Appliquer la géoscience aux défis les plus importants de l’Australie

Introduction

Le charbon est classé comme roche sédimentaire. C’est un carburant commun non renouvelable utilisé principalement dans la production d’électricité. C’est un combustible fossile car il se forme à partir de matières végétales mortes. La qualité du charbon dépend de la façon dont il s’est formé; à mesure que la matière organique est soumise à une chaleur et à une pression accrues, la teneur en carbone augmente.

Propriétés

Le charbon est une roche combustible principalement composée de carbone avec des quantités variables d’autres éléments, principalement de l’hydrogène, du soufre, de l’oxygène et de l’azote. Le charbon se présente sous forme de couches, appelées lits de charbon ou filons de charbon, qui se trouvent entre d’autres roches sédimentaires. Le charbon est légèrement plus dense que l’eau, mais moins dense que la plupart des roches de la croûte terrestre. La densité varie en fonction de la porosité (pleine de trous) du charbon. Parfois, les pores contiennent un gaz appelé méthane.

Les propriétés du charbon varient en fonction de la quantité de carbone contenue dans le charbon (rang de charbon). Le charbon noir est ainsi appelé en raison de sa couleur; il varie d’avoir un lustre brillant et brillant à être très terne, et d’être relativement dur à doux. Le terme « charbon noir » est utilisé en Australie pour désigner l’anthracite, ainsi que les charbons bitumineux et sous-bitumineux. Le lignite est également appelé lignite; il contient moins de carbone et a donc moins d’énergie potentielle chimique que le charbon noir et contient plus d’humidité.

Type de charbon / matériau		Autres noms	Propriétés	Teneur approximative en carbone (base sèche sans cendres)
Tourbe			Un sédiment organique. Il est considéré comme un précurseur du charbon.	Moins de 60%
Lignite		Lignite	Généralement de couleur jaune à brun foncé et peut avoir un aspect ligneux ou des structures végétales reconnaissables.	60 à 70%
Charbon noir	Charbon sous-bitumineux	lignite noir	De couleur brun foncé à noire. Il n’a pas d’aspect boisé et présente souvent des bandes alternées de matériaux ternes et brillants.	70 à 76%
	Charbon bitumineux	Charbon tendre, charbon à vapeur ou charbon de roche.	Une roche dense, généralement noire, mais parfois brun foncé, souvent avec des bandes bien définies de matériau brillant et terne. Les bandes ternes peuvent contenir des grains minéraux sédimentaires.	76 à 86%
	Anthracite	Houille	Un charbon noir plus dur et brillant. C’est le rang le plus élevé de charbon, ce qui signifie que la teneur en carbone est la plus élevée.	Plus de 86%

Utilise

Le charbon brun et le charbon noir sont principalement utilisés comme source de combustible pour les centrales électriques. La combustion du charbon produit de la chaleur qui est utilisée pour fabriquer de la vapeur, de sorte que le charbon est parfois appelé charbon thermique ou à vapeur. La vapeur fait tourner les turbines pour produire de l’électricité. En Australie, en 2017, le charbon a été utilisé pour produire environ 60% des besoins en électricité du pays. L’utilisation du lignite pour la production d’électricité est problématique en raison de la teneur élevée en eau. Il s’effrite facilement à l’exposition à l’air, ce qui réduit sa valeur en tant que carburant et nécessite un stockage spécialisé. Il a également été connu pour brûler spontanément. Depuis les années 1970, la quantité de gaz naturel utilisée pour produire de l’électricité a augmenté et l’utilisation du charbon pour l’électricité a progressivement diminué. La quantité de gaz à effet de serre générée par la combustion de gaz pour l’énergie est bien inférieure au volume produit par la combustion du charbon.

Certains types de charbon bitumineux sont utilisés pour fabriquer une matière première essentielle à la fabrication de l’acier – le coke. Ce type de charbon est également appelé charbon métallurgique (sidérurgie) et il est traité pour produire du coke. Le coke est une substance poreuse dure composée d’environ 90% de carbone, il est vital pour la fabrication d’acier qui est utilisé dans des millions d’articles tels que les voitures, les camions, les camions de pompiers, les réfrigérateurs et les ponts.

