Skip to main content
Global

16.2 : Extraction, traitement et production d'électricité

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    167804

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Les combustibles fossiles doivent être extraits ou extraits avant d'être utilisés, et la méthode spécifique dépend du type de combustible fossile. Le charbon et le gaz naturel sont principalement utilisés pour la production d'électricité, tandis que le pétrole est raffiné pour produire du carburant pour les véhicules, les avions, le chauffage et d'autres produits.

    Charbon

    Exploitation

    Le charbon est extrait par deux méthodes principales, dont il existe de nombreuses variantes : l'extraction à ciel ouvert ou l'extraction souterraine. Les mines à ciel ouvert utilisent de grosses machines pour enlever le sol et les couches rocheuses appelées morts-terrains afin d'exposer les filons de charbon situés près de la surface de la Terre (figure\(\PageIndex{a}\)). L'extraction à ciel ouvert est un type d'exploitation à ciel ouvert dans le cadre duquel les morts-terrains sont retirés de manière séquentielle de chaque étendue (bande) de terrain. Une fois que les morts-terrains sont retirés de la première bande, le charbon est retiré. Les morts-terrains de la deuxième bande sont ensuite déposés dans la première bande, et le charbon est retiré de la seconde bande. Les morts-terrains de la troisième bande sont ensuite placés dans la première bande, et ainsi de suite. L'extraction du sommet des montagnes est un type d'extraction à ciel ouvert plus destructeur dans lequel tous les morts-terrains sont enlevés à l'aide d'explosifs, révélant ainsi la totalité de la couche de charbon en une seule fois (figure\(\PageIndex{b}\)). La grande masse de morts-terrains (le sommet de la montagne) est déversée dans une vallée voisine, où le charbon est retiré.

    Une grosse machine à charbon jaune, qui se présente sous la forme d'une poudre noire contenant de plus grosses touffes noires
    Figure\(\PageIndex{a}\) : Extraction de charbon à ciel ouvert dans le Wyoming. Image du Bureau of Land Management (domaine public).
    Le contour de l'ancien contour d'une montagne. Des morts-terrains ont été déversés dans une vallée adjacente pour révéler la présence d'un filon de charbon.Le paysage aride et aplati d'un site de démolition au sommet d'une montagne
    Figure\(\PageIndex{b}\) : Gauche : L'enlèvement du sommet d'une montagne utilise des explosifs pour déblayer les morts-terrains au sommet d'une montagne, qui sont ensuite déplacés vers une vallée voisine (remblai de vallée). Le filon de charbon sous-jacent est ensuite extrait. Un bassin de sédiments recueille le sol érodé du remblai de la vallée. Image de l'EPA (domaine public). À droite : Un site d'enlèvement au sommet d'une montagne. Image de JW Randolph (domaine public)

    L'exploitation minière souterraine (extraction en profondeur) utilise des tunnels souterrains pour accéder à des gisements plus profonds (figure\(\PageIndex{c}\)). Certaines mines souterraines ont des milliers de mètres de profondeur et s'étendent sur des kilomètres. Les mineurs empruntent des ascenseurs qui descendent des puits de mine profonds et empruntent de petits trains dans de longs tunnels pour atteindre le charbon. Les mineurs utilisent de grosses machines qui extraient le charbon. Dans les mines dérivantes, un tunnel est creusé horizontalement sur le flanc d'une montagne. Dans les mines à pente, ce tunnel est en diagonale. Dans les mines à puits, des ascenseurs sont utilisés pour déplacer le charbon dans des tunnels verticaux.

    Section de terrain révélant des cages d'ascenseur et des tunnels horizontaux et diagonaux permettant d'accéder au charbon. Des installations et des tas de charbon extrait sont à la surface.
    Figure\(\PageIndex{c}\) : L'exploitation minière souterraine consiste à creuser des tunnels pour accéder à des gisements de charbon situés profondément sous terre. Image du projet national de développement de l'éducation énergétique/EIA (domaine public)

    Traitement du charbon

    Une fois extrait, le charbon peut être acheminé vers une usine de préparation située à proximité du site minier où il est nettoyé et traité pour éliminer les impuretés telles que les roches et la saleté, les cendres, le soufre et d'autres matières indésirables. Ce processus augmente la quantité d'énergie pouvant être obtenue à partir d'une unité de charbon, connue sous le nom de pouvoir calorifique.

