16.1 : Types de combustibles fossiles et formation

Les combustibles fossiles sont des sources d'énergie non renouvelables formées à partir de la matière organique des plantes et des microorganismes qui vivaient il y a des millions d'années. Cette énergie a été capturée à l'origine par photosynthèse par des organismes vivants tels que des plantes, des algues et des bactéries photosynthétiques. C'est ce que l'on appelle parfois l'énergie solaire fossile, car l'énergie du soleil a été convertie dans le passé en énergie chimique contenue dans un combustible fossile. Comme indiqué dans Chaînes alimentaires, réseaux alimentaires et matière, les molécules organiques emmagasinent de l'énergie chimique, qui est libérée lorsque les liaisons à haute énergie (moins stables) de ces molécules sont brisées pour former des liaisons à faible énergie (plus stables). Les combustibles fossiles ne sont pas renouvelables car leur formation a pris des millions d'années. En outre, l'augmentation de la productivité dans l'environnement ancien a permis une plus grande accumulation de combustibles fossiles, ce qui signifie que les réserves de combustibles fossiles disponibles aujourd'hui ne pourraient pas nécessairement être régénérées des millions d'années dans le futur.

Les combustibles fossiles sont principalement composés d'hydrocarbures (molécules de carbone et d'hydrogène uniquement), mais ils contiennent également des quantités moindres d'azote, de soufre, d'oxygène et d'autres éléments. Les structures chimiques précises varient en fonction du type de combustible fossile (charbon, pétrole ou gaz naturel). Les molécules du charbon ont tendance à être plus grosses que celles du pétrole et du gaz naturel. Le charbon est donc solide à température ambiante, le pétrole est liquide et le gaz naturel est en phase gazeuse. Plus précisément, le charbon est un combustible fossile solide noir ou brun foncé que l'on trouve sous forme de filons de charbon dans les couches rocheuses formées à partir de la végétation des marais Le pétrole et le gaz naturel sont des combustibles fossiles trouvés sous terre qui se sont formés à partir de microorganismes marins. Le pétrole (pétrole) est un combustible fossile liquide composé de divers hydrocarbures, tandis que le gaz naturel est un combustible fossile gazeux composé principalement de méthane et d'autres petits hydrocarbures.

Charbon

Le charbon est le produit de marécages fossilisés, bien que certains gisements de charbon plus anciens antérieurs aux plantes terrestres soient présumés provenir d'accumulations d'algues. Le charbon s'est formé lorsque du matériel végétal est enterré, chauffé et comprimé dans des conditions pauvres en oxygène sur une longue période (figure\(\PageIndex{a}\)). Il y a des millions d'années, les continents se trouvaient à des endroits différents avec des climats différents, et une végétation semblable à des marécages recouvrait de nombreuses régions. Lorsque la végétation est morte, elle n'a pas pu se décomposer complètement en raison de conditions pauvres en oxygène. Au lieu de cela, il a formé de la tourbe (une substance brune riche en matières organiques). La tourbe a été enterrée et a formé du charbon après des millions d'années de pression et de température élevées. La pression était due au poids des sédiments ainsi qu'à des collisions continentales.

Figure\(\PageIndex{a}\) : Le charbon s'est formé lorsque de grandes plantes des marécages sont mortes il y a 300 millions d'années (avant les dinosaures). Pendant des millions d'années, cette végétation a été enfouie sous l'eau et la terre (il y a 100 millions d'années). Finalement, la chaleur et la pression ont transformé les plantes mortes en charbon, que l'on trouve sous des couches de roche et de terre. Image tirée du projet national de développement de l'éducation énergétique de l'Administration américaine de l'information sur l'énergie (domaine public).

