16.4 : Conséquences des combustibles fossiles

Avantages de l'utilisation de combustibles fossiles

Le monde est fortement tributaire des combustibles fossiles, et les infrastructures et technologies existantes facilitent leur utilisation continue. L'un des avantages de l'utilisation du charbon pour l'électricité est qu'il est abondant et peu coûteux, en particulier aux États-Unis, qui possèdent des réserves de charbon plus importantes que tout autre pays. En outre, l'extraction du charbon est une source d'emplois et de recettes fiscales. L'avantage économique du charbon s'amenuise toutefois à mesure que les technologies associées aux sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie solaire et éolienne, deviennent plus efficaces et moins coûteuses. L'Energy Information Administration des États-Unis a comparé le coût nivelé de l'électricité (LCOE) pour les technologies qui commenceront à être utilisées en 2023, et le coût de l'électricité produite au charbon a dépassé celui de nombreuses sources renouvelables (figure\(\PageIndex{a}\)). Le LCOE prend en compte les coûts de construction et d'exploitation des centrales électriques, des panneaux solaires, des éoliennes, etc.

Figure\(\PageIndex{a}\) : Le coût nivelé de l'électricité (LCOE) pour différentes sources d'énergie. Parmi celles-ci, l'hydroélectricité, la géothermie, le gaz naturel, l'énergie éolienne à terre et en mer, l'énergie solaire et la biomasse sont considérées comme renouvelables. Le nucléaire et le charbon sont des sources d'énergie non renouvelables. Les valeurs sont exprimées en dollars de 2018 par mégawattheure ($/MWh). À titre de référence, le ménage américain moyen consomme environ 0,909 MWh d'électricité par mois. Ces valeurs concernent les technologies les plus récentes qui seront utilisées en 2023. L'énergie hydroélectrique est la moins chère, à environ 39 $/MWh. L'énergie hydroélectrique est la moins chère, à environ 39 $/MWh. Viennent ensuite la géothermie (41 $/MWh), le gaz naturel (41 $/MWh), l'éolien terrestre (56 $/MWh), le solaire (60 $/MWh), le nucléaire (78 $/MWh), la biomasse (92 $/MWh), le charbon (99 $/MWh) et l'éolien offshore (130 $/MWh). Graphique de Melissa Ha (CC-BY-NC) utilisant les données de l'Administration américaine de l'information sur l'énergie, Perspectives énergétiques annuelles 2019 (domaine public).

Le pétrole et le gaz naturel continuent de répondre aux besoins énergétiques mondiaux. Malgré l'expansion de l'utilisation des énergies renouvelables, aucune source d'énergie alternative n'est actuellement suffisante pour remplacer le pétrole et le gaz naturel. (Une combinaison de différentes sources renouvelables pourrait être possible à l'avenir.) Bien que les États-Unis dépendent du pétrole importé, ils continuent de produire du pétrole et du gaz naturel (principalement par fracturation hydraulique), renforçant ainsi l'indépendance énergétique des États-Unis. L'économie locale et nationale des régions riches en pétrole et en réserves naturelles dépend de l'extraction continue de ces combustibles fossiles.

Alors que tous les dommages causés par les combustibles fossiles entraînent un certain degré de dommages environnementaux, le gaz naturel est un combustible fossile préféré pour la production d'électricité si l'on considère ses impacts environnementaux. Lorsqu'il est brûlé, le charbon émet presque deux fois plus de dioxyde de carbone que le gaz naturel. De plus, la combustion du gaz naturel produit beaucoup moins d'oxydes d'azote et de dioxyde de soufre (deux polluants atmosphériques). Il ne produit pas non plus de cendres comme le charbon (voir ci-dessous).

Impacts sanitaires et environnementaux

Les impacts négatifs de l'utilisation des combustibles fossiles commencent par l'extraction de la ressource. Les combustibles fossiles sont souvent situés loin de l'endroit où ils sont utilisés et doivent donc être transportés par pipeline, par camions-citernes, par train ou par camion. Tous ces éléments présentent un risque d'accidents, de fuites et de déversements. Des impacts négatifs supplémentaires sont associés au traitement, à la production d'électricité et à l'élimination des déchets produits.