    Transport de charbon

    Enfin, le charbon extrait et traité doit être transporté. Le transport peut coûter plus cher que l'extraction du charbon. Près de 70 % du charbon livré aux États-Unis est transporté, pendant au moins une partie de son trajet, par train (figure\(\PageIndex{e}\)). Le charbon peut également être transporté par barge, par bateau ou par camion. Le charbon peut également être concassé, mélangé à de l'eau et envoyé par un pipeline à lisier. Parfois, des centrales électriques alimentées au charbon sont construites à proximité de mines de charbon afin de réduire les coûts de transport.

    Wagons d'un train rempli de charbon sous forme de morceaux noirs
    Figure\(\PageIndex{e}\) : Un train de marchandises chargé de briquettes de charbon, formées à partir de poussière de charbon comprimée, à Morwell, dans l'État de Victoria, en Australie. Image et légende (modifiées) par le CSIRO (CC-BY).

    Production d'électricité à partir du charbon

    Une fois arrivé à la centrale, le charbon est d'abord pulvérisé en une fine poudre, puis mélangé à de l'air chaud et soufflé dans un four (figure\(\PageIndex{f}\)). Cela permet une combustion (combustion) la plus complète et un dégagement de chaleur maximal. L'eau purifiée, pompée par des tuyaux à l'intérieur d'une chaudière, est transformée en vapeur par la chaleur de la combustion du charbon. La pression élevée de la vapeur qui pousse contre une série de pales de turbine géantes fait tourner l'arbre de la turbine. L'arbre de la turbine est relié à l'arbre du générateur, où les aimants tournent dans des bobines de fil pour produire de l'électricité. Après avoir effectué son travail dans la turbine, la vapeur est aspirée dans un condenseur, une grande chambre située au sous-sol de la centrale. Au cours de cette étape importante, des millions de gallons d'eau fraîche provenant d'une source proche (telle qu'une rivière ou un lac) sont pompés à travers un réseau de tubes traversant le condenseur. L'eau froide contenue dans les tubes retransforme la vapeur en eau qui peut être réutilisée à de nombreuses reprises dans l'usine. L'eau de refroidissement est renvoyée à sa source sans aucune contamination, sauf à une température plus élevée que lors de son extraction initiale de la rivière ou du lac.

    Fumée dégagée par une centrale au charbon brun sur une collineLa section d'une centrale au charbon montre la combustion du charbon dans un four, produisant de la vapeur, qui fait tourner une turbine pour produire de l'électricité.
    Figure\(\PageIndex{f}\) : Gauche : centrale au charbon de Helper, dans l'Utah. À droite : Schéma d'une centrale au charbon à cycle à vapeur typique (de gauche à droite). Le charbon entre dans la chaudière (four), où il est brûlé. Cela fait bouillir de l'eau et produit de la vapeur. La vapeur fait tourner une turbine qui alimente un générateur. L'électricité qui en résulte passe par un transformateur (qui modifie la tension) puis est envoyée par des lignes de transmission. La vapeur se refroidit et se condense à nouveau en eau liquide dans le condenseur. Ceci est facilité par le refroidissement de l'eau d'une rivière voisine. Bonne image par la Tennessee Valley Authority (domaine public).

    Cette vidéo montre comment l'énergie thermique peut être utilisée pour produire de l'électricité.

