A.Présentation des différentes énergies fossiles

1 Le charbon

1.1 Formation

Comme tous les combustibles fossiles, le charbon est une forme d’énergie solaire stockée depuis les 

temps géologique.

Le charbon s’est formé à la fin de l’ère primaire, durant la période carbonifère (250 à 300 millions 

d’années). La majeure partie des matières organiques constituant les débris végétaux des forêts de 

cette   période   s’est   décomposée,   en   présence   de   l’oxygène   atmosphérique   en   CO2   et   en   eau. 

Cependant,  une   infime partie  des  débris  végétaux  s’est  accumulé   en certains   sites  géologiques 

propices pour se transformer en charbon. La figure 1 détaille les étapes de la formation du charbon.

Figure 1: cycle de formation du charbon

1.2 Composition Chimique des différents charbons

La composition chimique des charbons diffère selon sa nature : on distingue :

La tourbe, matière fibreuse à forte teneur en eau, qui est extraite des marais

Le lignite, matière fibreuse mais plus homogène, de combustion assez médiocre mais largement 

utilisé

La Houille, c’est le charbon à proprement parler, il est de structure plus homogène que le lignite

C’est cette composition chimique qui va influencer le pouvoir calorifique et la qualité des fumées de 

combustion.

Le tableau 1 détaille la composition chimique les trois types de charbon précédemment cités.

  C S2 H2 O2+N2

Matières 

volatiles Humidité PCS

  % massique MJ/kg

Tourbe 55 ­ 60 0,5 ­ 2 5 ­ 6 30 ­ 40 10 85 8 ­ 9

Lignite 65 ­ 75 0,5 ­ 5 5 ­ 5,5 20 ­ 25 25 ­ 40 10 ­ 45 14 ­ 24

Houille 80 ­ 90 0,5 ­ 1,5 4 ­ 5 3 ­ 15 10 ­ 40 3 ­ 5 30 ­ 32

Anthracite 90 ­ 95 0,5 ­ 1 2 ­ 4 2,5 ­ 3,5  1 ­ 2 3 32 ­ 33Tableau 1 : composition chimique de différents charbons

1.3 Les traitements du charbon

Le charbon  extrait  de   la  mine  contient  des  matières   stériles   (terre,  pierres…)  qui  doivent  être 

éliminée en vu de l’utilisation du combustible. Cette opération est effectuée dans des lavoirs situés à 

la sortie des puits.

Après concassage, le charbon est lavé et criblé afin de séparer les différents calibres : les fragments 

inférieurs à 6mm constituent les fines (poussières de charbon) utilisés dans les centrales électriques 

et les fragments de taille supérieure sont séparés par gravité en schiste (plus lourds) et en charbons 

(moins lourd).

Un lavage supplémentaire peut permettre de réduire la teneur en soufre.

Le charbon sous forme solide ne se prête qu’à un nombre restreint d’utilisations, ainsi, il existe des 

techniques permettant sa transformation en combustible gazeux ou liquide. 

La liquéfaction permet d’obtenir un liquide semblable au pétrole brut (pétrole brut synthétique) qui 

peut   être   raffiné   pour   obtenir   de   l’essence   à   haut   indice   d’octane   qui   constitue   un   carburant 

automobile   de   qualité.   Cette   liquéfaction   ce   fait   par   hydrogénation   (addition   d’hydrogène   au 

carbone contenu dans le charbon).

La gazéification produit un gaz qui peut être utilisé  comme combustible ou carburant ou encore 

servir de matière première pour produire, comme ci­dessus, des produits liquides. Cette technique 

sera abordée plus en détail par la suite.

Les utilisations du charbon

Comme nous  l’avons dit  précédemment,   l’état  solide du charbon ne permet  pas  facilement son 

utilisation dans des applications mobiles. Ainsi,  la majeure partie est utilisée pour la production 

d’électricité et l’industrie.

La figure 2 détaille l’utilisation du charbon dans le monde en 2000.

