faciles à comprendre : un combustible liquide est bien plus aisé à manipuler, à distribuer : des canalisations, des réservoirs, des pompes suffisent à la tâche. Le charbon est nettement dépassé de ce seul point de vue : il ne pouvait tenir tête à un combustible qu’il suffit de pomper des entrailles de la terre. Cependant, le pétrole est inutilisable comme tel : il est un mélange complexe d’hydrocarbures aux propriétés les plus diverses, difficile à mettre en oeuvre à l’état brut. Il doit passer en raffinerie où la première opération consiste à le distiller dans un gigantesque alambic d’où émergent, de haut en bas, différentes fractions de volatilité décroissante. La partie gauche du schéma ci-dessous résume cette première étape du traitement.

40Le résidu de la distillation sous pression atmosphérique subit généralement une distillation à basse pression fournissant une fraction dont on tire des lubrifiants et un résidu formé de bitume.

41La réduction de volatilité des fractions va de pair avec une teneur accrue en soufre, ce qui, évidemment, rend les dérivés lourds du pétrole plus polluants avec, en prime, un accroissement de la stabilité chimique des molécules soufrées. Le raffineur a toujours tenu à épurer les différentes fractions issues de ce fractionnement, de manière à garantir un minimum de qualité à ses produits (moins d’odeurs, meilleure conservation, moindre corrosion, ...). Avec les mesures anti-pollution, la loi intervient aussi pour pousser l’épuration. L’élimination du soufre des fractions pétrolières se réalise par l’opération dite d’« hydro-désulfuration » (HDS) : elle consiste à traiter les distillats du pétrole sous pression d’hydrogène pour en extraire le soufre sous forme de sulfure d’hydrogène (H2S) que le procédé Claus amène ensuite à l’état de soufre élémentaire, solide, inerte, insoluble et facilement stockable.

42HDS: R – S – H + H2 → R – H + H2S

43Procédé Claus : H2S + O2 → H2O + SO2

442 H2S + SO2 → 3 Ssolide + 2 H2O

45L’HDS est une opération qui, bien que coûteuse, est avantageuse pour la salubrité de l’air car ce soufre (un solide), stocké en attendant d’être revendu aux producteurs d’acide sulfurique, c’est du soufre qui ne sera pas brûlé dans les chaudières ou dans les moteurs automobiles ; il ne terminera pas son existence sous forme de SO2, polluant acide de l’air. Mais, outre l’énergie nécessaire aux réactions, l’HDS exige aussi de l’hydrogène, cette molécule tellement extraordinaire. De tout l’hydrogène produit dans le monde, 50 % est consacré à la production d’ammoniac, vital pour l’alimentation humaine et 37 % est consacré à des opérations de raffinage, dont l’HDS. Pour ce qui concerne l’investissement en hydrogène, on observe une grande variabilité d’une fraction pétrolière à l’autre, en relation directe avec les teneurs en soufre relevées dans les différentes fractions. L’investissement en H2 va évidemment croître à la mesure des exigences légales en matière de réduction des teneurs en soufre des dérivés du pétrole.

  • 6 On gardera en mémoire la pollution provoquée par le « Prestige » !

46La désulfuration des dérivés légers du pétrole est relativement aisée : les sulfures à attaquer sont chimiquement peu stables. L’HDS se complique avec l’alourdissement des fractions : tout d’abord parce que les sulfures se font plus résistants à l’attaque par l’hydrogène, en second lieu parce que les teneurs en soufre deviennent plus importantes et, en fin de compte, parce que les fractions lourdes encrassent les catalyseurs utilisés dans l’HDS. Une épuration poussée du résidu de distillation (cette fraction du pétrole brut qui n’a pas pu être volatilisée dans la tour de fractionnement) est économiquement désastreuse. On a, pendant longtemps, préféré en faire un combustible très bon marché (le « pitch ») mais évidemment très polluant parce qu’il contient encore de 2 à 4 % de soufre si on ne l’épure pas. C’est également une substance visqueuse qu’il n’est possible de mettre en oeuvre que dans des installations industrielles ... qui doivent le maintenir à une température de l’ordre de 80°C de manière à lui conserver une fluidité suffisante6. Ces installations doivent en outre être munies de hautes cheminées, de manière à évacuer très haut les fumées nocives qu’elles émettent. Ou bien encore faut-il envisager d’épurer ces fumées, … mais à quel prix ! Et ici se pose un choix économique critique ; faut-il pousser l’épuration des fractions pétrolières et augmenter ainsi leur prix de revient ou bien vaut-il mieux épurer les fumées, auquel cas le coût des mesures anti-pollution incombe au producteur d’énergie. De toute façon, ce sera le consommateur qui, au bout de la chaîne énergétique, règlera la note.

Tableau III.2. Consommation de H2 dans l’hydrodésulfuration

Tableau III.2. Consommation de H2 dans l’hydrodésulfuration

47Ainsi donc le pétrole comme tel est-il un combustible « sale ». Mais il faut nuancer : toutes les fractions qu’on en extrait ne sont pas également polluantes. C’est ainsi que les essences dont nous respirons les fumées dans les rues ou les fuels de chauffage utilisés dans les villes subissent une épuration en soufre dont le taux est fixé par la loi. Et si la voiture automobile est polluante, ce n’est pas à cause du SO2 mais bien à cause des imbrûlés et de l’oxyde d’azote, polluants attribuables à la conception du moteur et non à l’essence elle-même. C’est donc le législateur qui, après une analyse coût-bénéfice, décide du taux de soufre qu’il estime pouvoir être rejeté dans l’atmosphère. La quête de moteurs moins gourmands, moins polluants, va imposer des essences extrêmement « propres » qui doivent garantir un rendement et une survie satisfaisants des catalyseurs chargés d’épurer les fumées de l’échappement (v. chap. IV).

48On peut ainsi constater que la situation est, de toute manière, bien meilleure que dans le cas du charbon, destiné à être brûlé comme tel parce que son épuration serait bien trop onéreuse. Au moins, avec le pétrole, peut-on contrôler un peu mieux la qualité des fumées rejetées et, en premier lieu, celles que nous sommes astreints à respirer au cœur des villes.

