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Le monde a hâte de se débarrasser de son besoin en charbon. Sans une réduction drastique de l’utilisation du charbon, il y a peu de chances d’atteindre les objectifs d’émissions de gaz à effet de serre et d’éviter les effets les plus catastrophiques du changement climatique.
Et l’élimination de ce matériau ne concerne pas seulement les gaz à effet de serre : L’extraction du charbon puis sa combustion produisent d’autres toxines, polluant notre air, notre eau et notre sol.
Qu’est-ce qui rend le charbon si sale ? Pour comprendre, nous allons devoir enfiler nos blouses de laboratoire et nous attaquer à un tout petit peu de chimie.
Arithmétique de l’effet de serre
Le problème des gaz à effet de serre est relativement facile à saisir. Tous les combustibles fossiles sont constitués principalement de carbone et d’hydrogène. Lorsqu’ils sont brûlés, le carbone se transforme en dioxyde de carbone et l’hydrogène en eau. Chacune de ces réactions produit une quantité de chaleur légèrement différente.
C + O2 → CO2 génère 393 kJ de chaleur
H2 + 0,5 O2 → H2O génère 242 kJ de chaleur
Le produit qui nous préoccupe le plus est le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre qui piège la chaleur du soleil dans notre atmosphère. Ce qui signifie que le meilleur combustible fossile – celui qui produira le moins d’émissions de CO2 pour générer la même quantité de chaleur – est celui qui contient beaucoup d’atomes d’hydrogène pour chaque atome de carbone.
Le gaz naturel remporte cette bataille haut la main. Il contient principalement du méthane, un produit chimique simple dont la formule est CH4. Cela signifie qu’il y a quatre atomes d’hydrogène pour chaque atome de carbone, le maximum qu’un seul atome de carbone peut accueillir.
La formule chimique du charbon est beaucoup plus complexe (comme nous le verrons plus loin). C’est parce que, contrairement au gaz naturel, le charbon est un mélange de plusieurs milliers de types de produits chimiques. Mais pour comprendre sa production de chaleur, nous pouvons simplifier la formule du charbon en CH (c’est-à-dire un atome d’hydrogène pour chaque atome de carbone).
Le résultat est que le charbon produit deux fois plus de dioxyde de carbone par unité d’énergie thermique par rapport au gaz naturel.
Début brumeux
A part la contribution des gaz à effet de serre au changement climatique, le charbon a d’autres problèmes. Ceux-ci ont trait à la façon dont la substance a été formée.
« Le charbon est le solide le plus complexe que nous ayons jamais trouvé et analysé », déclare Jonathan Mathews, un scientifique spécialiste du charbon à l’Université de Pennsylvanie.
Il y a plusieurs millions d’années, une sorte d’événement naturel – peut-être une inondation, peut-être un typhon – a enfoui de vastes forêts sous l’eau. Au fur et à mesure que de nouvelles couches de sol se déposaient sur les arbres, les privant d’air, le bois enterré s’est lentement transformé en tourbières. De plus en plus de couches de sédiments se sont accumulées, augmentant la pression et la température en dessous, jusqu’à ce que finalement, la tourbière se transforme en charbon.
Je reste volontairement vague sur les « nombreux millions » car les gisements de charbon dans différentes régions peuvent avoir des âges différents. Aux États-Unis, le charbon a été créé pendant la période du Carbonifère, qui a duré de 360 millions à 300 millions d’années. Le charbon australien, quant à lui, a été formé pendant la période permienne, entre 300 millions et 250 millions d’années.
Parce qu’il s’est formé à l’origine à partir de plantes, le charbon contient principalement du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’azote. Le charbon a contribué à créer la branche de la chimie basée sur le carbone que nous appelons » chimie organique. » Lorsque le charbon est chauffé en l’absence d’air, son mélange complexe se décompose en formes plus simples. Ces produits chimiques – tels que le benzène, le toluène, le naphtalène, l’anthracène et le phénol – constituent la base des parfums, des explosifs et des médicaments.
Les plantes possèdent également toute une série d’autres éléments du tableau périodique en quantités beaucoup plus faibles. Fait crucial, au cours de sa formation, le charbon peut absorber encore d’autres éléments présents dans les dépôts de boue qui l’entourent ou dans l’eau contaminée. Selon la géologie de la région, les types et les quantités de ces éléments varient ; plus de la moitié du tableau périodique des éléments a été détectée dans différents types de charbon.
« Le processus par lequel le charbon se forme aggrave sa complexité », explique Mathews. « C’est pourquoi presque chaque morceau de charbon trouvé est chimiquement unique. »
Lorsque le charbon est brûlé, beaucoup de ces éléments sont rejetés dans l’atmosphère avec d’autres gaz. Ceux-ci peuvent parcourir des kilomètres avant d’atterrir sur des plantes ou dans le sol, où ils pourraient être absorbés par les arbres ou les cultures et finalement être consommés par les humains. Certains de ces éléments peuvent également se retrouver dans les poumons des gens, où ceux qui sont toxiques comme l’étain, le cadmium et le mercure peuvent faire de réels dégâts sur les systèmes nerveux, digestif et immunitaire.
