Charbon bitumineux

Sa couleur est noirâtre à brun foncé. Ses lignes de cassures présentent des reflets plus ou moins brillants organisés en bandes, qui sont utilisés pour en classer les variantes ou donner des indice sur ses caractéristiques stratigraphiques (dull, bright-banded ou bright, dull-banded pour les anglophones). Le géologue identifie deux constituants macéraux principaux : la vitrinite et l'exinite.

Sa masse volumique dans le gisement est en moyenne de 1 346 kg/m³ ; en poudre ou granulé, sa masse volumique est typiquement de 833 kg/m³.

Sa structure chimique fine peut être étudiée par résonance paramagnétique électronique[1].

Il est surtout utilisé comme combustible solide et source d'énergie pour produire de la chaleur, de la vapeur d'eau, du mouvement, de l'électricité, éventuellement en cogénération ou en trigénération ; pour cela, il est de meilleure qualité que le lignite, mais moins énergétique que l'anthracite, le pétrole ou le gaz naturel.
Un kilogramme de charbon bitumineux libère de 24 à 35 MJ d'énergie thermique (de 21 à 30 millions BTU par tonne courte) pouvant être convertie en énergie motrice et en électricité.

En cimenterie (pulvérisé), il peut alimenter les « précalcinateurs » très consommateurs d'énergie. À relativement basse température (800 à 1 000 °C), ils produisent moins de NOx, mais avec comme inconvénient une durée de combustion qui doit être plus longue (plusieurs secondes)[2].

Certaines variétés de charbons bitumineux sont également utilisées pour produire du coke pour la métallurgie.

Comme il présente une certaine porosité, on a aussi expérimentalement tenté (en Inde) d'utiliser du charbon bitumineux, normal ou (avec alors de meilleurs résultats) préparé comme sorbant. La préparation était faite par traitement hydrothermique afin de lui incorporer des groupes fonctionnels supplémentaires et de changer la nature chimio-colloïdale de sa surface pour améliorer l'adsorption de Cu (II), Ni (II), Zn (II) et Cr (VI) au peroxyde d'hydrogène et par imprégnation d'oxyde de manganèse[3]. Il s'agissait de tester ses capacités à adsorber (un peu à la manière du charbon de bois) des éléments chimiques toxiques, polluants ou indésirables, dont par exemple des métaux lourds ou le chrome d'effluent industriel[4]. Par exemple, il se montre capable d'absorsber/adsorber de grandes quantités de plomb moléculaire/ionique (jusqu'à 92,52 % pour le Pb II à pH 8[5]).

Il a généralement été formé par une forte pression exercée sur le lignite (lui-même issu de la décomposition d'anciennes tourbières), alors que sa couche géologique s'enfonçait dans le sous-sol. C'est une roche sédimentaire principalement composée de matières d'origine organique structurées et transformées (diagenèse) par une compression dite sub-métamorphique.
Il contient 60 à 80 % de carbone fossile ; le reste étant principalement constitué d'eau, d'air, d'hydrogène et de soufre, qui n'ont pas été chassés ou détruits des macéraux par la pression et/ou la température. Il contient aussi des éléments-traces métalliques polluants (métaux lourds dont mercure), métalloïdes, dont arsenic) et des radionucléides. Ceux-ci sont libérés lors de la combustion du charbon et ensuite dispersés dans les vapeurs, fumées, mâchefers et cendres.

Indépendamment de leurs définitions géologiques (« lithotype »), les charbons bitumineux sont classés selon plusieurs critères physico-chimiques, qui sont principalement :

• la réflectance de la vitrinite qu'ils contiennent ;
• leur teneur en humidité ;
• leur teneur en composés volatils ;
• leur plasticité ;
• leur teneur en cendres (la quantité de cendres qu'ils laissent après combustion) ;
• leurs caractéristiques d'auto-inflammation[6].

Le charbon est vendu plus cher quand il est plus plastique, qu'il contient des hydrocarbures plus volatils et qu'il présente une moindre « teneur en cendres », avec le moins de carbonates, phosphore et soufre la plus faible possible.

La plasticité est une caractéristique vitale pour la cokéfaction, indice de son aptitude à contribuer progressivement aux phases de la cokéfaction. Elle est mesurée par des tests de dilatation charbon. Une faible teneur en phosphore est en outre essentielle à ces charbons parfois dits « métallurgiques », car le phosphore est un « poison » (élément hautement délétère) dans la fabrication de l'acier. En cas de volatilité et de plasticité médiocre, on lui préfère le charbon à coke. Le test utilisé pour la vérifier est l'« indice de gonflement libre ». En fonction de leur teneur en matières volatiles et de leur indice de gonflement, différents mélanges de charbons (bitumineux ou non) peuvent être faits pour optimiser leur qualité en tant que carburant ou coke.

La volatilité est un critère « critique » pour la sidérurgie et pour la production d'énergie, car elle influe sur le taux de combustion du charbon. Quand le charbon est plus riche en composés volatils, il s'enflamme mieux et brûle mieux, bien que contenant moins de carbone et donc une moindre énergie potentielle par unité de volume.
Les fonderies doivent équilibrer et optimiser les teneurs en matières volatiles de leurs charbons pour la facilité d'allumage, et mieux contrôler le taux de combustion et la chaleur émise.