8. Les combustibles gazeux sont idéaux

49Avec les combustibles gazeux, nous entrons dans cette catégorie des réserves d’énergie qui semble la meilleure solution aux problèmes de pollution. Epurer un gaz est en effet une opération relativement aisée, puisqu’il n’est plus nécessaire ici de détruire des structures physiques ou moléculaires comme dans le cas du charbon et du pétrole. Il suffit de filtrer ou de « laver » le gaz qui se retrouve ainsi directement apte à une combustion de très bonne qualité et de haut rendement parce qu’il est aisé d’assurer un bon mélange avec l’air de combustion.

50Le problème qui se pose avec les combustibles gazeux, le fait a déjà été souligné, c’est qu’ils occupent un grand volume à la pression ambiante. Pétrole et charbon sont des substances denses et un réservoir de quelques m3 entrepose beaucoup d’énergie. Avec le gaz, la même réserve d’énergie occupe un volume de quelques milliers de m3 (sous pression atmosphérique normale)... à moins qu’on ne puisse le condenser, l’amener sous forme liquide. Cette liquéfaction se réalise assez aisément avec deux des rares gaz que l’on soutire au sommet de la tour de fractionnement du pétrole : il s’agit du propane et du butane qui deviennent liquide sous une pression de quelques kg/cm2 pour donner le GPL (gaz de pétrole liquéfié). L’opération est nettement plus coûteuse pour le gaz naturel constitué essentiellement de méthane qu’on ne peut liquéfier qu’à très basse température. C’est là malheureusement une intervention qui dévore de l’énergie car il faut faire fonctionner des machines réfrigérantes pour l’amener à la température de 163°C sous zéro (110 K) ! Le transport de méthane sous un volume réduit est pénalisé du prix de sa liquéfaction qui requiert une énergie prélevée sur le gisement lui-même, à raison d’environ 13 % de la production initiale, ce qui est fort élevé, on en conviendra. Une autre solution, préférable s’il n’y a pas d’océan à franchir, consiste à l’acheminer sous pression en gazoducs de grand diamètre, coûteux à installer mais qui, pour le transport du gaz, ne consomment que l’énergie requise par la compression et le pompage.

51En brûlant, le gaz naturel fournit une flamme très peu lumineuse (la « petite flamme bleue ») car c’est un combustible riche en hydrogène qui ne produit que peu de suies. La lumière émise par une flamme lui permet de se débarrasser d’une partie de son énergie et donc d’entamer très tôt son refroidissement par transfert d’énergie vers les parois de la chambre de combustion. Le gaz naturel dont la flamme est peu lumineuse, ne perd son énergie thermique que lentement, après avoir produit une flamme longue (parce que lente à se refroidir) dans laquelle une petite fraction de l’azote de l’air aura eu le loisir de se transformer en NO.

9. Quelques bilans

52En termes de bilans relatifs à la pollution par la production d’énergie, rappelons que, en 1998, l’Europe des Quinze a consommé une énergie brute équivalant à près de 1.436 millions de tonnes de pétrole. Ce bilan nous place dans le peloton de tête des consommateurs d’énergie du globe : chaque citoyen européen (du plus jeune au plus âgé) consomme, en moyenne, l’équivalent de 3,83 tonnes de pétrole, pour se chauffer, voyager, produire son électricité et faire tourner ses entreprises. Le tableau III.3. ci dessous traduit les bilans de consommation relatifs aux différentes régions du monde (1 PJ = 1018 J = 238 MTEP). On y donne aussi l’intensité de la consommation énergétique exprimée par la masse de dioxyde de carbone rejetée en moyenne par chaque habitant de ces régions (année 1995) : des inégalités flagrantes y apparaissent.

53Il faut aussi savoir que l’augmentation moyenne des rejets de CO2 durant les dix dernières années se chiffre à 300 millions de tonnes par an, ce qui laisse bien mal augurer des perspectives relatives à l’évolution du climat de la planète. Une telle frénésie de consommation s’accompagne évidemment d’une pollution chimique à la mesure de notre appétit d’énergie. L’Europe, a émis en l’an 2000, 26 millions de tonnes (Mt) de SO2, soit une nette amélioration par rapport à 1980 où le bilan était de 59 Mt.

  • 7 PNUE : L’avenir de l’environnement mondial – GEO 2000 : De Boeck et Larcier (2000).

Tableau III.3. Consommation d’énergie et facteurs d’émission de CO27

Tableau III.3. Consommation d’énergie et facteurs d’émission de CO27

54Les Etats-Unis ont également réduit leur contribution en l’amenant de 24 à 15 Mt durant le même laps de temps. Par contre, l’Asie qui développe une énorme production industrielle l’emporte à présent en absolu puisqu’elle est passée, elle, de 15 à 53 Mt de SO2. Le tableau III.4. résume l’évolution des émissions polluantes en Europe entre 1990 et 1998 (en Mt/an). Globalement, une amélioration s’est manifestée, sauf en ce qui concerne le dioxyde de carbone qui stagne.

55En Belgique, par exemple, la production d’électricité est actuellement nucléarisée à raison de 49 % (année 2000) et en France, de 75,8 % (en 1998) : cette situation entraîne quelques avantages du point de vue de la pollution de l’air. A cela s’ajoute le recours accru au gaz naturel et la construction de centrales plus performantes.

56En 1973, juste avant la crise du pétrole, la Belgique a émis, toutes sources confondues, 1,16 millions de tonnes de dioxyde de soufre ! La production de 1 kWh d’électricité s’accompagnait alors de l’émission dans l’air de 11 g de SO2. Actuellement, ce taux d’émission est tombé à 0,8 g. En 1980, en France, les centrales électriques à elles seules ont émis un million de tonnes de SO2 ; sept ans plus tard, elles en étaient à un peu moins de cent mille tonnes par an. Le nucléaire n’a pas que des mauvais côtés !

