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

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.

Un exemple de formation de combustible fossile : le gaz naturel

On appelle combustible fossile un combustible riche en carbone, issu de la décomposition d’êtres vivants, morts et enfouis dans le sol depuis plusieurs millions d’années. Il s’agit du pétrole, du charbon et du gaz naturel. Ces sources d’énergie ne sont pas renouvelables car elles demandent des millions d’années pour se reformer et parce qu’elles sont utilisées beaucoup plus rapidement que le temps nécessaire à les reformer.

Le gaz naturel est en fait un mélange d’hydrocarbures, essentiellement constitué de méthane.

Il y a quelques dizaines de millions d’années, des restes fossilisés de végétaux aquatiques se sont accumulés au fond des océans. Au cours du temps, des couches de sédiments se sont déposées au-dessus de cette « strate riche ».  Les ères défilent : le nombre de ces couches s’amplifie et elles s’épaississent. Des bactéries s’y glissent et se chargent d’effectuer les transformations qui engendreront la formation d’un composé solide appelé kérogène, alors encore sous forme de petits grumeaux. Ce kérogène se mélange aux sédiments, afin de créer la roche mère. Ceci représente une couche de la composition de la croûte terrestre. Puis, ces épaisseurs de kérogène se multiplient et la température augmente. On constate qu’entre 2500 et 5000 mètres de profondeur, et sous l’action des températures en hausse, le kérogène se transforme en gaz accompagné de pétrole liquide. Dès 4000 mètres, on trouve exclusivement du gaz (méthane en particulier).

L’expulsion du gaz et du pétrole s’opère lors de la migration primaire. Celle-ci se caractérise par une pression très forte en partie due à la température. La roche mère reste avec les grumeaux, tandis que les gaz sont éjectés.

                                                                       Céline DIONIZIO & Morgan SARRY (2nde 7)

Article rédigé à la suite de la  conférence de Monsieur Davide OLIVERO, maître de conférences à l’Université Claude Bernard à Lyon, le vendredi 30 mars dans le cadre du cours de SVT.

Le réchauffement climatique

Il y a une vingtaine d’années, de nombreux scientifiques s’interrogeaient sur l’existence ou non d’un « réchauffement climatique » avéré. Les observations et mesures effectuées ces dernières années ont levé le doute sur cette question : augmentation lente, supérieure à 0,6°C en un siècle, des températures moyennes enregistrées par les stations météorologiques du monde entier, diminution de l’étendue et de l’épaisseur de la banquise arctique, recul des glaciers, augmentation significative du niveau de la mer, autant d’indices sont venus confirmer la réalité du réchauffement climatique. Nous verrons alors les causes naturelles de ce réchauffement climatique et l’implication de l’Homme dans ce phénomène.

Tout d’abord, la Terre reçoit une énergie lumineuse provenant du Soleil. Une fraction de cette énergie est renvoyée dans l’espace par les nuages et par le sol. L’énergie restante est accumulée par l’atmosphère et la surface terrestre. Cette dernière émet un rayonnement infrarouge, partiellement absorbé par l’atmosphère et la surface terrestre, dont la fraction qui s’échappe dans l’espace compense exactement l’énergie solaire accumulée, de façon à stabiliser la température moyenne de la Terre. Si l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement infrarouge, la Terre rayonne moins d’énergie qu’elle n’en absorbe et se réchauffe, ce qui augmente son rayonnement, jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint, à une température supérieure à la température initiale. C’est ce qu’on appelle l’effet de serre. Bien que ce phénomène soit souvent hâtivement désigné comme responsable du réchauffement climatique, il s’agit en réalité d’un phénomène naturel lié à la présence de gaz atmosphériques. En effet tous les gaz absorbant le rayonnement infrarouge sont des gaz à effet de serre, les principaux étant le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau, le méthane, le protoxyde d’azote mais aussi l’ozone. Leur efficacité dépend à la fois de leur capacité d’absorption par molécule et de leur concentration.

Cependant, depuis un siècle, activité industrielle et expansion démographique ont concouru à modifier la composition de l’air. Imperceptiblement pour nous et sans effets nocifs apparents, la concentration de certains composants mineurs de l’atmosphère augmente. Mais ces gaz ne sont pas pour autant inactifs. Ils piègent le rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre et contribuent ainsi à l’effet de serre. Cet accroissement résulte des activités humaines. En effet, le dioxyde de carbone est produit en très grande quantité lors de la combustion des hydrocarbures qui constituent l’essentiel des carburants utilisés dans les centrales thermiques, pour les transports routiers, aériens et maritimes. Actuellement 87% de l’énergie produite proviennent des combustibles fossiles. C’est cet effet de serre additionnel induit par les activités humaines qui est responsable du réchauffement climatique observé depuis quelques années. Ceci a conduit les scientifiques à estimer qu’il y a « une influence perceptible de l’homme sur le climat global ».

En conclusion, les causes à l’origine du réchauffement climatique sont multiples : c’est à la fois le résultat de l’effet de serre, dû à la présence naturelle de certains gaz dans l’atmosphère terrestre mais aussi les émissions de gaz supplémentaires liées à des activités humaines tel que l’usage de combustible fossile. Ainsi les conséquences d’un réchauffement climatique dont on sait maintenant qu’il risque de s’amplifier et de se prolonger risquent d’être lourdes pour l’humanité.

Cet article a été rédigé à la suite de la conférence de Monsieur Davide OLIVERO, maître de conférences à l’Université Claude Bernard à Lyon, le vendredi 30 mars dans le cadre du cours de SVT.

Davide Olivero

Hadjeras Kenza & Jacquet Mélanie  (2nde 7)