Le charbon et la tourbe sont encore utilisés pour le chauffage résidentiel et commercial dans certaines parties du monde (par exemple en Irlande et en Finlande). Sous sa forme déshydratée, la tourbe est un absorbant très efficace pour les déversements de carburant et de pétrole sur terre et dans l’eau. Il est également utilisé comme conditionneur pour le sol afin de le rendre plus capable de retenir et de libérer lentement l’eau.

Le charbon est également une source importante d’hydrocarbures aromatiques légers pour l’industrie de la synthèse chimique. Si le charbon est chauffé, les gaz et les résidus produits peuvent être utilisés dans la fabrication de plastiques, d’explosifs, de colorants, de brai, d’ammoniac, de médicaments, d’aspirine, de savon, de désinfectants, de détergents, de nylons, de cosmétiques, de shampoing, de dentifrice, de caoutchouc synthétique, d’engrais, de ciment, de briques et de carreaux. C’est un ingrédient important utilisé dans les filtres pour la purification de l’eau et de l’air et dans les machines de dialyse rénale. En outre, le charbon est utilisé pour fabriquer de la fibre de carbone, un matériau très résistant et léger utilisé dans la construction, les vélos de montagne et les raquettes de tennis.

Le jet, une forme compacte de lignite, est parfois poli et a été utilisé comme pierre ornementale. Le graphite, souvent associé au charbon, est presque entièrement composé de carbone; il est principalement utilisé dans les crayons et, lorsqu’il est en poudre, comme lubrifiant.

Histoire

La première utilisation reconnue du charbon provient de la région de Shenyang en Chine vers 4000 avant JC, où le lignite noir a été sculpté en ornements. Le charbon de la mine de Fushun dans le nord-est de la Chine a été utilisé pour fondre le cuivre dès 1000 avant JC. Marco Polo, l’Italien qui a voyagé en Chine au 13ème siècle, a décrit le charbon comme « des pierres noires… qui brûlent comme des bûches « , et dit que le charbon était si abondant que les gens pouvaient prendre trois bains chauds par semaine.

Le charbon était utilisé en Grande-Bretagne à l’âge du bronze (3000-2000 avant JC) dans les bûchers funéraires (structure en bois utilisée pour brûler un corps).Les Romains exploitaient du charbon en Angleterre et au Pays de Galles à la fin du deuxième siècle de notre ère. Des preuves du commerce du charbon (datées d’environ 200 après JC) ont été trouvées dans la colonie romaine près de Chester et en Est-Anglie. En Rhénanie, des gisements de charbon bitumineux ont été utilisés par les Romains pour la fusion du minerai de fer. En 1257-1259, le charbon de Newcastle upon Tyne fut expédié à Londres pour les forgerons et les brûleurs à chaux qui construisaient l’abbaye de Westminster.

Les sources de charbon facilement accessibles étaient en grande partie épuisées (ou ne pouvaient pas répondre à la demande croissante) au 13ème siècle, lorsque l’extraction souterraine par puits a été développée. Le nom alternatif était « pitcoal », car il venait des mines. Comme les machines à vapeur ont pris le relais des roues à eau pendant la révolution industrielle, l’exploitation minière à grande échelle et l’utilisation du charbon ont augmenté. En 1700, les cinq sixièmes du charbon mondial étaient extraits en Grande-Bretagne.