Tableau III.4. Evolution des émissions de polluants (Mt/an) dans l’Europe des 15 entre 1990 et 1998 (source : Eurostat)

Tableau III.4. Evolution des émissions de polluants (Mt/an) dans l’Europe des 15 entre 1990 et 1998 (source : Eurostat)

57Pour résumer la situation d’ensemble relative aux émissions de polluants, nous dirons que les centrales électriques classiques polluent par le SO2, les oxydes d’azote et les poussières, que l’industrie pollue par le SO2, les poussières et les odeurs, tandis que la voiture automobile est coupable d’émissions importantes de monoxyde de carbone, d’oxydes d’azote et d’hydrocarbures, mélange qui, sous l’action des rayons solaires provoque le développement du « smog photochimique » (v. chapitre V). Le secteur domestique est moins à incriminer à l’échelle des pays européens parce que, nous l’avons déjà souligné, on y brûle des combustibles bien épurés. Mais c’est bien entendu ce même secteur qui, associé à la voiture automobile, reste le principal pollueur des villes. Face à ces constats, des solutions plus radicales se font jour : il s’agit de pallier les problèmes posés par certains combustibles (charbons, fractions lourdes du pétrole) en les transformant en substances aux caractéristiques physico-chimiques plus favorables à une combustion « propre » : soit les combustibles synthétiques. Ils ne connaissent pas encore un emploi très large mais on peut, sans trop s’avancer, prévoir leur apparition sur le marché de l’énergie dans une vingtaine d’années, pourvu qu’ait été résolu le problème de l’amplification des émissions de CO2 que leur synthèse va provoquer. Ce CO2, il faudra le capter et le stocker pour éviter qu’il ne vienne renforcer l’effet de serre.

  • 8 Certains « inventeurs » enthousiastes proposent ainsi d’utiliser la chaux vive (CaO) pour piéger, (...)

58On ne peut passer sous silence les économies d’énergie réalisées par le secteur industriel : à force d’améliorer les procédés, l’industrie a réalisé de véritables prouesses qui se traduisent, entre autre, par une réduction significative des facteurs d’émission de polluants. A titre d’exemple, et nous l’avons déjà signalé, la production d’ammoniac se réalise à présent sous un rendement proche de ce que prévoit la théorie. D’une manière générale, le facteur d’émission du CO2 reste sans doute le meilleur critère d’appréciation des économies réalisées dans les opérations de production. Les cimenteries, par exemple, sont fortement pénalisées par le fait qu’elles sont grosses consommatrices d’énergie thermique mais aussi, parce que la production de chaux est basée sur la décarbonatation du calcaire à haute température8 :

Energie + CaCO3 → CaO + CO2

59Des cimentiers belges peuvent annoncer que diverses adaptations de procédés ainsi que l’utilisation de combustibles alternatifs leur ont permis de n’émettre que 567 kg de CO2 par tonne de ciment, par contraste avec les 1 182 kg qui auraient été émis sans ces mesures spécifiques. Les centrales productrices d’électricité ne sont pas en reste : en Belgique, la production de 1 kWh s’accompagnait de l’émission de 670 g de CO2 en 1980 ; en 2000, ce facteur d’émission était tombé à 280 g/kWh.

10. La capture et la séquestration du CO29

  • 9 Le Thiez (2002) : Conférences Electrabel, UCL, Belgique.

60Pour les pays qui y ont adhéré, le Protocole de Kyoto impose, d’ici 2008-2012, une réduction globale de 5,2 % des émissions de CO2. Le taux de réduction varie d’un pays à l’autre : pour l’Europe, il devrait se montrer à une moyenne de 8 %. Des efforts énormes devront être consentis pour parvenir à cet objectif qui s’assimile à une hérésie en économie « classique ». Un recours accru au gaz naturel et aux énergies du soleil ne suffira pas. Des techniques se font jour grâce auxquelles on espère pouvoir capter et séquestrer le dioxyde de carbone d’une manière économiquement tolérable. Différentes options sont possibles : pour résumer la situation, disons qu’il s’agira d’extraire le CO2 des fumées des grosses installations industrielles par absorption sous pression dans un solvant fait d’eau et de monoéthanolamine (NH2-CH2-CH2-OH), avec un rendement d’extraction de l’ordre de 90 %. La séquestration s’effectuera dans des gisements épuisés de gaz et de pétrole. Il existe un potentiel de stockage de 350 Gt de CO2 dans de tels sites. La technique est déjà mise en application par une société norvégienne qui extrait un gaz naturel trop riche en CO2, avec un pouvoir calorifique trop faible pour qu’il puisse être distribué et vendu et qui ferait l’objet de taxes excessives sur les émissions de CO2. Le coût de l’opération est estimé à un total de 70 € par tonne de CO2 capté et séquestré soit :

Séparation des fumées 40 €

Transport 10 €

Séquestration 20 €

61Pour une centrale thermique, les investissements supplémentaires nécessités par la capture du dioxyde pourraient se monter à 50 %. Les répercussions sur l’électricité se limiteraient à un surcoût de 50 % ce qui est bien peu payer au regard du bénéfice retiré sur le plan du forçage climatique.

62D’autres projets vont plus loin encore : on envisage de procéder au vaporeformage (v. partie B) du charbon ou des fractions lourdes du pétrole avec décarbonatation de l’hydrogène produit : cette opération doit être suivie, bien entendu, par la séquestration du CO2 dégagé. Il s’agit certainement là de la seule possibilité qui se dessine pour valoriser les combustibles fossiles, voire la biomasse en les transformant en combustibles synthétiques « propres » sans entraîner de charge climatique excessive.