Il existe plusieurs types de charbon dont la qualité varie (figure\(\PageIndex{b}\)). Plus le charbon subit de chaleur et de pression au cours de sa formation, plus sa valeur combustible est élevée et plus le charbon est désirable. La séquence générale de transformation d'un marécage en différents stades de production de charbon est la suivante :

Marais → Tourbe → Lignite → Charbon subbitumineux → Charbon bitumineux → Charbon anthracitique → Graphite

Figure\(\PageIndex{b}\) : Le classement du charbon dépend du contenu énergétique, mesuré en tant que pouvoir calorifique brut (quantité d'énergie libérée par la combustion) et de la teneur en carbone pouvant être brûlé (pourcentage de carbone fixe). Le charbon anthracitique (orange) est le charbon de la plus haute qualité, à haute teneur en énergie et en carbone. Viennent ensuite le charbon bitumineux (gris), le charbon subbitumineux (vert) et le lignite (jaune). Les trois ont une teneur en carbone inférieure à celle du charbon anthracitique. Le charbon bitumineux conserve un contenu énergétique élevé, mais le charbon subbitmineux et le lignite ont un contenu énergétique plus faible. Image de l'USGS (domaine public).

Plus précisément, la tourbe se compacte pour former de la roche solide par un processus appelé lithification, produisant du lignite (charbon brun, une forme de charbon de faible qualité). Avec l'augmentation de la chaleur et de la pression, le lignite se transforme en charbon subbitumineux et en charbon bitumineux. Le lignite, le charbon subbitumineux et le charbon bitumineux sont considérés comme des roches sédimentaires parce qu'ils proviennent de sédiments compactés. À très haute température et pression, le charbon bitumineux est transformé en anthracite, un charbon de haute qualité qui est le charbon le plus recherché car il fournit la plus grande production d'énergie (figure\(\PageIndex{c}\)). L'anthracite est considérée comme une roche métamorphique parce qu'elle a été compactée et transformée au point qu'elle est plus dense que les autres formes de charbon et qu'elle ne contient plus de couches de sédiments en forme de feuille. Avec encore plus de chaleur et de pression qui évacue tous les composants qui s'évaporent facilement et laissent du carbone pur, l'anthracite peut se transformer en graphite.

Figure\(\PageIndex{c}\) : Charbon anthracitique, la plus haute qualité de charbon.

Pétrole et gaz

Pétrole et gaz naturel formés à partir d'un ancien microorganisme marin (plancton). Lorsque le plancton est mort, il a été enfoui dans les sédiments. Comme dans le cas du charbon, les conditions pauvres en oxygène ont limité la décomposition. Au fur et à mesure que les sédiments continuaient de s'accumuler, les organismes morts étaient encore enterrés. Des températures et des pressions élevées pendant des millions d'années ont fini par produire du pétrole et du gaz naturel à partir de ces organismes morts.

Figure\(\PageIndex{d}\) : Le pétrole (pétrole) et le gaz naturel se sont formés à partir de microorganismes marins. (Le texte de l'image mentionne de minuscules plantes marines, mais il s'agissait principalement d'algues et de bactéries photosynthétiques plutôt que de plantes.) Ils étaient recouverts de couches de limon et de sable il y a 300 à 400 millions d'années. Pendant des millions d'années, les restes ont été enterrés de plus en plus profondément. Ils ont été photographiés il y a 100 millions d'années. La chaleur et la pression énormes ont transformé les restes en pétrole et en gaz naturel. Aujourd'hui, les gisements de pétrole et de gaz naturel se trouvent sous terre et peuvent être extraits par forage à travers les couches de sable, de limon et de roche. Image tirée du projet national de développement de l'éducation énergétique de l'Administration américaine de l'information sur l'énergie (domaine public).

Au fur et à mesure que la roche se forme à partir des sédiments qui ont initialement piégé le plancton, le pétrole et le gaz s'échappent de la roche mère en raison de l'augmentation de la pression et de la température, et migrent vers une autre unité rocheuse située plus haut dans la colonne rocheuse. Si la roche est une roche poreuse et perméable, elle peut servir de réservoir pour le pétrole et le gaz. Le pétrole se trouve généralement entre 1,6 et 3,2 km sous la surface de la Terre, que ce soit sur terre ou dans l'océan.

