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.

Conférence de Géologie le 20 avril 2011

            Ce Mercredi 20 avril 2011, M. ZUDDAS, chercheur à l’Université Claude Bernard, nous a fait l’honneur de venir nous présenter un exposé passionnant sur une question de grande importance : le problème des gaz à effet de serre, et plus particulièrement le Dioxyde de carbone (CO2).

Le sujet de sa conférence était « La préservation des eaux naturelles et la séquestration géologique du CO2, un défi pour le XXIème siècle?

Nous avons tout d’abord parlé de l’eau naturelle que l’on trouve dans les cours d’eau, les océans, les sous-sols, les nuages mais aussi du cycle permanent de l’eau, de son rôle vital.

Ensuite, nous avons abordé la question du CO2. Ce gaz naturel se trouve dans l’atmosphère en petite proportion (0.05%). Il est naturellement produit par les volcans, par exemple, qui en émettent lorsqu’ils sont en éveil. La biosphère, en respirant, en produit. Par contre, les végétaux chlorophylliens, en majorité dans les forêts, ont la capacité d’extraire ce CO2 pour produire du dioxygène (O2). C’est la photosynthèse, qui est la réaction inverse de la respiration.

Depuis l’industrialisation et l’utilisation du charbon, l’homme a produit en très grande quantité du CO2, notamment avec la combustion de ce charbon ou du pétrole, et aujourd’hui par l’utilisation de l’automobile ou des usines. Cela a provoqué une augmentation dans l’atmosphère de la quantité de CO2 depuis 50 ans, comme le montrent des études à Hawaï. De plus, quand la température augmente, la teneur en CO2 augmente, c’est l’effet de serre. Ce changement de température a pour impact la fonte des glaciers, le dérèglement des écosystèmes et des espèces et engendre des conditions climatiques extrêmes.

Que pouvons-nous faire pour limiter nos rejets de CO2 ?

Privilégier les moyens de transport en commun ou la marche, stopper la surconsommation, faire attention chaque jour à des détails comme éteindre la lumière, baisser le chauffage, éviter l’utilisation abusive de la climatisation etc.

Quant au CO2 présent dans l’atmosphère qui entraîne l’effet de serre, il faudrait le faire diminuer et c’est un des défis de la science. Une des idées retenues est celle du captage puis du stockage de CO2 anthropique en sous-sol. Des essais ont été réalisés aux USA, au Japon, au Canada, en Norvège et en France dans différents types de sols : des roches ou des anciennes poches de gaz et pétrole vides.

Or le CO2 réagit chimiquement et physiquement : il réagit avec les roches et fuit dans les couches supérieures. Il déplace de grandes quantités d’eau présentes en sous-sol, et la réaction entre l’eau et le CO2 provoque une augmentation de l’acidité de cette eau et la rend corrosive. De plus, le CO2 est un solvant de substances organiques chimiques qui se libèrent dans les eaux souterraines.

Les chercheurs tentent maintenant d’améliorer leur technique pour limiter l’arrivée de ces métaux lourds dans les eaux souterraines, accélérer la vitesse de stockage car, pour l’instant, celui-ci dure très longtemps à cause des énormes quantités de CO2. La préservation des eaux est le plus important car c’est une ressource vitale pour la vie.

Il sera sans doute possible, dans un certain temps, de stocker le CO2 dans les sous-sols mais il faut encore évaluer précisément les risques de fuites et leurs conséquences afin de sauvegarder la qualité des eaux souterraines.

Greg Batin et William Bosse (Seconde 4)

Ce travail a été réalisé en lien avec les cours de SVT de C. Larcher

La Terre : conceptrice de matériaux depuis plus de 4,5 milliards d’années.

Depuis sa création notre planète consomme et produit d’énormes quantités de matières et grâce aux mouvements tectoniques et à l’activité volcanique en surface, ces matériaux émergent, recouvrent le sol de la terre et s’accumulent depuis 4,5 milliards d’années.

Ces matériaux, de part leur composition chimique variée, offrent une grande diversité d’utilisation. Ainsi, depuis la nuit des temps, l’homme a appris à s’en servir. On peut, par exemple,  penser au silex utilisé par les hommes préhistoriques, aux pierres ayant servi à la construction des pyramides, ou encore aux pierres précieuses qui servent de valeurs sûres à l’économie.

Chaque pierre à son usage et ses propres caractéristiques.