LES COMBUSTIBLES SYNTHETIQUES

63L’expression « combustible synthétique » désigne des substances, produites par synthèse chimique, capables de brûler dans des conditions satisfaisantes en vue de fournir une énergie thermique, mécanique ou électrique propre. La synthèse consiste souvent à convertir un combustible hétérogène (pétrole, charbon, biomasse, déchets, …) en un combustible simple, d’un point de vue moléculaire, et homogène quant à son état physique, grâce à un remaniement profond de molécules existantes destiné à créer des formes moléculaires aux propriétés physiques et chimiques mieux adaptées au rôle de combustible auquel on les destine :

  • gazéifier du charbon (par conversion en CO et H2), de manière à rendre fluide un combustible fossile solide dont il est coûteux d’assurer l’extraction, le transport et, surtout, l’épuration,
  • transformer du méthane (un gaz) en méthanol (un liquide) qu’il est possible de stocker dans des conditions plus favorables,
  • synthétiser de l’hydrogène par « vaporeformage » de différents hydrocarbures (charbon, dérivés du pétrole, méthane, méthanol) et obtenir ainsi un gaz susceptible d’alimenter les piles à combustible fonctionnant à une température proche de l’ambiance,
  • la synthèse d’hydrogène par électrolyse de l’eau fournit un produit de haute pureté, très prisé par l’industrie alimentaire (hydrogénation d’huiles) mais aussi apprécié par les concepteurs de la pile à hydrogène qui requiert un produit de haute pureté.
  • L’éthanol (alcool de boisson) est une substance naturelle : en toute rigueur, elle ne devrait pas entrer dans la catégorie des combustibles de synthèse, sinon par la nécessité de concentrer cet éthanol par distillation de jus de fermentation, de manière à en faire une substance combustible.

64A l’instar de toute opération chimique, la synthèse d’un combustible est soumise aux lois de la thermodynamique et, en particulier, à celles qui concernent les bilans énergétiques des opérations mises en œuvre.

11. Quelques considérations de thermodynamique

65La thermodynamique décrit et quantifie les phénomènes d’échanges et de transformations que peuvent subir les différentes formes d’énergie, en ce compris les énergies potentielles que sont les combustibles. Ces transformations ne peuvent se dérouler n’importe comment : il y a des règles incontournables et, en particulier, la plus évidente, celle qui pose que l’énergie ne peut être créée à partir de rien. Dans un autre registre, une deuxième règle, très pragmatique, celle-là, souligne que toute transformation est pénalisée par des pertes de rendement : investir de l’énergie dans une synthèse se paye par le gaspillage d’une fraction de l’investissement parce que les unités de production ne sont pas totalement étanches à l’énergie thermique ou parce qu’il faut comprimer des gaz. Les exemples qui suivront vont illustrer ces quelques considérations, incontournables quelles que soient les illusions que l’on puisse se faire au sujet, par exemple, de certaines formes d’énergie prétendument « renouvelables ».

12. Les échelles d’énergie

66Chaque objet, à la surface de la terre, possède une énergie potentielle par l’altitude qu’il occupe relativement à un niveau de référence, par exemple, le niveau de la mer. D’une manière similaire, chaque molécule, qu’elle soit hydrocarbure ou produit de combustion, se caractérise par un « niveau d’énergie chimique » qu’il convient de définir. Prenons un exemple très simple : soit la réaction de combustion de l’hydrogène avec l’oxygène, réaction qui aboutit à former de l’eau et à dégager de l’énergie : l’équation ci-dessous fixe le bilan de la réaction (l’indice (g) signifie « sous forme gazeuse ») :

H2 + ½ O2 → H2O(g) + Energie

  • 10 Une mole est une quantité de matière qui contient autant d’entités microscopiques (atomes, molécul (...)

67La quantité d’énergie ainsi dégagée dans l’environnement est évidemment proportionnelle à la quantité de matière investie dans la réaction (grandeur extensive). Dans une réaction chimique, par convention, les quantités de matière s’expriment en moles10. C’est ainsi que, dans l’équation présentée ci-dessus, on considère qu’une mole d’hydrogène (2 g) réagit avec une demi mole d’oxygène (16 g) pour fournir une mole d’eau à l’état de vapeur (18 g). Les mesures calorimétriques révèlent que, si cette réaction se déroule à pression constante, il se dégage 243 kJ (sans condensation de la vapeur d’eau). L’énergie thermique dégagée à pression constante s’appelle « l’enthalpie » de la réaction : elle est symbolisée par H. Nous résumerons donc, pour cette réaction, un bilan de matière assorti d’un bilan d’énergie sous la forme :

H2 + ½ O2 → H2O(g) ΔH = -243 kJ

68ΔH signifie « différence (Δ) d’enthalpie (H) », c’est à dire la différence de contenu énergétique entre le produit de la réaction (H2O(g)) et les réactifs (H2 et ½ O2). Le signe négatif (-ΔH) exprime qu’il y a eu perte d’énergie par le système chimique au cours de la réaction ce qui implique que le contenu énergétique de H2O est inférieur à celui du mélange H2 + ½ O2. On pourrait, suivant les mêmes conventions, décrire la combustion du carbone par l’équation suivante (bilan matière + bilan enthalpique) :

C + O2 → CO2 ΔH = -393,5 kJ/molCO2

69Ces bilans enthalpiques se représentent sur un diagramme qui traduit le niveau d’énergie des différents intervenants de la réaction. Précisons d’emblée que le niveau d’enthalpie de tout élément (H2, O2, C, N2, …) est, par convention, fixé à zéro et rappelons que toute perte d’enthalpie éprouvée par un système en évolution (réaction exothermique) est comptabilisée comme négative. Dans un diagramme enthalpique, l’évolution d’un tel système est donc symbolisée par une flèche orientée vers le bas (perte d’énergie). Nous obtenons donc pour les deux réactions proposées ci-dessus, le diagramme suivant :

70Remarques

71Certains articles de presse, même à caractère scientifique, proclament que l’hydrogène serait omniprésent dans les océans du monde : l’eau de mer serait donc d’une « source » d’énergie inépuisable. Il faut être catégorique : l’eau n’est pas une réserve d’hydrogène et le diagramme présenté ci-dessus est éloquent : l’eau, c’est de l’hydrogène qui a perdu tout son potentiel énergétique en brûlant et, si on souhaite en extraire un combustible (H2), il va falloir, en vertu de la première loi de la thermodynamique (conservation de l’énergie), injecter au minimum 243 kilojoules d’énergie par mole de molécules d’eau (18 g) pour les ramener ainsi, à grands frais, au niveau enthalpique zéro (H2 + ½ O2). Prétendre que l’eau est une source d’hydrogène relève de la même ineptie que l’affirmation selon laquelle le dioxyde de carbone (CO2) contenu dans l’atmosphère serait une réserve de charbon ! La vraie source d’hydrogène, dans le traitement de l’eau, c’est, avant tout, l’énergie requise pour l’en extraire (ΔH positif), c’est à dire pour inverser la réaction de combustion :