     

    Pétrole et gaz naturel

    Extraction de pétrole et de gaz naturel classiques

    Le pétrole et le gaz naturel classiques sont contenus dans un piège (roche de couverture). Comme le gaz naturel est constitué de molécules plus légères qui se présentent sous forme gazeuse à des températures modérées, il se trouve au-dessus du pétrole, qui peut flotter sur les eaux souterraines. Pour accéder au pétrole et au gaz naturel classiques, le piège est d'abord percé. Au départ, ils sont soumis à une pression suffisamment élevée, ce qui les pousse hors du puits (récupération primaire). Ensuite, de l'eau (ou du gaz) est injectée pour expulser davantage de combustibles fossiles (récupération secondaire). Enfin, la récupération assistée du pétrole (récupération tertiaire) peut être utilisée pour extraire davantage de pétrole en appliquant de la chaleur (injection de vapeur) ou en injectant du dioxyde de carbone, d'autres gaz ou des molécules plus grosses. Par exemple, le dioxyde de carbone provoque l'amincissement et l'expansion du pétrole, ce qui facilite son élimination des roches. Notez que la récupération secondaire augmente simplement la pression à l'intérieur du réservoir alors que la récupération tertiaire modifie les propriétés du pétrole, ce qui facilite son extraction (figure\(\PageIndex{g}\)). Chaque étape de récupération est de plus en plus coûteuse et l'extraction à partir d'un puits se poursuit tant qu'elle reste rentable.

    Puits d'injection pour l'évacuation de l'eau et pour améliorer la récupération du pétrole Le pétrole remonte dans un puits de production.
    Figure\(\PageIndex{g}\) : Les puits d'injection transfèrent de l'eau, du dioxyde de carbone ou d'autres substances vers un gisement de pétrole, augmentent la pression ou modifient les propriétés du pétrole, facilitant ainsi l'extraction. Sur la droite se trouve le puits de production, à travers lequel s'écoule le pétrole extrait. Ceci est facilité par un puits d'injection pour une meilleure récupération. Sur la gauche se trouve un puits d'injection destiné à être éliminé. Les eaux usées (eau produite) sont stockées sous terre. Plusieurs formations de confinement retiennent les substances sous terre. Plus près du sommet se trouve la base des sources souterraines d'eau potable, ce qui signifie que toute l'eau potable est extraite d'au-dessus de ce point. Image du Government Accountability Office (domaine public).

    Le pétrole est principalement obtenu par le forage sur terre (à terre) ou dans l'océan (en mer). Les premiers forages en mer étaient généralement limités aux zones où la profondeur de l'eau était inférieure à 300 pieds. Les appareils de forage de pétrole et de gaz naturel fonctionnent désormais dans des eaux d'une profondeur pouvant atteindre trois kilomètres. Les plateformes flottantes sont utilisées pour le forage en eaux plus profondes (figure\(\PageIndex{h}\)). Ces navires autopropulsés sont fixés au fond de l'océan à l'aide de gros câbles et d'ancres. Des puits sont forés à partir de ces plateformes qui sont également utilisées pour abaisser les équipements de production au fond de l'océan. Certaines plateformes de forage reposent sur des pieds en forme d'échasses qui sont encastrés dans le fond de l'océan. Ces plateformes contiennent tous les équipements de forage nécessaires ainsi que des logements et des zones de stockage pour les équipes de travail. La production offshore coûte beaucoup plus cher que la production terrestre.

    Quatre piliers rouges soutiennent une plate-forme émergeant de l'océan et soutenant le forage en mer
    Figure\(\PageIndex{h}\) : Une plateforme pour le forage pétrolier en mer. Image de Pixabay/KeridJackson (licence Pixabay).

    Extraction de pétrole et de gaz naturel non classiques

    Le pétrole de réservoirs étanches et le gaz naturel piégés dans le schiste ainsi que le gaz naturel contenu dans les sables étanches sont extraits par fracturation hydraulique, appelée « fracturation » de manière informelle. Ce procédé utilise des explosifs pour créer de nouvelles fractures dans ces roches à faible perméabilité, augmenter la taille, l'étendue et la connectivité des fractures existantes, puis appliquer un fluide à haute pression. Tout d'abord, un foret traverse les couches rocheuses, puis se déplace horizontalement. Les explosifs fracturent ensuite les roches, libérant du pétrole et du gaz naturel. Enfin, de l'eau, du sable et des produits chimiques injectés, qui éliminent le pétrole et le gaz naturel (figure\(\PageIndex{i}\)).