Figure 2: utilisations du charbon dans le monde en 2000

1.4 Réserves et ressources en charbon

Lorsque l’on parle des quantités d’énergies fossiles qu’il reste, il est important de différencier les 

ressources et les réserves :

Réserves: ce sont des gisements géographiquement et géologiquement bien déterminés qui peuvent 

être exploités économiquement dans les conditions techniques actuelles

Ressources:  ce   sont  des  gisements   suffisamment   reconnus  (ni   supposés  ni  hypothétiques)  mais 

incomplètement  étudiés  ou dont   le  coût  de production n’est  pas  acceptable dans  les  conditions 

actuelles du marché

La figure 3, basée sur les chiffres de la banque de données mondiales sur l’énergie (ENERDATA) 

présente le volume des réserves et des ressources en lignite et charbon selon l’état des connaissances 

et 1999. En mettant ces chiffres en rapport avec la consommation mondiale, on observe qu’il existe 

encore plus de 200 ans de réserves de charbon, à condition que la consommation reste du même 

ordre que celle actuelle.

Figure 3 : Réserves et ressources de charbons et lignite en 1999

2 Le pétrole

2.1 Formation

De manière semblable au charbon, le pétrole résulte de la dégradation bactériologique en l’absence 

d’oxygène, d’organismes végétaux et de poissons morts déposés au fond de l’eau il y a 10 à 100 

millions d’années. Seule une infime partie de la masse vivante a été soustraite au cycle de vie et de 

pourriture,   mais   ce   phénomène   se   prolongea   pendant   des   millions   d’années   conduisant   à   la 

formation d’immenses réserves en matières fossiles.

2.2 Compositions usuelles du pétrole brut

Il   existe   une   très   grande   variété   de   pétroles   bruts,   ceux­ci   contiennent   principalement   des 

hydrocarbures gazeux, liquides et solides (50 à 95 % en masse) sous forme de macromolécules. Le 

reste est  constitué  d’eau,  de sel,  de sable,  de soufre,  d’azote ou de composés azotés.  L’analyse 

élémentaire des pétroles bruts montre que les différents composants se trouvent dans les fourchettes 

de proportions suivantes :

80 à 88 % de Carbone

9 à 14 % d’hydrogène

0 à 3 % d’oxygène

0 à 5 % de soufre

0 à 2 % d’azote

2.3 Le raffinageLe pétrole brut ne se prête pas à l’utilisation directe comme carburant ou combustible. Les divers 

composants   du   pétrole   brut   (hydrocarbures   légers,   moyens   ou   lourds)   doivent   être   séparés   et 

éventuellement raffinés pour obtenir des produits pétroliers de différentes qualités et différentes 

utilisations.

Le raffinage comprend les quatre opérations suivantes :

• L’épuration   des   pétroles   bruts,   qui   consiste   à   extraire   les   chlorures   de   sodium   et   de 

magnésium en suspension pour éviter la formation d’acide chlorhydrique et les dépôts de 

sels au cours des opérations ultérieurs.

• La distillation, qui se réalise à  pression atmosphérique et sous vide, permet d’obtenir des 

produits   gazeux   (butane,   propane),   des   liquides   (essence,   kérosène,   huile   diesel,   huile 

lourde) et des produits à forte viscosité (goudrons, asphalte). La figure 4 montre le principe 

d’une   tour   de   distillation,   ou   l’on   voit   apparaître   l’étagement   des   produits   issus   de   la 

distillation

Figure 4 : schéma d'une tour de distillation

• Les conversions par craquage (fracture des grosses molécules en molécules plus petites pour 

passer d’hydrocarbures lourds à l’essence automobile par exemple), ou par reformage (pour 

monter l’indice d’octane)

• les finitions : hydrogénation (fixation de l’hydrogène), désulfuration des gaz liquéfiés…

2.4  Réserves et ressources en pétrole

La figure 5 présente le volume des réserves et des ressources de pétrole mis en rapport avec la 

consommation  annuelle  mondiale   (ENERDATA,  1999).  En observant  ces  chiffres  on  voit  qu’il 

resterai   environ   40   ans   de   réserves   de   pétrole,   mais   cela   ne   tient   pas   compte   à   la   fois   de 

l’augmentation constante de la consommation annuelle et des nouvelles réserves qui pourraient être 

exploitées.