H2O(g) → H2 + ½ O2 ΔH = + 243 kJ

72L’exothermicité de la combustion du carbone élémentaire est l’une des plus élevée que l’on connaisse. On comprend dès lors que le carbone est un « moteur » thermique extrêmement puissant dont l’intervention sera fréquemment mise à profit dans l’activation thermique de réactions qui exigent des températures élevées avec, comme conséquence directe, l’émission de CO2. Remarquons aussi que l’oxydation du carbone se déroule en deux étapes :

C + ½ O2 → CO ΔH = - 110,5 kJ

CO + ½ O2 → CO2 ΔH = - 283 kJ

73Le passage par le stade de monoxyde est incontournable. Et, toujours sous les mêmes conventions, nous explicitons ces deux étapes dans le schéma :

74On remarque là que le potentiel énergétique du carbone est très élevé en réaction avec l’oxygène à la condition qu’il se transforme intégralement en dioxyde. A ce propos, rappelons l’existence de la réaction du dioxyde de carbone avec le charbon. Néfaste en combustion, cette réaction est mise à profit en métallurgie, particulièrement dans les hauts-fourneaux : elle aboutit à former du monoxyde de carbone suivant :

Energie + CO2 + C → 2 CO

75Elle se manifeste au-delà de 850°C : le monoxyde est utilisé pour réduire les oxydes métalliques des minerais à l’état de métal.

13. La synthèse chlorophyllienne

76L’oxydation du carbone est donc fortement exothermique, au point qu’inverser le processus exige une « escalade » en énergie telle que, à ce jour, l’opération n’est pas réalisable économiquement en réacteur chimique. En revanche, la synthèse induite par la chlorophylle (activée par la lumière du soleil) est capable d’extirper le dioxyde de carbone de son puits de potentiel pour le transformer en sucres et en amidon par réaction (endothermique) avec H2O, suivant l’équation globale :

n CO2 + n H2O → (CH2O)n + n O2 ΔH = +465 kJ (n = 1)

77La cellulose du bois est faite de fibres formées par des enchaînement de très nombreuses molécules de glucose (polymère de glucose = polyglucose) : il s’agit donc bien d’un combustible qui dérive très directement de l’énergie solaire. On comprend aussi qu’il est possible de produire du glucose par « dépolymérisation » de la cellulose et de l’amidon.

14. Synthèses à partir de combustibles fossiles

14.1. Le vaporeformage comme source d’hydrogène

78Il s’agit d’une réaction dont le principe est connu de longue date : elle produit ce qu’on a longtemps appelé le « gaz à l’eau » ou « gaz de ville » :

Etape 1. C + H2O(g) → CO + H2 ΔH1 = + 132,5 kJ

79Cette réaction de vaporeformage est endothermique : elle exige donc un apport d’énergie thermique qui sera éventuellement fournie par l’oxydation en CO2 d’une partie du carbone investi dans le processus. Ce CO2 va évidemment diluer le gaz de synthèse et en réduire le contenu calorifique. D’autre part, la présence de CO rend le gaz de ville très toxique ; et pourtant, il a été longtemps dévolu à l’usage domestique. Il a provoqué bon nombre d’intoxications accidentelles et a servi d’instrument à bien des suicides. Cette époque est heureusement révolue : le gaz de ville est à présent remplacé par le gaz naturel. Le vaporeformage qui exige un apport d’énergie thermique, va devoir s’effectuer à haute température pour donner le meilleur rendement chimique possible. D’autre part, comme cette réaction s’accompagne d’une augmentation du nombre de molécules gazeuses, elle ne doit pas se dérouler sous une pression trop élevée.

80Le monoxyde de carbone est indésirable pour des raisons de sécurité mais aussi parce que, dans certaines applications novatrices, il perturbe gravement le fonctionnement des catalyseurs dont nous verrons l’intérêt, par exemple, dans la pile à combustible proposée pour alimenter en électricité le moteur automobile. On préfère donc poursuivre l’opération en faisant réagir le monoxyde, à nouveau avec l’eau, suivant :

Etape 2 : CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = -40 kJ

81L’exothermicité importante de l’oxydation du monoxyde en dioxyde (ΔH = -283 kJ) compense l’endothermicité de la décomposition de la molécule d’eau (ΔH = + 243 kJ). Ce « water shift », exothermique, devra donc idéalement se dérouler à basse température. Et, comme la réaction est neutre du point de vue de l’évolution du nombre de molécules gazeuses, on veillera à l’activer en travaillant à la pression la plus élevée possible.

  • 11 Beaucoup de duperies traînent dans la littérature spécialisée au sujet des possibilités offertes p (...)

82Les conditions de travail contradictoires qui régissent les deux réactions exigent donc, nous l’avons dit, une dissociation des étapes dans deux réacteurs distincts : le vaporeformage va se dérouler entre 750-850°C à une pression de 30-40 bars, tandis que le « water shift » va se réaliser à 300°C sous une pression de 200 bars, sur un catalyseur à base de Fe/Cu. Cette scission du processus entraîne nécessairement un gaspillage d’énergie puisqu’il faut d’abord chauffer les gaz à, disons, 800°C dans le premier réacteur pour ensuite les refroidir (par échange avec les réactifs entrants) et les comprimer avant de les injecter dans le deuxième réacteur où la réaction va, bien sûr, dégager de l’énergie thermique … mais à une température trop basse pour échauffer suffisamment les réactifs de la première étape11.

83En fin de compte, la réaction globale se représente par :

Etapes (1 + 2) : C + 2 H2O → CO2 + 2 H2 ΔHglob. = + 93 kJ

84Voilà donc le coût énergétique global minimum (théorique) auquel il faut consentir pour synthétiser 4 g d’hydrogène (un combustible gazeux) à partir d’eau et de 12 g de charbon (un combustible solide) avec, comme déchet, le dioxyde de carbone (un gaz à effet de serre). Non seulement il y a consommation de carbone en tant que réducteur de l’eau mais, en outre, du carbone doit être consommé pour activer les deux étapes de la synthèse. Si la combustion de l’hydrogène est, sans conteste « propre », en revanche, sa synthèse à partir d’hydrocarbures se révèle particulièrement polluante !

