Origine et exploitation des combustibles fossiles : problèmes liés à leur utilisation

Avant les vacances de Printemps, le mardi 22 avril 2014, la classe de 2°4 a eu la chance d’assister à une conférence sur les combustibles. Celle-ci fut présentée par M. Davide Olivero, géologue, professeur à la faculté de Lyon 1 de Villeurbanne, qui est intervenu pendant 2h.

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Il a commencé par nous expliquer que lorsque l’on parle de combustibles, on pense directement au mot « problème ». En effet, ce sont la plupart du temps des énergies non renouvelables qui polluent fortement (en utilisant ces combustibles, en 2011 la Chine, les Etats-Unis et l’Europe ont rejeté 34 076 327 382 tonnes de CO2) et sont donc néfastes pour l’environnement. Ce renvoi de dioxyde de carbone dans l’atmosphère augmente la production de gaz à effet de serre et donc entraîne une augmentation de la température. D’ici 2100, les hausses de température varieront entre 0,3 et 4,8 °C, ce qui débouchera sur une fonte des glaces et donc la hausse du niveau des mers et océans.
Les combustibles fossiles sont des hydrocarbures, contenant du carbone et de l’hydrogène, ce sont des ressources naturelles localisées parmi les roches sédimentaires du sous-sol. Ils se présentent sous des formes diversifiées : le pétrole, le gaz naturel et le charbon.
M. Olivero nous a expliqué leur formation : de l’accumulation de la matière organique à sa transformation en hydrocarbures, puis leur migration à travers les couches géologiques jusqu’à la formation des gisements exploitables.
Pétrole, gaz naturel et charbon, énergies non renouvelables, représentent 89% de la consommation humaine contre seulement 11% pour les énergies renouvelables comme la biomasse, l’hydroélectricité, l’éolien, le solaire ainsi que la géothermie, jugés peu efficaces.
Parmi les énergies non renouvelables utilisées par l’homme, on trouve aussi le gaz de schiste, qui est un gaz non conventionnel. Celui-ci est piégé dans les roches sédimentaires et ne subit pas de migration primaire (où des fluides s’échappent de la roche si la pression est suffisante). L’utilisation de ce gaz aux Etats-Unis est actuellement de 14% et selon les études réalisées, celle-ci devrait passer à 45% d’ici 2030. Mais l’’exploitation du gaz de schiste n’est pas sans danger pour l’environnement : pollution des nappes phréatiques, des rivières, nombre important de puits nécessaires et impact sur les paysages…
La croissance démographique entraîne une augmentation de la consommation des énergies non renouvelables. Par exemple, depuis le 1er janvier, 2 572 398 423 tonnes de charbon ont été consommées.
Si celle-ci continue de s’accroître, dans 40 ans, le pétrole, qui représente 32% de la consommation, aura disparu, dans 60 ans le gaz sera épuisé et dans 120 ans il n’y aura plus de charbon. En résumé, d’ici un siècle, toutes les énergies non renouvelables seront épuisées si leur utilisation continue d’augmenter. De plus, en brûlant ces énergies on renvoie du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, ce qui modifie le cycle du carbone. Cela entraine une forte pollution, qui débouche sur un dérèglement climatique portant fortement atteinte à la faune et la flore.

C’est pour toutes ces raisons qu’il est indispensable de mettre en place des systèmes écologiques tournés vers le développement durable si nous voulons protéger notre planète.

Ce travail a été réalisé en lien avec les cours de SVT (A. Portelli) dans une démarche d’éducation au développement durable (EDD).
La classe de 2nde4

Le charbon, une énergie durable ?

Le charbon, une énergie

La sortie du nucléaire, décidée par l’Allemagne en 2011 après la catastrophe de Fukushima, a encouragé la consommation de charbon et de lignite, une énergie bon marché dont l’Allemagne dispose d’importantes réserves sur son territoire. On peut aussi ajouter le prix relativement bas des émissions de CO2 comme facteur du renouveau soudain de l’énergie pourtant la plus polluante jusqu’à ce jour.