Extraction et utilisation du charbon

L'extraction du charbon à ciel ouvert perturbe les écosystèmes locaux situés au-dessus des gisements de charbon, car des morts-terrains sont retirés pour y accéder (figure\(\PageIndex{b}\)). Lors de l'élimination du sommet des montagnes, un grand volume de morts-terrains est déversé sur les habitats voisins, provoquant de nouvelles destructions (figure\(\PageIndex{c}\)). L'élimination du sommet des montagnes a touché de vastes zones des Appalaches en Virginie occidentale et au Kentucky. La perte d'habitat due à l'extraction du charbon réduit la biodiversité, entraînant une perte de services écosystémiques. L'exploitation minière de surface et souterraine expose des roches qui peuvent contenir des contaminants, tels que des métaux lourds ou des sulfates, qu'elles lessivent dans les cours d'eau ou d'autres plans d'eau. Cela nuit non seulement à la vie aquatique, mais perturbe également le cycle des nutriments. L'un des impacts environnementaux les plus importants de l'exploitation minière souterraine est peut-être le méthane qui doit être évacué des mines pour en faire un lieu de travail sûr. Le méthane est un puissant gaz à effet de serre qui contribue au changement climatique. Enfin, le processus d'extraction finit par compacter le sol. Ceci, combiné à la perte d'arbres, qui ralentit le flux de ruissellement et favorise l'infiltration, augmente le risque d'inondation.

Figure\(\PageIndex{b}\) : Peak Downs et la mine de charbon de Saraji dans le Queensland, en Australie. Pour accéder au charbon, la végétation a été enlevée, détruisant ainsi l'habitat des organismes indigènes. Photo prise par Lock the Gate Alliance (CC-BY).

Figure\(\PageIndex{c}\) : Extraction de charbon au sommet d'une montagne dans le comté de Martin, Kentucky Une photographie montre l'extraction du charbon au sommet d'une montagne dans le comté de Martin, au Kentucky Source : Flashdark.

Les mineurs de charbon sont confrontés à des risques sanitaires tels que les explosions, l'effondrement des mines et l'exposition à des vapeurs toxiques. La maladie pulmonaire noire est une affection respiratoire caractérisée par une toux et un essoufflement qui survient chez les mineurs exposés à une trop grande quantité de poussière de charbon. Les habitants à proximité des mines risquent également d'être exposés à la poussière de charbon et aux toxines souterraines à la suite En raison de l'exposition à des toxines, des malformations congénitales et d'autres problèmes de santé sont courants chez les habitants vivant à proximité des mines.

Le charbon est considéré comme la source d'énergie la plus « sale » car c'est sa combustion qui pollue le plus l'air. Les centrales au charbon émettent divers polluants atmosphériques, notamment du dioxyde de soufre, de l'oxyde d'azote et des métaux lourds. Le dioxyde de soufre et l'oxyde d'azote sont des sources de pluies acides (dépôts acides), de smog et de problèmes de santé. Les métaux lourds provoquent des problèmes neurologiques et développementaux chez les humains et les autres animaux. La combustion du charbon émet des particules et des quantités de dioxyde de carbone par unité d'énergie plus élevées que l'utilisation du pétrole ou du gaz naturel. Le dioxyde de carbone est le gaz à effet de serre le plus fréquemment émis et provoque le changement climatique. En 2018, la production d'électricité était responsable de 27 % des émissions de gaz à effet de serre aux États-Unis, dont une grande partie provenait des centrales au charbon. Le transport du charbon repose généralement sur des combustibles fossiles, ce qui entraîne une pollution supplémentaire.

Les cendres (y compris les cendres volantes et les cendres résiduelles) sont des résidus créés lors de la combustion du charbon dans les centrales électriques. Dans le passé, les cendres volantes étaient rejetées dans l'air par la cheminée, où elles contribuaient à la pollution atmosphérique par les particules. Les lois exigent désormais qu'une grande partie des cendres volantes soit capturée par des dispositifs antipollution, tels que des épurateurs. Aux États-Unis, les cendres volantes sont généralement stockées dans des centrales au charbon ou placées dans des décharges. Les cendres provenant du stockage ou des décharges peuvent se répandre ou s'infiltrer dans les eaux souterraines, entraînant une pollution de l'eau.

Extraction classique de pétrole et de gaz naturel

L'exploration et le forage de pétrole dégradent les habitats terrestres et océaniques. Sur terre, de vastes infrastructures telles que des réseaux routiers, des canalisations de transport et des logements pour les travailleurs sont nécessaires pour soutenir une opération de forage à grande échelle. Ils peuvent polluer le sol et l'eau, fragmenter les habitats et perturber la faune. L'extraction de pétrole et de gaz naturel est également dangereuse pour les travailleurs, qui présentent un taux élevé de cancer et de maladies cardiaques.

Les déversements de pétrole d'origine humaine dans les rivières et les océans endommagent les écosystèmes. D'un point de vue économique, les déversements d'hydrocarbures perturbent l'industrie de la pêche et le tourisme. Les déversements de pétrole en mer sont généralement beaucoup plus dommageables que ceux qui se produisent sur terre, car ils peuvent se propager sur des centaines de milles marins sous la forme d'une mince nappe de pétrole qui peut recouvrir les plages d'une fine couche de pétrole. Cela peut tuer les oiseaux de mer, les mammifères, les crustacés et les autres organismes qu'il recouvre. Les déversements de pétrole sur terre sont plus facilement maîtrisables si un barrage de fortune en terre peut être rapidement détruit au bulldozer autour du site du déversement avant que la majeure partie du pétrole ne s'échappe, et que les animaux terrestres peuvent éviter le pétrole plus facilement.

Les déversements de pétrole peuvent résulter d'accidents de superpétroliers tels que l'Exxon Valdez en 1989, qui a déversé 10 millions de gallons de pétrole dans le riche écosystème côtier de l'Alaska et tué un grand nombre d'animaux. Le plus important déversement de pétrole en mer a débuté en avril 2010 lorsqu'une explosion de gaz naturel dans un puits de pétrole à 65 km au large de la Louisiane s'est produite sur la plate-forme pétrolière Deepwater Horizon. Il a tué 11 employés et a coulé pendant 3 mois en 2010, libérant environ 200 millions de gallons de pétrole (figure\(\PageIndex{d}\)). La faune, les écosystèmes et les moyens de subsistance des populations ont été affectés négativement. Beaucoup d'argent et d'énormes quantités d'énergie ont été consacrés à des travaux de nettoyage immédiats. Les impacts à long terme ne sont toujours pas connus. La Commission nationale sur la marée noire et le forage en mer de Deepwater Horizon a été créée pour étudier ce qui n'a pas fonctionné. La pire marée noire jamais survenue pendant la guerre du Golfe Persique de 1991, lorsque l'Irak a délibérément déversé environ 200 millions de gallons de pétrole au large du Koweït et a allumé plus de 700 incendies de puits de pétrole qui ont libéré d'énormes nuages de fumée et de pluies acides pendant plus de neuf mois.

Figure\(\PageIndex{d}\) : Des navires-plateformes de ravitaillement affrontent les vestiges flamboyants de la plate-forme pétrolière offshore Deepwater Horizon. Un hélicoptère de sauvetage de dauphins MH-65C de la Garde côtière et son équipage documentent l'incendie à bord de l'unité mobile de forage offshore Deepwater Horizon, alors qu'ils recherchent des survivants. Plusieurs hélicoptères, avions et coupeurs de la Garde côtière sont intervenus pour secourir l'équipage de 126 personnes du Deepwater Horizon. Image et légende (modifiées) provenant de la Garde côtière américaine (domaine public).

Lors d'un déversement de pétrole sur l'eau, le pétrole remonte à la surface parce qu'il est moins dense que l'eau, et les hydrocarbures les plus légers s'évaporent, ce qui réduit l'ampleur du déversement mais pollue l'air. Ensuite, les bactéries commencent à décomposer l'huile restante, selon un processus qui peut prendre de nombreuses années. Après plusieurs mois, il ne reste qu'environ 15 % du volume initial, mais il se présente sous forme de gros morceaux d'asphalte, une forme particulièrement nocive pour les oiseaux, les poissons et les crustacés. Les opérations de nettoyage peuvent inclure divers composants, mais chacun a ses avantages et ses inconvénients. Des navires écumeurs qui aspirent le pétrole de la surface de l'eau, mais ils ne sont efficaces que pour les petits déversements. La combustion contrôlée ne fonctionne qu'à un stade précoce, avant que la partie légère et inflammable ne s'évapore, mais elle pollue également l'air. Les dispersants sont des détergents qui décomposent le pétrole pour accélérer sa décomposition, mais certains dispersants peuvent être toxiques pour l'écosystème. La bioremédiation consiste à ajouter des microorganismes spécialisés dans la décomposition rapide du pétrole, mais cela peut perturber l'écosystème naturel.

Extraction non conventionnelle de pétrole et de gaz naturel

La fracturation provoque plus de dommages environnementaux que l'extraction conventionnelle. L'utilisation considérable de l'eau (figure\(\PageIndex{e}\)) peut affecter la disponibilité de l'eau pour d'autres utilisations dans certaines régions, et cela peut affecter les habitats aquatiques. En fait, la fracturation consomme plus d'eau que l'utilisation de l'énergie nucléaire, du charbon ou du pétrole et du gaz naturel classiques. S'il est mal géré, le fluide de fracturation hydraulique peut être libéré par des déversements, des fuites ou par diverses autres voies d'exposition qui contaminent le sol et les eaux souterraines (figure\(\PageIndex{f}\)). Le reflux du fluide de fracturation, c'est-à-dire le fluide pompé hors du puits et séparé du pétrole et du gaz, contient non seulement les additifs chimiques utilisés dans le processus de forage, mais contient également des métaux lourds, des matières radioactives (qui libèrent des radiations), des composés organiques volatils, du benzène (un cancérogène), du toluène et de l'éthylbenzène , du xylène et d'autres polluants atmosphériques toxiques. Les composés organiques volatils (COV) peuvent réagir avec l'atmosphère pour former de l'ozone troposphérique, qui est associé aux maladies respiratoires. Le toulène peut provoquer des étourdissements, de la confusion, des maux de tête et des fausses couches. L'éthylbenzène est un cancérogène possible qui provoque également des étourdissements, une irritation des yeux et une perte auditive. Le xylène provoque également des étourdissements et des maux de tête et peut en outre être fatal à des concentrations élevées. Dans certains cas, cette eau contaminée est envoyée vers des usines de traitement de l'eau qui ne sont pas équipées pour traiter certaines de ces catégories de contamination. Enfin, l'injection d'eaux usées pour leur élimination peut même provoquer des tremblements de terre.

Figure\(\PageIndex{e}\) : La fracturation hydraulique influence le cycle de l'eau. L'acquisition d'eau est le prélèvement d'eau souterraine ou d'eau de surface pour produire des fluides de fracturation hydraulique. Le mélange chimique consiste à combiner un fluide de base, du sable et des additifs sur le site du puits pour créer des fluides de fracturation hydraulique. Lors de l'injection du puits, les fluides de fracturation hydraulique se déplacent à travers le puits de production de pétrole et de gaz et dans la formation rocheuse ciblée. Le traitement de l'eau produite fait référence à la collecte et à la manipulation sur place de l'eau qui revient à la surface après une fracturation hydraulique et au transport de cette eau pour élimination ou réutilisation. Enfin, l'élimination et la réutilisation des eaux usées ont lieu. Si cela n'est pas fait correctement, les eaux usées peuvent polluer les zones environnantes. Image et légende (modifiées) par l'EPA (domaine public).

 

Figure\(\PageIndex{f}\) : Le fluide toxique injecté lors de la fracturation peut s'échapper et contaminer les eaux souterraines. Par exemple, il peut s'échapper par un trou dans le tubage, traverser du ciment défectueux ou traverser une faille dans la roche qui confine le dépôt. Image du Government Accountability Office (domaine public).

D'autres sources non conventionnelles de combustibles fossiles peuvent également nuire à l'environnement. L'extraction à ciel ouvert des sables bitumineux ou des schistes bitumineux nécessite l'élimination de toute la végétation et laisse derrière elle des polluants, entraînant la perte d'habitat (figure\(\PageIndex{g}\)).

Figure\(\PageIndex{g}\) : Une mine à ciel ouvert dans les champs pétrolifères des sables bitumineux de l'Alberta, au Canada. Les conifères, qui servaient auparavant d'habitat aux animaux indigènes, ont été défrichés pour permettre l'exploitation minière. Photo prise par Howl Arts Collective (CC-BY).

Transport, raffineries et combustion

Le gaz naturel est rejeté dans l'atmosphère par les mines de charbon, les puits de pétrole et de gaz, les réservoirs de stockage de gaz naturel, les pipelines et les usines de traitement. Ces fuites sont à l'origine d'environ 25 % des émissions totales de méthane aux États-Unis, soit 3 % du total des émissions de gaz à effet de serre des États-Unis, contribuant ainsi au changement climatique. Lorsque le gaz naturel est produit mais ne peut pas être capté et transporté de manière économique, il est « brûlé à la torche » ou brûlé sur des sites de puits, ce qui le convertit en dioxyde de carbone. Cela est considéré comme plus sûr et plus efficace que le rejet de méthane dans l'atmosphère, car le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre moins puissant que le méthane. Toutefois, lorsque du gaz naturel contenant de fortes concentrations de sulfure d'hydrogène est brûlé à la torche, il produit du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote et de nombreux autres composés (voir Pollution de l'air pour plus de détails).

Des fuites se produisent également lorsque nous utilisons des produits pétrochimiques sur terre. Par exemple, de l'essence coule parfois sur le sol lorsque des personnes remplissent leurs réservoirs d'essence, lorsque de l'huile moteur est jetée après une vidange d'huile ou lorsque du carburant s'échappe d'un réservoir de stockage qui fuit. Lorsqu'il pleut, les produits pétrochimiques déversés sont rejetés dans les caniveaux et finissent par se déverser dans les rivières et dans l'océan. Le pétrole se retrouve parfois dans l'eau lorsque du carburant fuit des bateaux à moteur et des jet-skis. Lorsqu'une fuite se produit dans un réservoir de stockage ou un pipeline, des produits pétrochimiques peuvent également pénétrer dans le sol et le sol doit être nettoyé. Pour éviter les fuites provenant des réservoirs de stockage souterrains, tous les réservoirs enterrés sont censés être remplacés par des réservoirs à double revêtement.

Le raffinage du pétrole émet diverses toxines et constitue la principale source de benzène (figure\(\PageIndex{g}\)). Par conséquent, les résidents vivant à proximité de raffineries de pétrole présentent une incidence élevée de cancer, d'asthme et de malformations congénitales. Lorsque des produits pétrochimiques tels que l'essence ou le diesel sont brûlés, ils libèrent divers polluants atmosphériques, notamment du dioxyde de carbone (une cause du changement climatique), du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote, des composés organiques volatils (COV), des particules et du plomb (voir Pollution de l'air pour plus de détails). Le transport du pétrole par bateau ou par camion nécessite également de l'énergie sous forme de combustibles fossiles, ce qui génère davantage de polluants. Par rapport au pétrole et au charbon, la combustion du gaz naturel dégage le moins de polluants et de gaz à effet de serre.

Figure\(\PageIndex{g}\) : Des polluants sont émis par la raffinerie de pétrole de Pine Bend à Rosemount, dans le Minnesota. Photo de Tony Webster (CC-BY).

Des solutions

La remise en état peut atténuer les dommages causés à l'habitat par l'exploitation minière ou l'extraction de combustibles fossiles. Il s'agit de restaurer les terres dans une certaine mesure une fois l'extraction ou l'extraction terminées. Cela peut impliquer de restituer les terres déplacées et de les recouvrir de terre végétale, qui protège les organismes des métaux lourds, des matières radioactives et d'autres toxines souterraines. De plus, les acides, qui se forment souvent lors de la lixiviation des sulfates des roches souterraines, peuvent être neutralisés. La végétation est ensuite plantée et le débit d'eau en cas de perturbation est quelque peu rétabli. Bien entendu, la topographie complexe, le réseau de cours d'eau et la végétation mature (comme les grands arbres dans les forêts) qui pouvaient être présents avant l'exploitation minière ne peuvent être recréés, mais la remise en état permet aux espèces indigènes de commencer à recoloniser la zone plus facilement.

Les technologies propres d'utilisation du charbon peuvent limiter la pollution atmosphérique émise lors de la combustion du charbon. Certaines de ces technologies éliminent les toxines du charbon avant de le brûler, tandis que d'autres capturent les toxines libérées lors de la combustion du charbon. Par exemple, les épurateurs des cheminées des centrales électriques éliminent le dioxyde de soufre, l'oxyde nitreux, les particules et le mercure de la fumée avant qu'elle ne soit rejetée. Le captage et la séquestration du carbone impliquent de capturer le dioxyde de carbone libéré et de le stocker, mais cela nécessite 25 à 40 % d'énergie en plus, ce qui réduit l'efficacité du charbon (figure\(\PageIndex{h}\)). Au cours de ce processus, la fumée d'une centrale au charbon passe à travers un solvant pour piéger le dioxyde de carbone, mais d'autres gaz résiduaires sont toujours libérés dans la fumée. Le dioxyde de carbone est ensuite séparé du solvant. Certains peuvent être utilisés dans l'industrie (par exemple pour les boissons gazeuses ou pour la récupération tertiaire du pétrole), tandis que le reste est séquestré (stocké) sous terre. Notez que les technologies propres du charbon peuvent réduire la contribution du charbon au changement climatique et réduire la quantité de toxines libérées, mais elles ne préviennent pas totalement la pollution atmosphérique générée par le charbon (figure\(\PageIndex{i}\)).

Figure\(\PageIndex{h}\) : La combustion de combustibles fossiles libère du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, mais il est également possible de séquestrer (stocker) le dioxyde de carbone, compensant ainsi certains de ces dommages. Une partie du dioxyde de carbone injecté lors de la récupération tertiaire (récupération assistée du pétrole) reste sous terre. De plus, le dioxyde de carbone peut être capté par la fumée dégagée par les centrales électriques et d'autres industries et stocké sous terre. Image de l'USGS (domaine public).

Figure\(\PageIndex{i}\) : Manifestation contre le charbon propre lors de la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques (COP19) en 2013. Photo de 350.org (CC-BY-NC-SA).

Comme les combustibles fossiles ne sont pas renouvelables, les réserves finiront par s'épuiser et le monde devra compter pleinement sur d'autres sources d'énergie. Les personnes préoccupées par les conséquences environnementales et sanitaires des combustibles fossiles plaident pour que cette transition soit réalisée le plus rapidement possible. Cela s'explique par le fait que les technologies et les pratiques évoquées ci-dessus n'empêchent pas totalement les combustibles fossiles de causer des dommages à l'environnement et de présenter des risques pour la santé des travailleurs et du grand public. Les deux chapitres suivants traitent de l'énergie nucléaire et des énergies renouvelables, qui sont des alternatives aux combustibles fossiles. Même si ces alternatives présentent des inconvénients, les économies d'énergie (utilisation plus efficace de l'énergie et limitation de la consommation d'énergie inutile) sont également essentielles.

Attribution

Modifié par Melissa Ha à partir des sources suivantes :

• Défis et impacts de la consommation d'énergie, des sources d'énergie non renouvelables et de la pollution de l'eau dus à la biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)
• Combustibles fossiles tirés d'une introduction à la géologie par Johnson et al. (sous licence CC-BY-NC-SA)
• Chapitre 4 : Les énergies non renouvelables depuis l'introduction aux sciences de l'environnement : 2e édition (2018) Manuels ouverts de sciences biologiques de Zehnder, Caralyn ; Manoylov, Kalina ; Mutiti, Samuel ; Mutiti, Christine ; VanDevoort, Allison ; et Bennett, Donna (sous licence CC-BY-NC-SA) .