85Les deux étapes que nous venons de présenter forment la base d’un large éventail de possibilités de synthèse d’hydrogène au départ de combustibles les plus variés : le charbon, le coke, le bois, les résidus pétroliers et, bien sûr, le méthane qui constitue un point de départ idéal étant donné le nombre élevé d’atomes d’hydrogène qu’il héberge : il s’agit d’une technique très largement mise à profit actuellement. Généralisons donc les réactions détaillées ci-dessus en considérant, comme combustible de départ, un hydrocarbure de formule générale CxHy. On l’a dit, la synthèse de l’hydrogène va se dérouler en deux étapes distinctes pour fournir de bons rendements.

86Etape 1 : « vaporeformage » (steam reforming) : endothermique :

CxHy + xH2O → xCO + (x +1/2 y) H2 ΔH > 0

87Etape 2 : « water shift » : exothermique :

CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = - 40 kJ

14.2. Le vaporeformage du méthane

88Le méthane (CH4) est, par atome de carbone, l’hydrocarbure le plus chargé en hydrogène (H/C = 4). Son vaporeformage fournira les meilleurs rendements de production d’hydrogène parmi toutes les possibilités offertes par la panoplie des combustibles existants. En reprenant strictement le schéma de réaction décrit ci-dessus, nous avons donc :

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ΔH = + 207 kJ

89Et, à nouveau pour le « shift » à l’eau :

CO + H2O → CO2 + H2 ΔH= - 40 kJ

Au total: CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2 ΔH= + 165 kJ

90Ainsi donc, la production de quatre molécules d’hydrogène est-elle pénalisée par la formation d’une molécule de dioxyde de carbone. En théorie, on peut donc synthétiser 8 g d’hydrogène (4 moles) moyennant la production de 44 g de CO2 (1 mole), soit dans un rapport massique CO2/H2 = 11/2 … rendement tout théorique, bien sûr. En pratique industrielle, on atteint un rapport de 11/1, qu’il faut comparer à ce que peuvent donner les fractions lourdes du pétrole, à savoir, un rapport de 15/1. Le rendement énergétique du vaporeformage du méthane est de 70 %. Les 30 % de pertes sont le prix à payer pour cette synthèse qui, bien entendu, aboutit à fournir un combustible exempt de carbone et donc susceptible de brûler sans polluer (sinon par les NOx). Mais, en fin de compte, nous devons constater que la synthèse d’hydrogène au départ d’hydrocarbures se paie par un relatif gaspillage d’énergie doublé de l’émission de quantités non négligeables de CO2. Il fallait présenter ces quelques considérations pour démontrer toute la relativité de la « combustion propre » de l’hydrogène.

  • 12 Ce fut le cas de la Norvège qui attira la convoitise des Nazis car un des sous-produits de l’élect (...)

91Longtemps, l’hydrogène ne connut pas d’application industrielle importante, sinon pour l’aérostation. La catastrophe du dirigeable Hindenburg, le 6 mai 1937, fit beaucoup pour le discréditer. En revanche, le succès de la synthèse de l’ammoniac le propulsa parmi les éléments les plus importants de l’industrie chimique. Dès 1913, date de la première synthèse industrielle de NH3, l’hydrogène était produit majoritairement par vaporeformage du charbon. Quelques pays dans le monde, favorisés par leur orographie, se permettaient de produire l’hydrogène par électrolyse de l’eau12. Cependant, le coût énergétique de l’électrolyse la relègue actuellement au second plan, loin derrière le vaporeformage du méthane qui se révèle beaucoup plus compétitif, aux dépens, bien sûr, d’une précieuse réserve d’énergie fossile !

  • 13 Rapport AMPERE (2000) : Principal Report, Section I : “Evaluation of the current and future produc (...)

Tableau III.5. Coûts estimés pour 2010 de différents combustibles13

Tableau III.5. Coûts estimés pour 2010 de différents combustibles13

15. L’électrolyse de l’eau

92L’hydrogène a été découvert en 1766 par Henry Cavendish qui étudiait alors la nature des gaz produits par l’électrolyse de l’eau. C’est dire que la technique n’est pas neuve ! Une fois encore, la réaction qui se déroule dans la cellule d’électrolyse est très simple dans son écriture : elle est dissociée en deux étapes se déroulant au contact de deux électrodes appelées anode et cathode, alimentées par un générateur d’électricité (courant continu) :

à la cathode: 2 H+ + 2 e- → H2

à l’anode : 2 OH- → 2e- + ½ O2 + H2O

93Les électrons sont transférés de l’anode à la cathode via un circuit externe alimenté par une source d’énergie électrique. Celle-ci active les deux demi réactions sous courant continu à un potentiel minimum de 1,8 volts et sur des électrodes de platine. Nous reviendrons sur la relation qui unit ce métal précieux et l’hydrogène.