Une réponse aux questions économiques

Dans un pays en pleine transition énergétique, le charbon semble être LA solution. Bon marché, le charbon et la lignite pourraient pallier les besoins énergétiques de l’Allemagne dans l’attente d’une énergie plus verte.
De plus, ce faible coût attire plus d’investisseurs (des sociétés de production d’électricité comme RVE par exemple) que les énergies vertes qui, malgré les subventions, restent économiquement moins profitables.
En outre, le sous-sol de l’Allemagne est la seconde réserve de charbon du monde après la Russie : le gouvernement d’Angela Merkel mise donc provisoirement sur cette ressource pour assurer la transition énergétique du pays.
Mais malgré tous les efforts du gouvernement allemand, les énergies vertes (éolienne, solaire et biomasse) obtiennent une part de la production énergétique inférieure à celle du charbon et de la lignite : 23 % contre 26 % en 2013.

Le charbon : une énergie durable ?

L’utilisation de cette énergie extraite à ciel ouvert a cependant des conséquences énormes, tant naturelles que culturelles, sur l’environnement. Ainsi, l’énergie a été jugée en avril 2013 trop peu efficace par l’institut allemand pour la recherche économique (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung, DIW) par rapport aux dégâts qu’elle provoque : les centrales à charbon ont un impact direct sur le réchauffement climatique par l’accroissement continu du taux de CO2.
En effet, la combustion du lignite dégage du dioxyde de carbone et des particules fines, du dioxyde de soufre ou de l’oxyde d’azote.
D’ autre part, des dizaines de villages qui ont eu le malheur d’être construits sur un sous-sol riche en lignite ou en charbon vont être rasés pour faciliter l’exploitation de la ressource. C’est donc tout un patrimoine culturel qui va être détruit pour assurer la bonne santé du marché de l’énergie en Allemagne.

Des solutions peu approuvées

Pour minimiser la dégradation de l’environnement, il faudrait recourir à la capture et au stockage du CO2 émis par les nouvelles centrales à charbon. L’Allemagne n’a pas fait ce choix-là et l’utilisation de cette technique n’est envisagée pour aucune de ses centrales thermiques à charbon. Seule Vattenfall, une société de production d’énergie, s’est engagée dans la construction d’une petite centrale de démonstration de 30 MW en Brandenburg, centrale nommée « Swarze Pumpe ».

Malgré les risques environnementaux et culturels, l’État et les grandes compagnies d’électricité allemandes ne semblent pas prêts à réagir et continuent de miser sur cette énergie, ce qui devrait entraîner une forte augmentation du taux de rejet en CO2 du pays durant la prochaine décennie.

Côme De GARIDEL,  Florian GIROUD et Mickaël CARTET, seconde 2.

Ce travail a été réalisé lors des séances d’AP sur la revue de presse au CDI

 

Origine et exploitation des combustibles fossiles : Problèmes liés à leur utilisation

 

Sur Terre nous utilisons plusieurs sources d’énergie. Elles se divisent en « Énergies renouvelables (ENR) » et « Énergies non renouvelables ».

Les premières comprennent, entre autre et par ordre d’importance : la Biomasse, l’Hydroélectrique, l’Éolien, le Solaire et la Géothermie. Du fait de leur faible rendement, elles ne comptent actuellement que pour 11% de sources d’énergie.

Les deuxièmes comprennent l’énergie nucléaire (fission), pour environ 9%, et surtout, les combustibles fossiles, pour 80% du total.

Ce sont donc ces derniers qui produisent la grande majorité de notre énergie.

Les combustibles fossiles sont des « hydrocarbures« , des composés organiques constitués  essentiellement de Carbone et d’Hydrogène. Il s’agit du Pétrole (32% de sources d’énergie), du Gaz (21%) et du Charbon (27%).

Comment se forment ces combustibles ?