    Section de la Terre montrant la relation entre la fracturation, l'activité sismique et les eaux souterraines dans des aquifères profonds et peu profonds.Section de la Terre comportant cinq étapes du processus de fracturation
    Figure\(\PageIndex{i}\) : Deux schémas de fracturation. L'eau est mélangée à du sable et à des produits chimiques, puis injectée dans du schiste pour piéger du pétrole étanche et du gaz naturel ou du sable étanche. Cela évacue les combustibles fossiles des fissures qui étaient auparavant créées par les explosifs. En haut : Cette section montre quatre couches souterraines. De haut en bas, il s'agit de l'aquifère peu profond, de l'aquiclude (couche imperméable), de l'aquifère profond et d'un autre aquiclude. Le fluide de fracturation est injecté sous terre à travers un puits entouré d'un tubage dans la formation gazéifiée. Du méthane (flèches rouges) pourrait s'échapper des fractures hydrauliques de cette formation. De plus, lorsque les fractures croisent une faille préexistante, une sismicité induite (tremblements de terre) est possible. En surface, le fluide de fracturation est stocké dans des bassins d'eaux usées. Les flèches bleues et les points d'interrogation indiquent les endroits où des eaux usées toxiques peuvent s'échapper et contaminer les eaux souterraines, par exemple à partir de conteneurs de stockage, de bassins d'eaux usées, de caissons En bas : Un traitement et une élimination appropriés des eaux usées sont nécessaires pour limiter l'impact environnemental. 1 : L'eau est acquise. 2 : Les produits chimiques sont mélangés. 3 : Le fluide de fracturation est injecté dans le puits. Ici, le gaz naturel s'écoule des fissures vers le puits. 4 : La fracturation entraîne un reflux et produit de l'eau (eaux usées). 5 : Les eaux usées sont traitées et éliminées. Image du bas par l'USGS (domaine public).

    Comme mentionné précédemment, le bitume contenu dans les sables bitumineux peut être extrait par injection de vapeur ou extrait pour un traitement ultérieur. Les sables bitumineux peuvent être extraits par extraction à ciel ouvert ou extraction à ciel ouvert, un type d'extraction à ciel ouvert qui consiste à creuser un trou de plus en plus profond. Les parois de la fosse sont aussi raides que l'on peut gérer en toute sécurité. Un mur abrupt signifie qu'il y a moins de morts-terrains à éliminer et constitue un équilibre technique entre une exploitation minière efficace et un gaspillage de masse. Le schiste bitumineux est extrait par extraction à ciel ouvert, par la création de mines souterraines ou par extraction à ciel ouvert. Le schiste bitumineux peut être brûlé directement comme du charbon ou cuit au four en présence d'hydrogène pour extraire du pétrole liquide (figure\(\PageIndex{j}\)).

    L'équipement souterrain jaune collecte le schiste bitumineux. Les couches rocheuses de l'arrière-plan sont superposées.
    Figure\(\PageIndex{j}\) : Extraction souterraine de schiste bitumineux en Estonie.

    raffinage du pétrole brut

    Le résultat de la récupération du pétrole est le pétrole brut (pétrole), qui contient de nombreux types d'hydrocarbures ainsi que certaines substances indésirables telles que le soufre, l'azote, l'oxygène, les métaux dissous et l'eau, le tout mélangé. Le pétrole brut non traité n'est donc généralement pas utile dans les applications industrielles et doit d'abord être séparé en différents produits utilisables (produits pétrochimiques) dans une raffinerie. L'essence (essence), le diesel, le goudron et l'asphalte sont des exemples de produits pétrochimiques.