Malgré les réglementations sur l’industrie du charbon, ces métaux se retrouvent fréquemment dans l’environnement. Plus de 40 % de toutes les émissions de mercure aux États-Unis proviennent encore des centrales électriques au charbon. En 2014, rien qu’aux États-Unis, les activités liées au charbon ont également rejeté 40 tonnes métriques de plomb, 30 tonnes d’arsenic et 4 tonnes de cadmium.
Smoggy end
Tous ces polluants chimiques ne représentent cependant qu’une partie du problème. La manifestation plus visible de l’impact environnemental du charbon est le smog : le résultat de la réaction chimique de la combustion du charbon. Le charbon étant un mélange complexe de produits chimiques, il ne brûle pas aussi proprement que le gaz naturel : tout le carbone et l’hydrogène ne se transforment pas proprement en dioxyde de carbone et en eau. Au lieu de cela, la fumée du charbon contient des particules de carbone non brûlées ou à moitié brûlées, de l’oxyde de soufre, des oxydes d’azote et beaucoup de molécules organiques complexes formées au cours du processus de combustion.
Chacun de ces éléments a sa propre façon de causer des dommages. Prenons-les un par un.
Les sels : Les particules de charbon non brûlées ou à moitié brûlées peuvent être classées dans la catégorie des suies. Son aspect (et dans une large mesure sa composition chimique) est similaire à la suie que l’on trouve dans les cheminées : une fine poudre noire. La suie, qui peut contenir un certain nombre des contaminants énumérés ci-dessus, est nocive pour les poumons. Mais elle est encore plus nocive parce qu’elle est suffisamment petite pour passer dans la circulation sanguine une fois inhalée. Ils peuvent même se retrouver dans le cerveau. Le charbon et les autres combustibles solides utilisés dans les foyers sont l’une des principales causes de décès dus à la pollution atmosphérique en Inde. En Inde, la suie est connue pour recouvrir les glaciers, ce qui les assombrit pour qu’ils retiennent davantage la chaleur du soleil et fondent plus rapidement.
Oxyde de soufre : À haute température à l’intérieur d’un fourneau, le soufre du charbon et l’oxygène de l’air se combinent pour former de l’oxyde de soufre, qui est un irritant s’il est respiré. Lorsqu’il se combine avec l’eau, il forme de l’acide sulfurique, créant ainsi des pluies acides. Dans les années 1960 et 1970, les pluies sulfureuses étaient un phénomène courant aux États-Unis et dans d’autres pays. Depuis, la plupart des centrales électriques sont tenues d’installer des équipements qui tirent les émissions de soufre de la cheminée, mais une partie du soufre se glisse encore dans l’atmosphère.
Oxydes d’azote : Comme le soufre, l’azote présent dans le charbon se combine avec l’oxygène de l’air pour former un mélange d’oxydes d’azote. Ceux-ci sont irritants et peuvent provoquer des maladies respiratoires comme la pneumonie. Les oxydes d’azote sont également chimiquement actifs, ce qui signifie qu’ils se mélangent à d’autres polluants dans l’atmosphère pour en créer de nouveaux, comme l’ozone.
Composés organiques volatils (COV) : L’extraction et la combustion du charbon libèrent des composés nocifs à base de carbone qui persistent dans l’atmosphère sous forme de gaz. C’est avec ces derniers que les oxydes d’azote peuvent réagir pour former de l’ozone et d’autres polluants. Ces produits chimiques sont nocifs pour les humains, les autres animaux et les plantes.
Monoxyde de carbone : Parfois, au lieu que le carbone se combine avec l’oxygène pour former du dioxyde de carbone, il réagit pour créer du monoxyde de carbone, un gaz toxique.
Au fil des ans, les réglementations dans les centrales à charbon ont permis de réduire certains de ces polluants. Les centrales à charbon indiennes, cependant, sont sérieusement à la traîne. En 2015, le gouvernement a fixé à 2017 la date limite pour que les centrales électriques installent des équipements permettant de réduire les émissions de soufre et d’azote. Peu de centrales s’étant conformées à cette échéance, le gouvernement l’a prolongée jusqu’en 2022. Ce retard risque de provoquer au moins 26 000 décès prématurés et la perte de plusieurs millions de jours de travail chaque année.
Des pays plus avancés ont déjà installé ces épurateurs – et certains d’entre eux vont même un peu plus loin. Deux centrales électriques au charbon, l’une au Canada et l’autre aux États-Unis, capturent désormais la majeure partie du dioxyde de carbone qu’elles produisent. Dans les deux cas, le dioxyde de carbone capté est pompé dans le sol pour en extraire le pétrole. Une fois que la technologie sera suffisamment bon marché, les émetteurs pourraient simplement enfouir leur dioxyde de carbone sous terre sans avoir à subventionner le processus en vendant du pétrole.
Cela dit, aucune réglementation ne pourra éliminer complètement les émissions nocives de la combustion des combustibles fossiles. Leurs méfaits ne peuvent être laissés derrière nous que si nous cessons de les extraire du sol.
C’est le cas.