Pétrole et Gaz ont une genèse similaire. A l’origine, il s’agit de matière organique (végétale et/ou animale) qui s’est accumulée, il y a des dizaines, voire des centaines de millions d’années, au fond des océans et des mers. Au cours du temps, les sédiments qui se déposèrent par-dessus ont isolé et préservé cette matière organique. Au sein de ces sédiments, devenus roches, la fraction organique a subi une première transformation par des bactéries, avec formation d’un composé solide (kérogène), disséminé, sous la forme de petits grumeaux, dans ce que l’on appelle la « roche mère« .

Pendant des dizaines de millions d’années, le poids des sédiments a entraîné une augmentation graduelle de température. Et voilà que, à une profondeur entre 2500 et 5000 m et sous l’action des hautes températures qui y règnent (70-100°C), le kérogène s’est transformé en pétrole liquide, accompagné de gaz, essentiellement du méthane.

Par effet de la pression lithostatique, les fluides et les gaz s’échappent de la roche mère. Une partie remonte jusqu’à la surface, pour donner les sables bitumineux, les lacs et rivières de bitumes. Une autre se retrouve localement piégée dans des roches sableuses perméables, poreuses (roches réservoir), qui, si elles sont entourées de roches imperméables (contenant de l’argile) et situées sous des plis anticlinaux, permettent une accumulation de ces fluides. Ce sont là les gisements que les géologues cherchent. Il ne reste plus qu’à forer jusqu’à la roche réservoir et en extraire le pétrole et le gaz.

Origine et exploitation1

Le charbon a une histoire un peu différente, car formé par la dégradation de matière organique uniquement végétale et continentale. La formation du charbon a commencé à l’ère Paléozoïque (Carbonifère, entre  – 360 et – 295 millions d’années). Au début, une grande quantité de matière organique végétale (plantes) s’est accumulée dans des marécages, dont l’eau stagnante et peu oxygénée a permis la préservation de cette matière. Au cours de dizaines/centaines de millions d’années le poids des sédiments accumulés par-dessus a entraîné une augmentation de la température et de la pression, avec formation de composés de plus en plus riches en carbone : tourbe (50% à 55% de carbone), lignite (55% à 75%), houille (75% à 90%) et anthracite (> 90%).

Pour extraire ces matériaux, il « suffit » de creuser des mines souterraines (jusqu’à environ 1500 de profondeur) pour atteindre les gisements et ensuite les extraire.

Un cas particulier est celui du « gaz de schiste ». Il s’agit là de gaz piégé dans des sédiments argileux, donc imperméables. Creuser un trou n’est pas suffisant car par l’imperméabilité de la roche empêche le gaz de s’échapper. Il est donc nécessaire de rendre « perméable » cette roche qui ne l’est pas.

La méthode employée actuellement est celle de la fracturation hydraulique, qui consiste à injecter de l’eau à forte pression au sein de ces formations rocheuses, parfois situé à près de 3000 mètres de profondeur. La surpression brutale fracture, brise la roche, qui se retrouve traversée par de millions de micro fractures. L’eau est immédiatement aspirée vers la surface, entrainant sur son sillage le gaz, qui peut donc être exploité.

Ce type de réservoir renferme des volumes considérables de gaz, mais la méthode d’extraction est décriée car susceptible d’entrainer des pollutions des nappes souterraines et des remontées de fluides toxiques (on ajoute toute sorte de produits chimiques dans l’eau injectée). Mais actuellement on étudie d’autres méthodes moins nocives pour l’environnement.

Comme écrit précédemment, 80% de nos sources d’énergies sont constituées par ces combustibles fossiles. Un problème majeur est qu’il s’agit de sources NON RENOUVELABLES. Une fois épuisées, il faudrait attendre des millions d’années pour reconstituer les réserves. Autant dire que, à l’échelle de la vie humaine, c’est impossible. Cela fait plus de deux siècles que l’homme extrait et consomme ces combustibles. Au rythme actuel, il ne restera plus de pétrole exploitable dans moins de 40 ans. Pour le gaz on peut espérer 60 ans et pour le charbon, au maximum 120 ans. Mais probablement ces chiffres sont surestimés, car les besoins d’énergie augmentent de façon exponentielle chaque année du fait des pays émergents. Et alors, une fois que l’on aura tout épuisé, il  faudra trouver autre chose.