94Réalisée sur de l’eau épurée, l’électrolyse fournit un hydrogène très pur, d’un grand intérêt dans quelques applications bien ciblées, dans l’industrie, en laboratoire, ou pour l’hydrogénation d’huiles végétales. Le coût énergétique, bien sûr, est à la mesure de cette pureté : il se monte à une dépense comprise entre 4 et 5,2 kWh d’électricité par m3 d’hydrogène produit. Pour les besoins de la discussion, nous prendrons en compte une valeur moyenne (optimiste) de 4,6 kWh/m3. Il vaut évidemment la peine de mesurer tout l’impact de cette dépense d’énergie et du dégagement de CO2 qu’elle peut impliquer. Et, de ce point de vue, il faut bien se rendre compte que, d’un pays à l’autre, les conclusions que l’on peut émettre sur la validité de la méthode peuvent être fort différentes suivant le mode de production de l’électricité. La situation la plus favorable, bien évidemment, se rencontre dans les pays à forte pénétration d’énergie hydraulique, nucléaire ou renouvelable (géothermie). Aussi, le graphique repris ci-dessous propose-t-il un schéma global qui, de l’unité productrice d’électricité (à droite du schéma), mène à l’électrolyse de l’eau (partie gauche), pour en déduire un facteur d’émission de CO2 représentatif de la filière, si elle devait être appliquée sur une large échelle en Europe. Les hypothèses sous-jacentes sont les suivantes : (1) consommation d’énergie électrique : 4,6 kWh par m3 d’hydrogène produit, (2) la consommation en énergie primaire suppose des rendements moyens, pour les centrales thermiques, compris dans une fourchette de 33 % (nucléaire) à 40 % (charbon). Si on considère le m3 d’hydrogène à pression et température normales (PTN : 0°C et 101.300 Pa, soit 1 m3 = 44,64 moles = 89,3 g), l’énergie à fournir à l’eau liquide se monte ainsi à 10.586 kJ par m3 d’hydrogène. Avec un rendement de 100 % à l’électrolyse, 2,94 kWh devraient suffire à la tâche. Malheureusement, de l’énergie est gaspillée sous forme de chaleur durant l’opération et, nous l’avons dit, il faut compter sur environ 4,6 kWh pour électrolyser la quantité d’eau liquide requise, c’est à dire avec un rendement réel de 64 %. Il y a peu de commentaires à ajouter à ce schéma, sinon que, au départ de 40.000 à 50.000 kJ d’énergie thermique fournie par des combustibles classiques, on produit un peu moins de 13.000 kJ d’énergie sous forme de H2 !

Figure III.1. Bilans énergétiques de l’électrolyse de l’eau

95Un point sensible du débat porte évidemment sur les quantités de CO2 qu’il faut consentir à émettre pour produire l’hydrogène. Trop de publications, assurent que l’utilisation d’hydrogène, en tant que vecteur énergétique (« source d’énergie » est à bannir), se fait sans émission de gaz à effet de serre. C’est faux dans la majorité des cas puisque, en définitive, le bilan dépend du processus par lequel l’hydrogène aura été synthétisé. Les facteurs d’émission des différentes voies de synthèse, exprimés en kg de CO2 déversés dans l’air, par kg de H2 produit sont les suivants :

  • par vaporeformage (VR) du méthane, 11 kg ,
  • par VR de fractions lourdes du pétrole 15 kg et
  • par électrolyse de l’eau, émission moyenne théorique en UE : 20 kg.

96Ce dernier chiffre est effectivement tout théorique car il ne tient pas compte des exigences pratiques dans la mise en œuvre de l’électrolyse (compression des gaz, d’épuration de l’eau …). En définitive, une émission moyenne de 30 kg de CO2 par kg d’hydrogène est plus conforme à la réalité industrielle. On comprend aisément le choix des industriels qui, sauf nécessité d’un gaz très pur, optent majoritairement pour le vaporeformage du méthane. Bien entendu, il existe des situations favorables à l’électrolyse : c’est le cas des régions gratifiées d’un parc important de centrales nucléaires ou d’une hydro-électricité abondante et, dans ces cas-là bien sûr, il faut revoir les facteurs d’émission au cas par cas. Nous avons déjà relevé l’exemple de la Norvège mais il faut élargir le débat. Le tableau III.6. présente quelques autres exemples basés sur l’estimation théorique (à défaut de données concrètes) que nous avons produite plus tôt : la variabilité est large suivant les options énergétiques. On comprendra aisément que des pays comme la Suède, l’Islande et le Canada s’activent à mener des recherches intensives sur l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique !

Tableau III.6. Facteurs d’émission (F.E.) du CO2 pour une production de H2 par électrolyse de l’eau. 1 Rapport AMPERE (2000) – 2 Source : Hydro Québec

Tableau III.6. Facteurs d’émission (F.E.) du CO2 pour une production de H2 par électrolyse de l’eau. 1 Rapport AMPERE (2000) – 2 Source : Hydro Québec

97Le facteur d’émission du dioxyde de carbone n’est évidemment pas le seul critère qui doit entrer en ligne de compte : le point de vue économique a son importance. Le tableau III.7. ci-après fournit les coûts de production de l’hydrogène suivant différentes filières. Une fois encore, le gaz naturel se révèle le plus économique et, bien entendu, cet argument, à lui seul, explique la disproportion qui se marque dans le choix des filières de production à l’échelle mondiale (4 % par électrolyse – 96 % par reformage du méthane).

  • 14 Source : H. Marty, Conférences Electrabel IFP (2002).

Tableau III.7. Coûts de production de H2 par différentes filières14

Tableau III.7. Coûts de production de H2 par différentes filières14

16. La synthèse du méthanol

98Le méthanol est un combustible liquide : il offre donc une densité énergétique suffisante pour que l’on puisse envisager son emploi dans la propulsion automobile. Il faut évidemment le synthétiser et, là encore, des problèmes se posent car les rendements des opérations de synthèse pénalisent sérieusement la filière. Cependant, le méthanol paraît être la solution la moins mauvaise pour le stockage d’énergie dans le cas (fort hypothétique) où la pile à hydrogène devrait être adaptée à la traction automobile. La synthèse du méthanol s’opère par vaporeformage du méthane, soit donc, une fois encore, en deux étapes distinctes étant donné les conditions contradictoires qui les régissent :

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ΔH = + 207,5 kJ

99suivie de :

CO + 2 H2 → CH3OH ΔH = - 90,5 kJ

100A nouveau, le rendement global de l’opération est pénalisé par cette dissociation, nécessaire, en deux étapes se déroulant dans des conditions différentes de température et de pression : il est d’environ 70 %. Le méthanol peut, à son tour, constituer une source d’hydrogène après réaction de « water shift » dans un reformeur catalytique fonctionnant à 300°C :

CH3OH + H2O → CO2 + 3 H2

101La production de l’éthanol n’est pas à proprement parler une synthèse puisque cette molécule est produite par fermentation. Nous en présenterons les perspectives dans le chapitre consacré aux énergies renouvelables.

17. Conclusions

102La synthèse de combustibles « de pointe », ces combustibles de l’avenir, n’est jamais une opération neutre, que ce soit sur le plan du rendement énergétique ou sur celui de l’émission du CO2. Brûler directement les combustibles fossiles, le charbon, les dérivés du pétrole ou le gaz naturel est une solution de facilité parce qu’elle est économe en termes d’énergie et de finances. Les combustibles synthétiques ont l’avantage de polluer moins s’ils sont produits dans des conditions de rendement optimales (prudence quand même avec les émissions de CO2 !). Mais cet avantage a un prix.