En Australie, le charbon noir a été découvert pour la première fois à Newcastle en 1791 et l’extraction et l’exportation du charbon ont commencé en 1799. Ces premières activités d’extraction du charbon ont contribué de manière significative au progrès de la colonisation européenne en Australie. La propagation des colons à d’autres endroits en Australie conduit à d’autres découvertes. L’exploitation du charbon noir a eu lieu près d’Ipswich Queensland en 1825; à Cape Paterson, Victoria en 1826; et Irwin River, en Australie-Occidentale en 1846. La connaissance de l’existence du lignite à Victoria remonte à 1857 et la coupe à ciel ouvert de Yallourn North a commencé sa production en 1889. En 1878, le zoo de Taronga devait être le site d’une mine de charbon souterraine jusqu’à ce que la compagnie minière soit arrêtée par le Parlement. Au lieu de cela, le charbon a été extrait à Balmain jusqu’en 1931.

Formation

Le charbon se forme dans les bassins sédimentaires. Les bassins sédimentaires sont des régions où la Terre s’est affaissée ou s’est enfoncée. L’eau et les sédiments s’écoulent ensuite dans le bassin et se remplissent de couches de sédiments. Les ressources en charbon noir de l’Australie vont du Permien au jurassique (299 à 145 millions d’années), bien que la plupart soient d’âge permien. Pendant ce temps, le climat était chaud en Australie, et l’Australie orientale, y compris le bassin de Sydney, était couverte de grandes rivières sinueuses, de marais, de tourbières et de marécages. Les sédiments déposés dans ces environnements ont finalement formé des roches telles que le schiste, le grès et le charbon. Le lignite en Australie s’est formé plus récemment que les charbons noirs. Ceux-ci sont pour la plupart d’âge paléogène (66 à 23 millions d’années).

Le charbon est une roche sédimentaire formée lorsque de la matière végétale abondante est recouverte de sédiments et que la matière s’accumule plus rapidement qu’elle ne peut se décomposer. Le poids des sédiments sus-jacents compacte les couches organiques, augmentant la température et la pression, ce qui entraîne des modifications physiques et chimiques du matériel végétal. L’eau, le dioxyde de carbone et le méthane sont produits et s’échappent, de sorte que le matériau s’enrichit progressivement en carbone. Avec l’augmentation du temps, de la chaleur et de la pression, la matière végétale se forme d’abord en tourbe, puis est convertie en lignite, puis en charbon sous-bitumineux, en charbon bitumineux et enfin en anthracite.

Ressources

L’Australie possède la quatrième plus grande part des réserves de charbon au monde. Depuis la fin des années 1700, environ 9 100 millions de tonnes de charbon noir et environ 2 300 millions de tonnes de lignite ont été extraites en Australie et l’industrie fournit toujours des emplois importants, des investissements en capital et des revenus intérieurs et d’exportation à l’économie nationale.

Les ressources en charbon noir se trouvent en Nouvelle-Galles du Sud, dans le Queensland, en Australie-Méridionale, en Tasmanie et en Australie-Occidentale, mais la Nouvelle-Galles du Sud et le Queensland représentent la plus grande part des ressources totales recensées en Australie. Ces deux États sont également les plus grands producteurs de charbon. Les principaux bassins producteurs de charbon noir de l’Australie sont le bassin de Bowen (Queensland) et le bassin de Sydney (Nouvelle-Galles du Sud). Les exploitations minières de charbon noir d’importance locale comprennent également Collie en Australie occidentale, et Fingal et Kimbolton en Tasmanie.

Le lignite est présent en Australie-Méridionale, en Australie-Occidentale, en Tasmanie, au Queensland et au Victoria. Le bassin du Gippsland à Victoria contient un important gisement de classe mondiale où les coutures peuvent atteindre 330 m d’épaisseur. Le bassin d’Otway (Victoria), le bassin de Murray (Victoria et Australie-Méridionale), le bassin de Saint-Vincent-du-Nord (Australie-Méridionale) et le bassin d’Eucla (Australie-occidentale) contiennent également d’importantes ressources en lignite. Des ressources mineures se trouvent dans le bassin de Longford en Tasmanie. Actuellement, le lignite n’est extrait qu’à Victoria où les mines à ciel ouvert de Loy Yang et de Yallourn fournissent du charbon aux centrales électriques voisines. Le lignite est également extrait à Maddingley pour produire des conditionneurs de sol et des engrais. D’autres produits du lignite victorien sont des briquettes à usage industriel et domestique et des produits à faible teneur en cendres et en char à faible teneur en sulfures.