La faible teneur en cendre, en soufre et en carbonate du charbon est prisée des producteurs d'électricité car elle diminue très significativement la quantité de scories produites dans les chaudières, ainsi que la quantité de fumées et particules, ainsi que de gaz acides (acide sulfurique, chlorhydrique, SO₂, mais aussi du H₂O qui corrode certains aciers en cours de fabrication, et qui sont très corrosifs pour les installations[7]) et d'autres polluants de l'air. Les coûts de filtration/épuration des gaz sont diminués. Les carbonates sont néfastes car ils forment des croutes dans les chaudières et sur les échangeurs thermiques. Le soufre contribue des effluents gazeux contribue aux pluies acides, aux smogs aux cancers et aux maladies pulmonaires, et indirectement à l'acidification des eaux (qui est aussi due à l'acide carbonique également produit par la combustion du charbon ou d'autres hydrocarbures)

La plupart des hydrocarbures fossiles datent du Carbonifère, mais il existe aussi des charbons bitumineux ou non un peu plus récents.

L'extraction du charbon (drainage minier acide…), son transport et plus encore sa transformation (cokerie), sa combustion et son utilisation métallurgique sont des activités polluantes, ayant des effets sur l'eau, l'air et les sols, ainsi que sur les écosystèmes et la santé humaine, même si d'importantes améliorations ont été faites. Parmi ces améliorations, on peut citer son utilisation sous forme pulvérulente dans les brûleurs, qui optimise la combustion[13] et, dans les années 1980-1990 des améliorations des systèmes de combustion et pré-combustion ont permis de réduire les émissions de poussières, particules, suies, noir de carbone et nanoparticules, de NO_x[14] et de SO₂.

Les « terrils » et autres crassiers de cendres volantes et mâchefers peuvent ensuite durablement relarguer divers polluants dans l'air (envols de poussières), dans l'eau et les sols.

Les matières carbonées fossiles ont des propriétés réductrices et sorpsives à l'égard de l'uranium[15] et du thorium[15], notamment étudiées par Breger et Deul (1956) et par Bejrassiva (1858)[15] et largement décrites dans les années 1950 par Stach, Teichmüller, Ramdohr, Liebenberg, Davidson et Bowie[15]. Dans les microfissures de certains charbons, on trouve de la pechblende[15].
Lors de toutes les étapes de leur formation, la tourbe, puis les charbons, ont eu une propension naturelle à absorber/adsorber divers éléments de l'environnement dont les métaux lourds et certains radionucléides minéralisés dans le charbon[15]. « La fixation de l'uranium dans le charbon semble se produire avant le phénomène de houillification des charbons actuellement bitumineux »[15] ; Comme d'autres types de charbon, certains charbons bitumineux dits « uranifères » peuvent donc contenir des quantités significatives (à importantes en termes d'impacts potentiels dans certaines circonstances) d'uranium et d'autres radionucléides (thorium en particulier), et de ce fait libérer des radionucléides gazeux lors de l'exploitation (ex. : radon, descendants radiogéniques et radioactifs de l'uranium), puis divers radionucléides lors de la combustion. Il en reste aussi dans les mâchefers et dans les stocks de cendres volantes produits par les usines métallurgiques et les centrales électriques au charbon. L'étude microscopique, métallographique, minéragraphique et autoradiographique des « charbons uranifères » a mis en évidence (dès les années 1960) des « dégâts radiatifs » dans ces charbons, qui peuvent être sources d'information sur leur diagenèse (par exemple dans les gisements du Schaentzel, Jedwab, Jacques a observé « une très faible activité du charbon dépourvu d'inclusions ou de fissures, ainsi qu'une relation entre l'augmentation locale de la réflectivité et la quantité d'uranium »[15].

Tous les pays n'ont pas publié leurs chiffres de réserves certaines ou estimées, et ces chiffres sont dans certains cas incertains. On sait cependant qu'il reste beaucoup de charbon sur la planète, et que le charbon bitumineux en constitue parfois une part très importante (plus de 95 % en Inde)

Les États-Unis disposent des réserves de charbon les plus importantes du monde (447 GT, dont 54 % seraient bitumineux et 37 % sub-bitumineux (pour 9 % de lignite) ; selon l'estimation publiée en 2006 par le Comité américain du WEC[16].

La seconde réserve serait située dans le sous-sol de l'Australie avec 97,3 Gt de ressource prouvée[16], dont 57 % de charbon bitumineux et sub-bitumieux, pour 43 % de lignite)[16].

L'Inde annonce de son côté 100 Gt de ressources prouves (dont 96 % en charbon bitumineux)[16]

La recherche récente porte notamment sur les moyens de rendre l'usage du charbon moins polluant ou les alternatives à certains de ses usages. Des travaux récents portent sur la récupération du CO₂ et éventuellement des particules carbonées (suies) dans les installations afin de les réorienter vers le stockage géochimique (puits de carbone artificiels)…

De très nombreux travaux de recherche ont porté sur les modes de combustion (taille et flux des particules à injecter, type de lit fluidisé, etc.).
D'autres travaux ont concerné des tentatives de gazéification in situ (c'est-à-dire dans la couche géologique elle-même) ou encore des usages en carbochimie, pour la filtration, le post-carcking (« postcraquage ») en présence d'hydrogène des matières volatiles dégagées au cours de l'hydropyrolyse[17], etc.