Autre problème important, et non des moindres, la pollution.

Depuis le début de la révolution industrielle, l’homme utilise massivement charbon, pétrole et gaz. Il les brûle pour produire de l’énergie, mais ce faisant, il dégage de grandes quantités de gaz renfermant du carbone, les gaz à effet de serre, principalement le Dioxyde de Carbone (CO2) et le Méthane (CH4). Et ces gaz ont la fâcheuse tendance à entraîner une augmentation de l’effet de serre, donc une augmentation de la température de l’atmosphère terrestre.

Origine et exploitation2

Ce n’est pas la première fois dans l’histoire de la Terre que la température de la planète augmente. C’est déjà arrivé à maintes reprises. Par le passé (géologique), la température a été bien plus élevée que l’actuelle. A titre d’exemple, il y a 60 millions d’années, au début de l’ère tertiaire, la température planétaire était de 28°C, contre 15° actuellement. De même, la concentration des gaz à effet de serre a été souvent bien supérieure que maintenant. Mais ces fluctuations étaient dues uniquement à des causes naturelles (volcanisme, position des continents, cycles orbitaux terrestres, etc.). Or, depuis 200 ans, il semble que les concentrations de CO2 et de méthane aient augmenté plus rapidement qu’avant, comme si l’activité humaine avait accéléré une tendance qui, à dire vrai, avait commencé bien avant que l’on commence à polluer.

On pourrait discuter longuement sur l’impact réel de l’activité humaine sur le réchauffement climatique. Quelle est la part naturelle et la part humaine ? Même si on considère que les causes naturelles sont les plus importantes, on ne peut pas objectivement nier que l’homme injecte dans l’atmosphère des quantités énormes de gaz à effet de serre. Et cela doit forcément avoir des conséquences sur notre planète.

En 2011 l’activité humaine a envoyé dans l’atmosphère plus de 34 milliards de tonnes de CO2.

Et en 2013 on a vraisemblablement dépassé allègrement ce seuil.

Les plus gros pollueurs sont, et ce n’est pas une surprise, dans l’hémisphère nord. Par contre, si jusqu’au début des années 2000 c’étaient les USA les champions en la matière, actuellement c’est plutôt la Chine qui a elle seule produit plus de 30% du CO2 émis sur Terre, contre environ 15% pour les USA et 11% pour l’Europe.

Et pour le méthane les chiffres sont similaires.

Vu la croissance de la Chine et des autres pays émergents, la situation ne pourra qu’empirer.

Mais quelles peuvent être alors les résultats de ce réchauffement climatique ?

Les experts climatiques prévoient d’ici 2100 une augmentation de température entre + 1,5°C et 5,6°C.

Les conséquences possibles (mais à vérifier quand même dans le futur), sont :

–          Une augmentation plus importante des températures dans les hautes latitudes ;

–          une fonte accélérée des glaces (banquise polaire, glaces de l’Antarctique, du Groenland, des montagnes, ..) ;

–          une augmentation du niveau des mers (jusqu’à 50 cm) ;

–          une augmentation des phénomènes extrêmes (pluies, tempêtes, ouragans et typhons, ..)

Le futur nous dira si ces prévisions sont exactes. Il nous dira aussi si l’activité humaine est réellement responsable de tout cela. Ou bien s’il faut chercher plutôt parmi les causes naturelles.

Nous ne pouvons rien faire contre ces dernières. Par contre nous pouvons agir sur notre comportement et essayer de trouver d’autres façons de vivre, moins destructrices pour notre environnement (et il ne faut pas se focaliser uniquement sur le réchauffement climatique, car nous polluons de bien d’autres manières).

Cela ne pourra faire que du bien à notre planète !

Davide OLIVERO, géologue, maître de conférences, Université Claude Bernard Lyon 1.

M. Olivero est intervenu auprès d’une classe de seconde le 24 mai 2013.