    La distillation fractionnée est le principal procédé utilisé dans les raffineries de pétrole pour séparer les composants du pétrole brut. Lors de la distillation fractionnée, le pétrole brut est chauffé puis laissé refroidir. Les composés les plus lourds s'enfoncent au fond sous forme de résidus. Les composants du pétrole brut vaporisé se condensent à différents niveaux dans la colonne de distillation en fonction de leur point d'ébullition, principalement en raison de leur taille moléculaire. Les composés les plus lourds (se condensent) près du bas de la colonne, où la température est encore élevée. Les composés plus légers se condensent à des températures plus froides, plus haut dans la colonne. Certains composés restent sous forme de gaz en haut de la colonne (figure\(\PageIndex{k}\)).

    Une colonne de distillation montre les produits pétrochimiques séparés par point d'ébullition
    Figure\(\PageIndex{k}\) : Le processus de distillation fractionnée consiste à chauffer le pétrole brut et à laisser les composants refroidir. Au fur et à mesure qu'ils remontent dans la colonne de distillation, ils se condensent à différents niveaux en fonction de leur point d'ébullition. Les composés les plus lourds ont les points d'ébullition les plus élevés et se condensent au bas de la colonne tandis que les composés plus légers (point d'ébullition bas) se condensent au sommet. Du point d'ébullition le plus bas au point d'ébullition le plus élevé, les produits pétrochimiques produits sont le mazout résiduel (1050 °F), le gazole lourd (650 à 1050 °F), le diesel et le mazout de chauffage (450 à 650 °F), le kérosène et le carburéacteur (350 à 450 °F), le naphta (utilisé pour fabriquer de l'essence, des solvants, des solutions de nettoyage, etc. ; 185 à 350 °F), des composants de mélange d'essence (85- 185 °F), ainsi que du butane et des produits plus légers (< 85 °F). Image de l'Energy Information Administration des États-Unis (domaine public).

    La vidéo ci-dessous explique le processus de distillation fractionnée. La colonne de distillation étiquetée à 3 heures montre du pétrole brut chauffé (400 °C) se séparant en divers produits pétrochimiques. De bas en haut, il s'agit du bitume (> 350 °C), du diesel (250-350 °C), du kérosène (160-250 °C), du naphta (70-160 °C), de l'essence (20-70 °C) et du gaz (< 20 °C).

    La conversion est le traitement chimique au cours duquel certaines des fractions (produites par distillation fractionnée) sont transformées en d'autres produits. Par exemple, une raffinerie peut transformer le diesel en essence en fonction de la demande d'essence. La conversion peut impliquer la rupture de grandes chaînes d'hydrocarbures en chaînes plus petites (craquage), la combinaison de chaînes plus petites en chaînes plus grandes (unification) ou la réorganisation des molécules pour créer les produits souhaités (altération).

    Les fractions sont traitées pour éliminer les impuretés telles que le soufre, l'azote et l'eau, entre autres. Les raffineries combinent également les différentes fractions (transformées et non transformées) en mélanges pour obtenir les produits souhaités. Par exemple, différents mélanges de chaînes d'hydrocarbures peuvent créer des essences avec différents indices d'octane, avec et sans additifs, des huiles lubrifiantes de différents poids et qualités (WD-40, 10W-40, 5W-30, etc.), du mazout de chauffage et bien d'autres. Les produits sont stockés sur place jusqu'à ce qu'ils puissent être livrés à différents marchés tels que les stations-service, les aéroports et les usines chimiques.

    Un baril de pétrole brut de 42 gallons américains produit environ 45 gallons de produits pétroliers grâce aux gains de traitement des raffineries (figure\(\PageIndex{l}\)). Cette augmentation de volume est similaire à ce qui arrive au pop-corn lorsqu'il est soufflé. L'essence constitue la plus grande partie de tous les produits pétroliers obtenus. Les autres produits incluent le carburant diesel et le mazout de chauffage, le carburéacteur, les matières premières pétrochimiques (pour la fabrication de plastiques, de caoutchouc synthétique ou d'autres produits chimiques), les cires, les huiles lubrifiantes et l'asphalte.