18. Ouvrages consultés

103Atkins, P.W. (2000) : « Physical Chemistry », Oxford University Press.

104Campbell, I.M. (1977) : “Energy and the Atmosphere – a Physical-Chemical Approach”, Wiley & Sons.

105Commission AMPERE (2000) : “Analysis of the Means of Electricity Production and the Restructuring of the Energy Sector” : final report to the State Secretary for Energy and Long-Term Development of the Belgian Federal Ministry of Economic Affairs.

106Electrabel (2000) : “Rapport environnemental” (Bruxelles).

107Fabian, P. : ·Atmosphäre und Umwelt, chemische Prozesse, menschliche Eingriffe“, Springer-Verlag (1984).

108German, K., G. Warnecke und M. Huch Hrsg. : ·Die Erde : dynamische Entwicklung, menschliche Eingriffe, globale Risiken“, Springer-Verlag (1988).

109Le Thiez (2002) : Conférences Electrabel données à l’Université catholique de Louvain (Belgique) : http://www.cenv.ucl.ac.be/​conference.html

110PNUE : « L’avenir de l’environnement mondial – GEO 2000 », De Boeck et Larcier (2000), p. 5.

Notes

1 Quelques exemples de flammes de diffusion : une flamme de bougie, de briquet, un feu de bois, …

2 La liquéfaction du gaz naturel (à -163°C) se paye par une consommation équivalant à environ 13 % de l’énergie du gaz. La liquéfaction de l’hydrogène (à 253°C) exige de dépenser l’équivalent de 30 % de son contenu énergétique.

3 Il existe plusieurs types d’oxyde d’azote différant par les proportions d’azote et d’oxygène dans la molécule : on convient de les symboliser par NOx.

4 L’aisance relative avec laquelle se forment les dioxines donne à penser qu’il ne serait pas inintéressant de procéder à leur dosage dans les viandes et salaisons trop bien grillées sur le barbecue.

5 Le cancer du scrotum, fréquent chez les ramoneurs londoniens, fut attribué par Percival Pott à l’effet de la suie. C’était en 1775, sans doute là le premier diagnostic connu d’un cancer professionnel.

6 On gardera en mémoire la pollution provoquée par le « Prestige » !

7 PNUE : L’avenir de l’environnement mondial – GEO 2000 : De Boeck et Larcier (2000).

8 Certains « inventeurs » enthousiastes proposent ainsi d’utiliser la chaux vive (CaO) pour piéger, à température ambiante, le CO2 qui s’échappe des cheminées ! ! !

9 Le Thiez (2002) : Conférences Electrabel, UCL, Belgique.

10 Une mole est une quantité de matière qui contient autant d’entités microscopiques (atomes, molécules, …) que n’en contiennent 12 g de carbone, c’est à dire, 6,02 1 023 entités. Une mole d’hydrogène contient donc le même nombre de molécules qu’une mole d’oxygène ou qu’une mole d’eau ou encore qu’une mole de dioxyde de carbone, …

11 Beaucoup de duperies traînent dans la littérature spécialisée au sujet des possibilités offertes par la synthèse de l’hydrogène et ce n’est pas nouveau. En 1980, E.M. Goodger publiait un livre de haute tenue scientifique intitulé : « Alternative Fuels – Chemical Energy Ressources ». Mais, à la page 46, l’auteur avoue, à propos de l’hydrogène : « Synthesis from these abundant natural materials (air, water) is feasible, provided energy is available ». Bel exemple de contradiction interne !

12 Ce fut le cas de la Norvège qui attira la convoitise des Nazis car un des sous-produits de l’électrolyse de l’hydrogène, l’« eau lourde », se révélait un excellent modérateur de neutrons dans les réacteurs nucléaires.

13 Rapport AMPERE (2000) : Principal Report, Section I : “Evaluation of the current and future production cost of electricity and the external costs”. (BTS = Basse teneur en soufre).

14 Source : H. Marty, Conférences Electrabel IFP (2002).

Table des illustrations

URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 48k
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 49k
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 37k
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 71k
Légende Quelques hydrocarbures typiques
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 187k
Titre Tableau III.1. Caractéristiques de combustibles fossiles et synthétiques
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 281k
Légende Formation des imbrûlés dans les flammes
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 107k
Légende Le mécanisme de formation des suies
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 157k
Légende Schéma de la formation des dioxines
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 143k
Légende La combustion de solides en lit fixe
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 160k
Légende Chaudière à lit fluidisé
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-11.jpg
Fichier image/jpeg, 98k
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-12.jpg
Fichier image/jpeg, 110k
Titre Tableau III.2. Consommation de H2 dans l’hydrodésulfuration
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-13.jpg
Fichier image/jpeg, 68k
Titre Tableau III.3. Consommation d’énergie et facteurs d’émission de CO27
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-14.jpg
Fichier image/jpeg, 130k
Titre Tableau III.4. Evolution des émissions de polluants (Mt/an) dans l’Europe des 15 entre 1990 et 1998 (source : Eurostat)
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-15.jpg
Fichier image/jpeg, 64k
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-16.jpg
Fichier image/jpeg, 53k
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-17.jpg
Fichier image/jpeg, 51k
Titre Tableau III.5. Coûts estimés pour 2010 de différents combustibles13
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-18.jpg
Fichier image/jpeg, 79k
Légende Figure III.1. Bilans énergétiques de l’électrolyse de l’eau
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-19.jpg
Fichier image/jpeg, 116k
Titre Tableau III.6. Facteurs d’émission (F.E.) du CO2 pour une production de H2 par électrolyse de l’eau. 1 Rapport AMPERE (2000) – 2 Source : Hydro Québec
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-20.jpg
Fichier image/jpeg, 98k
Titre Tableau III.7. Coûts de production de H2 par différentes filières14
URL http://books.openedition.org/pucl/docannexe/image/624/img-21.jpg
Fichier image/jpeg, 59k

© Presses universitaires de Louvain, 2004

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540