Le charbon est l’une des principales exportations de produits de base de l’Australie avec des exportations annuelles. En 2016, les exportations de charbon de l’Australie se sont principalement dirigées vers le Japon, l’Inde, l’Union européenne, la République de Corée et Taiwan; elles représentaient environ 40 milliards de dollars.

Informations supplémentaires sur les ressources et la production de charbon et les Ressources minérales identifiées par l’Australie.

Exploitation minière

En Australie, près de 80% du charbon est produit à partir de mines à ciel ouvert, contrairement au reste du monde où l’exploitation minière à ciel ouvert ne représente que 40% de la production de charbon. L’extraction à ciel ouvert est possible car les filons de charbon sont proches de la surface. Une telle exploitation minière est moins chère que l’exploitation minière souterraine et permet jusqu’à 90% de récupération de la ressource. De nombreux lits de lignite se trouvent près de la surface et peuvent avoir des centaines de mètres d’épaisseur, ce qui peut être extrait facilement et à moindre coût. Tout d’abord, la terre arable est enlevée et stockée pour être utilisée plus tard dans la restauration des terres perturbées. La roche de surface (appelée mort-terrain) recouvrant le charbon est ensuite dynamitée avec des explosifs et enlevée par des excavatrices. Le charbon découvert est ensuite soufflé pour briser les couches et chargé dans de gros camions pouvant contenir jusqu’à 300 tonnes de matériaux. Le charbon est transporté à l’usine de traitement où les impuretés sont éliminées.

Le charbon qui est plus profond que quelques centaines de mètres sous la surface doit être extrait en utilisant des méthodes d’extraction trop souterraines. Une partie du charbon est extraite par la méthode du Bord et du pilier. C’est là qu’une machine coupe continuellement le charbon. Il traverse les veines de charbon en laissant des piliers soutenus par des boulons de toit pour maintenir le toit. Une alternative est l’exploitation minière à longue paroi, qui utilise une grande lame de coupe pour trancher la couche de charbon afin d’éliminer le filon de charbon. Le charbon est ensuite transporté à la surface sur une bande transporteuse. Une fois le charbon extrait, la machine est démontée et déplacée dans une autre section de la mine, ce qui permet au toit de s’effondrer derrière.

Les progrès technologiques ont conduit à l’introduction de systèmes d’exploitation minière automatisés à longue paroi. En outre, certaines sociétés minières utilisent des camions, des trains et des drones sans conducteur pour améliorer la sécurité et recueillir des informations.

Traitement

Le charbon noir peut être utilisé sans aucun traitement, mais il est généralement broyé, tamisé et trié selon les exigences du client. Parfois, il est également lavé pour éliminer les déchets minéraux qui ne brûlent pas. Cela améliore la qualité et réduit la production de cendres lorsque le charbon est brûlé. Pour laver le charbon, il est placé dans des réservoirs contenant des liquides et des produits chimiques qui aident à récupérer une plus grande partie du charbon lorsqu’il flotte à la surface. Le charbon est ensuite laissé sécher. Il est stocké en fonction de la taille et peut être mélangé, toujours selon les spécifications du client. De là, il est stocké ou stocké dans des bacs prêts à être transportés par route ou par rail.

Le charbon de qualité inférieure tel que le charbon sous-bitumineux ou le lignite peut être raffiné pour éliminer l’humidité et d’autres impuretés. Cela augmente l’efficacité du charbon en tant que combustible et réduit les émissions de gaz à effet de serre et d’autres polluants, lorsque le charbon est brûlé. À Victoria, le lignite est amélioré par le procédé Coldry. Un cisaillement mécanique est utilisé pour écraser le charbon en petites particules, libérant de l’eau qui était maintenue dans les pores (trous) du charbon. Le procédé produit un charbon plus dense sous forme de granulés.