Lors de notre sortie au musée de Saint-Jean-des-Vignes nous avons pu nous rendre compte de la diversité d’usages des pierres de la région, principalement dans le domaine de la construction comme peuvent en témoigner les maisons en pierres dorées avoisinantes. Cette zone du beaujolais comporte l’une des plus grandes variétés de roches différentes, ce qui permet d’en faire un usage plus large, comme par exemple dans la voirie ou dans les combustibles.

Pour extraire ces pierres, d’immenses carrières ont été creusées à flanc de montagne, mais les filons ne sont pas éternels et, tôt ou tard, la veine s’épuisera. Les entreprises exploitantes sont donc tenues de réhabiliter les zones d’exploitation en réintégrant de la végétation pour ne pas laisser un trou béant au beau milieu du paysage.

La zone est ainsi réaménagée suivant des critères écologiques profitables à la faune et à la flore.

Grâce à ces interventions, l’homme peut profiter des ressources de notre planète mais il est tenu de faire quelque chose en retour pour la protéger.

Louise Chevrier, Cyndy Haar, Estelle Steiner  1ère S3.

Ce travail a été effectué en relation avec les cours de SVT de C. Larcher et cet article fait suite à une visite de la classe aux « Pierres Folles » de Saint-Jean-Des-Vignes.

 

Des « pierres folles » mais précieuses !

Les pierres géologiques de St-Jean-des-Vignes nous ont éblouies par leurs diverses utilisations toutes plus frappantes les unes que les autres. Leur diversité peu commune en font des pierres incontournables dans la création de bijoux architecturaux de tous types…

St-Jean-des-Vignes, petit village situé dans le département du Rhône et la Région Rhône-Alpes ,  se trouve dans l’ancienne région historique du Beaujolais ;  l’Espace « Pierres folles » propose une rétrospective de l’histoire du Beaujolais à travers la géologie,  les fossiles, le sol et les ressources naturelles de la région. Une visite guidée s’impose pour découvrir l’étonnante richesse géologique que l’on retrouve en application constante dans l’architecture de ce village  haut en couleurs.

La découverte du musée géologique-paléontologique se révèle incontournable dans l’approche des différentes structures rocheuses présentes dans le sous sol de cette région. Leur diversité est frappante ; on découvrira qu’elles se distinguent en trois catégories : les roches sédimentaires, les roches métamorphiques et les roches ignées dite volcaniques. Ce musée, tel un écrin de pierres, se présente comme la vitrine de ce qui nous attend aux détours des villages.  Toutes plus « précieuses » les unes que les autres, elles se retrouveront utilisées, transformées puis sublimées dans la création de divers ouvrages.

La plus réputée des roches sédimentaires, la fameuse « Pierre Dorée » se retrouvera ciselée et parfaitement intégrée dans des constructions typiques de la région. Voilà comment une ressource géologique va créer  l’identité d’un village… On citera aussi le fameux calcaire oolithique divinement mis en valeur dans la construction de monuments  à l’image de la Collégiale Notre-Dame des Marais et la Cathédrale St-Jean à Lyon. Ainsi, voilà comment les « Pierre Folles » se retrouvent juchées  sur un symbole spirituel.

Les roches sédimentaires, majoritairement utilisées pour la construction, peuvent cependant se retrouver dans la production de céramique grâce à l’argile ; certes cette exploitation moins « tape à l’œil » mais non moins essentielle, est transformée dans la région par les usines Lafarge, figure emblématique du fleuron industriel régional. Une multitude de « cailloux » se prêtent à bien d’autres utilisations notamment dans la construction de marches d’escaliers, de dallages, de lavoirs… c’est dire si elles se révèlent prolifiques…

Les roches métamorphiques, issues de la mise en place du granite  trouveront elles aussi une application magistrale dans l’architecture régionale. Attribuons une « mention spéciale » au microgranite largement présent dans le Haut Beaujolais pour la construction du musée d’Amplepuis ou encore l’église de Thizy.

Enfin, les roches volcaniques (rhyolite, basalte…)  se retrouveront dans l’élaboration du matelas routier et du ballast de chemins de fer, étalés et offerts à la vue de chacun.

Force est de constater que la typologie des sous sol va sculpter l’aspect des constructions… Des ressources naturelles données vont donc configurer le patrimoine architectural.

Ces « Pierres Folles », le sont-elles vraiment ?  Si elles le sont, c’est dans leurs extravagantes exploitations!

Cylia Mansouri,  Charlène Munch, Marine Mejean et Elsa Thollet. (1èreS3)

Ce travail a été effectué en relation avec les cours de SVT de C.  Larcher et cet article fait suite à une visite de la classe aux « Pierres Folles » de Saint-Jean-Des-Vignes.