Un piège est une combinaison d'une structure géologique souterraine et d'une couche imperméable qui aide à bloquer le mouvement du pétrole et du gaz et à les concentrer en vue de leur extraction ultérieure par l'homme. Les pièges regroupent les combustibles fossiles fluides dans une configuration dans laquelle l'extraction est plus susceptible d'être rentable, et ces combustibles fossiles sont appelés pétrole et gaz naturel classiques (figure\(\PageIndex{e}\)). L'extraction du pétrole ou du gaz hors d'un piège (pétrole et gaz naturel non conventionnels) est moins efficace et plus coûteuse ; parfois, elle n'est pas du tout rentable (elle ne produit aucun bénéfice). Parmi les combustibles fossiles non classiques, citons le schiste bitumineux, le pétrole et le gaz des réservoirs étanches, les sables bitumineux (sables bitumineux) et le méthane de houille.

Figure\(\PageIndex{e}\) : Des gisements de pétrole et de gaz naturel classiques sont piégés sous des roches imperméables (gris). Le gaz naturel classique peut être associé au pétrole ou non associé. Le méthane de houille et les gaz de réservoirs étanches que l'on trouve dans le schiste et le grès sont des exemples de combustibles fossiles non conventionnels. Image de l'USGS/EIA (domaine public)

Schiste bitumineux

Le schiste bitumineux est une roche sédimentaire à grains fins qui contient parfois du kérogène, une matière solide à partir de laquelle les produits pétroliers peuvent finalement être fabriqués. Pour extraire les combustibles fossiles, le matériau doit être extrait et chauffé, ce qui est coûteux et a généralement un impact négatif sur l'environnement.

Pétrole et gaz naturel étanches

Le pétrole et le gaz naturel de réservoirs étanches sont également piégés dans les roches de schiste, des roches sédimentaires à grains fins présentant une porosité relativement élevée et une faible perméabilité. Ils se distinguent du schiste bitumineux en ce sens qu'ils peuvent être extraits par un processus appelé fracturation hydraulique (fracturation).

De même, la fracturation peut être utilisée pour extraire du gaz naturel de sables étanches, qui sont des grès ou des carbonates à grain fin contenant du gaz (roches constituées de minéraux contenant du carbonate, CO ₃ ^{2 -}) à faible perméabilité.

sables bitumineux

Les sables bitumineux, ou sables bitumineux, sont des grès qui contiennent des produits pétroliers très visqueux (comme le goudron) et ne peuvent donc pas être forés ni pompés hors du sol, contrairement au pétrole conventionnel (figure\(\PageIndex{f}\)). Le combustible fossile en question est le bitume, qui ne peut être pompé sous forme de fluide qu'à des taux de récupération très faibles et uniquement lorsqu'il est chauffé ou mélangé à des solvants. Ainsi, des injections de vapeur et de solvant ou l'extraction des sables bitumineux pour un traitement ultérieur peuvent être utilisées pour extraire le goudron des sables. (Voir les informations connexes sur l'extraction à ciel ouvert en ce qui concerne le charbon dans l'extraction, le traitement et la production d'électricité.) L'Alberta, au Canada, est connue pour posséder les plus grandes réserves de sables bitumineux au monde.

Figure\(\PageIndex{f}\) : Grès bitumineux de la formation de Monterrey, au Miocène, en Californie.

Méthane de houille

On trouve également du gaz naturel associé à des gisements de charbon (méthane de houille), composé de méthane produit lors de la formation du charbon.

Attribution

Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :

• Défis et impacts de la consommation d'énergie et des sources d'énergie non renouvelables issus de la biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)
• Combustibles fossiles tirés d'une introduction à la géologie par Chris Johnson et al. (sous licence CC-BY-NC-SA)
• Gaz de schiste 101. Bureau de l'énergie fossile. Département de l'Énergie des États-Unis. Consulté le 01/12/2021. (domaine public)
• Le processus de production de gaz naturel non conventionnel. 2021. Agence de protection de l'environnement des États-Unis. Consulté le 01/12/2021. (domaine public)