    Des bandes colorées remplissant un baril de pétrole sont redimensionnées pour représenter les gallons de chaque produit fabriqué à partir de celui-ci.
    Figure\(\PageIndex{l}\) : Principaux produits (mesurés en gallons) fabriqués à partir d'un baril de pétrole brut en 2019. Il s'agit notamment du mazout résiduel (0,9 gallon), des hydrocarbures gazeux (1,5), d'autres produits (6,0), du carburéacteur (4,4), du distillat (12,5) et de l'essence (19,4). Remarque : Un baril de pétrole brut de 42 gallons (États-Unis) produit environ 45 gallons de produits pétroliers en raison des gains de traitement de la raffinerie. La somme des quantités de produit sur l'image peut ne pas être égale à 45 en raison de l'arrondissement indépendant. Image de l'EIA (domaine public).

    Transport de pétrole et de gaz naturel

    Après la raffinerie, l'essence et les autres carburants produits sont prêts à être distribués pour être utilisés. Un réseau de pipelines traverse les États-Unis pour transporter du pétrole et des combustibles d'un endroit à un autre. Il existe des oléoducs qui transportent le pétrole brut du puits jusqu'à la raffinerie. À la raffinerie, des gazoducs supplémentaires transportent le produit fini vers divers terminaux de stockage où il peut ensuite être chargé sur des camions pour être livré, par exemple vers une station-service.

    Une fois que le gaz naturel est produit à partir de formations rocheuses souterraines, il est acheminé par gazoducs vers des installations de stockage, puis vers l'utilisateur final. Les États-Unis disposent d'un vaste réseau de gazoducs qui transporte du gaz à destination et en provenance de presque n'importe quel endroit des 48 États inférieurs. Il existe plus de 210 réseaux de gazoducs, utilisant plus de 300 000 miles de gazoducs interétatiques et intra-étatiques (figure\(\PageIndex{m}\)). Stations de compression qui maintiennent la pression sur le gaz naturel afin de le maintenir en mouvement dans le système. Il existe plus de 400 installations souterraines de stockage de gaz naturel qui peuvent contenir le gaz jusqu'à ce qu'il soit réintégré dans le système pour la livraison.

    Le sol est déplacé et un tube épais bleu pâle (le Dakota Access Pipeline) est assemblé.
    Figure\(\PageIndex{m}\) : Construction du controversé Dakota Access Pipeline, qui s'étend du Dakota du Nord à l'Illinois. La partie illustrée du pipeline se trouve dans le centre de l'Iowa. Pour en savoir plus sur les manifestations de 2016 contre ce pipeline, cliquez ici. Photo prise par Dakota Access Pipe Line (CC-BY).

    Production d'électricité à partir du pétrole ou du gaz naturel

    Le gaz naturel est brûlé pour produire de l'électricité selon le même processus général que celui utilisé dans une centrale au charbon (figure\(\PageIndex{n}\)). Le pétrole est également utilisé occasionnellement pour produire de l'électricité.

    Une chambre de combustion et une turbine. Des conduites de pétrole et de gaz naturel alimentent la chambre de combustion.
    Figure\(\PageIndex{n}\) : Cette chambre de combustion brûle du gaz naturel ou du pétrole. Le carburant circule dans une conduite de gaz naturel ou depuis le stockage du pétrole jusqu'à la chambre de combustion. L'air passe par l'entrée d'air et est comprimé dans le compresseur. Le gaz naturel et l'air comprimé sont mélangés à de l'air comprimé dans la chambre de combustion et brûlés. Les gaz de combustion à haute pression font tourner la turbine qui entraîne le générateur. Le courant électrique résultant passe ensuite à travers un transformateur, qui modifie la tension. Image et légende (modifiées) par la Tennessee Valley Authority (domaine public).

    Attribution

    Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :