L'amélioration des rendements des centrales au charbon et un premier axe de limitation des émissions de CO₂. Alors que le rendement des centrales au charbon classiques avoisine les 30%, il est aujourd'hui possible d'atteindre 45% avec les meilleures technologies disponibles, réduisant ainsi les émissions de CO₂ par kWh.



Face au recours croissant au charbon lors de la dernière décennie, l'amélioration des rendements s'est imposé pour tempérer les impacts climatiques. L'enjeu est d'autant plus important qu'alors que l'on tente de limiter les changements climatiques, le charbon est, à juste titre, très critiqué : sa combustion émet environ 1,3 fois plus de CO₂ que le pétrole et 1,7 fois plus que le gaz.

Indispensable au CSC

L'Agence internationale à l'énergie (AIE) estime qu'en 2008 le charbon couvrait 41% des besoins de production électrique des pays développés et émergeant, générant 71% de leurs émissions de CO2. L’AIE pointe donc première une voie de progrès qui passe par l’amélioration de l’efficacité énergétique du parc des installations. En 2008, la moyenne des émissions des centrales à charbon de ces pays très largement prépondérant dans la consommation mondiale était encore supérieure à 1.000 grammes de CO₂ par kilowattheure (gCO₂/kWh). Le recours aux technologies les plus performantes permettrait d'abaisser les émissions à un niveau légèrement supérieur à 750 gCO₂/kWh.

Par ailleurs, une bonne efficacité énergétique se révèle être indispensable si l’on souhaite développer le capture et le stockage de CO₂ (CSC). En effet, cette technologie consommant de l’énergie, son application sur des centrales peu efficaces est inenvisageable.

Enfin, alors que les prix du charbon se tendent du fait de la hausse de la demande mondiale, l'amélioration du rendement permet aussi, et surtout, de limiter le prix du kWh et d’économiser les ressources. Un argument auquel la Chine, devenue importatrice de charbon en 2009, n'est pas insensible…

Deux technologies

Pour cela, deux technologies se sont développées : les centrales supercritiques, voire ultra-supercritiques, et les centrales à gazéification à cycle combiné. Les rendements sont de 40 à 45% quand ceux des centrales classiques sont de l’ordre de 30%.

Le Principe de Carnot Sadi Carnot a démontré que l'efficacité thermodynamique d'une telle machine basée sur deux sources de chaleurs dépend de la différence de température entre les sources. Cette efficacité maximale (η) est calculée selon la formule suivante : η = 1 – T1/T2 T1 correspond à la température de la source froide et T2 à la source chaude. A ce calcul théorique il convient de prendre en compte l'ensemble des pertes d'énergie en amont, en aval et sur le cycle thermique proprement dit, ce qui explique qu'un rendement de 45% affiché par les centrales est plus faible que le rendement théorique. Avec une source froide à 20°C (soit 293,15°K) et une source chaude à 600°C (soit 873,15°K) le rendement théorique est en effet de 66,4%.

Les centrales supercritiques correspondent à une amélioration progressive des matériaux afin de résister à une vapeur atteignant des températures de plus de 600°C et des pressions de plus de 250 bars. Les rendements atteints par ces centrales sont de l’ordre de 45%. Néanmoins, la technologie approche aujourd'hui des limites fixées par le principe de Carnot (voir encadré) qui détermine l'efficacité thermodynamique théorique d'une machine produisant un travail à partir d'une source chaude (la vapeur) et d'une source froide (le circuit de refroidissement).

L'autre voie est la gazéification à cycle combiné, qui consiste à gazéifier le charbon pour utiliser un gaz de synthèse dans une installation à cycle combiné. Une oxydation partielle du charbon génère un gaz à base d'hydrogène et d'oxyde de carbone (CO) qui est turbiné. Les gaz d'échappement en sortie de turbine viennent ensuite chauffer une chaudière. Cette technologie offre un rendement inférieur à la précédente, conséquence notamment de la production d'oxygène par cryogénisation dans l'unité de séparation de l'air. Cependant, elle présente un avantage qui peut contrebalancer un rendement légèrement plus faible car il est possible de générer des coproduits tels que de l’hydrogène lors de la gazéification. De même, cette technologie peut être associée à une unité de capture du CO₂ en précombustion.

Renouvellement variable des installations

Pour abaisser les émissions mondiales de CO₂ de moitié d'ici 2050 par rapport au niveau 2005, le scénario Blue Map développé par l'AIE impose une action rigoureuse et le recours aux meilleurs techniques. En matière de recours au charbon, la substitution des installations les plus anciennes par des centrales à haut rendement doit intervenir entre 2010 et 2015. "Le processus est en marche", se satisfaisait l'Agence lors de la dernière évaluation des progrès en juin 2011. Globalement, les pays industrialisés et émergents devraient installer quelque 250 gigawatts (GW) de centrales supercritiques et ultra-supercritiques.

Pour illustrer ces progrès l'Agence citait tout particulièrement la Chine qui a entrepris de fermer les centrales les plus anciennes alors qu'elle ne construit quasiment que des centrales supercritiques depuis le début de la décennie 2010. Il reste ainsi moins de 200 GW de centrales peu performantes et 11 GW ont été fermés en 2010.

"La majorité des centrales au charbon chinoises est âgée de moins de dix ans", se félicitaient donc l'Agence, pointant par ailleurs qu'"au Etats-Unis et en Europe, la plupart des centrales est âgée de 31 à 40 ans".

Ce constat pointe une des difficultés de la transition : les centrales au charbon ont une très grande durée de vie et faute d'incitation forte, les opérateurs les maintiennent en fonction aussi longtemps que possible. Ainsi, avec la mise en œuvre de normes plus strictes sur les émissions de mercure et de métaux lourds aux Etats-Unis, l'opérateur FirstEnergy Corp a annoncé être le premier producteur à fermer des centrales devenues inexploitables. Il a ainsi annoncé la fermeture en septembre 2012 de six unités âgées en moyenne de 55 ans, des centrales encore "jeunes" au regard des plus anciennes encore en activité aux Etats-Unis et datant de la fin des années 1930. Selon un rapport du Credit Suisse, 20% des installations nord-américaines sont ainsi menacées de fermeture, pour une puissance d'environ 69 GW.

Philippe Collet