Figure 5 : Réserves et ressources en pétrole en 1999

3 Le gaz naturel

3.1 Formation

Le gaz naturel est formé de manière différente selon la profondeur à laquelle on le trouve :

Le gaz biogénique est produit par dégradation de débris organiques accumulés à l’interface eau­

sédiments par des bactéries méthanogènes, ces phénomènes se produisent naturellement en surface 

notamment dans les marais et à des profondeurs inférieures à 2000­2500 m

 Le gaz naturel que l’on trouve à de plus grandes profondeurs est produit par craquage thermique, 

c'est­à­dire par cassure de grandes molécules en molécules plus petites sous l’effet de la chaleur. 

Recouverts sans cesse de nouveaux dépôts, à l'abri de l'oxygène et de la lumière, les sédiments sont 

enfoncés dans la terre et sont soumis à des températures et des pressions de plus en plus élevées 

3.2 Composition du gaz naturel

La composition du gaz naturel varie fortement selon les gisements, comme le montre le tableau 2 ci­

dessous.

D’une manière générale, le gaz naturel est constitué de différents hydrocarbures gazeux comportant 

un nombre d’atome de carbone au maximum égal à 4 (CH4, C2H6, C3H8, C4H10). En plus de ces 

constituants énergétiques on trouve aussi du CO2, de l’hydrogène sulfuré H2S et de l’azote N2. 

La   composition   du   gaz   naturel   étant   très   variable,   son   pouvoir   calorifique   est   également   très 

variable : le pouvoir calorifique supérieur est compris entre 9,8 et 12,3 KWh/m3.

Gisement

Méthane Ethane

CH4 C2H6

GNL 

(Gaz 

Naturel 

Liquéfié)

composés 

soufrés

Gaz 

Inertes

H2SCO2, 

N2,...

Lacq (France) 69,2 3,3 1,6 15,3 10,6Groningue 

(Pays­Bas)81,3 2,9 0,6 ­ 15,2

Frigg   (mer  du 

nord)95,7 3,6 0,1 ­ 0,6

Hass   R'Mel 

(Algérie)83,7 6,8 3,3 ­ 6,2

Etat Unis 56 0,4 0,1 ­ 43,5Tableau 2 : composition chimique du gaz naturel de quelques gisements importants

3.3 Les traitements du gaz naturel

Une fois extrait, le gaz naturel doit être traité afin d’être débarrassé de tous les composants pouvant 

générer  de   la  pollution   lors  de   la  combustion  ou  abîmer   les   installations.  On utilise  pour  cela 

différentes techniques telles que l’absorption sur charbon actif, le lavage ou le chauffage. La figure 

6 détaille tous ces traitements possibles.

 

Figure 6 : les traitements du gaz naturel

3.4 Réserves et ressources en gaz naturel

Les réserves en gaz naturel sont plus difficiles à évaluer que celle de pétrole, la consommation du 

premier ayant  démarrée plus   récemment que celle du second,  et  par conséquent   les  travaux de 

prospection sont moins avancés que ceux du pétrole. La figure 7 présente le volume des réserves et 

des   ressources   en   gaz   naturel   mis   en   rapport   avec   la   consommation   annuelle   mondiale 

(ENERDATA, 1999). En observant ces chiffres on voit qu’il resterai environ 70 ans de réserves, 

toujours en ne tenant pas compte de l’évolution de la consommation et des réserves exploitables.

Figure 7 : réserves et ressources en gaz naturel en 1999

4 Les rejets Gazeux

Les rejets gazeux issus de la combustion des combustibles fossiles sont très variés en nature et en 

proportion selon le combustible. De manière générale, les gaz de combustion sont composés d’eau, 

de  CO2,   de  SO2,   de  NOx,   de  N2O,  de  benzènes  et   d’autres   composés.  Ces   rejets   dépendent 

essentiellement de la qualité des traitements effectués après l’extraction des combustibles.

Les données concernant la composition des fumées sont très difficiles à trouver, c’est pourquoi le 

tableau 3 présente l’évolution des normes de composition en composés polluant dans le pétrole.

Tableau 3 : évolution des normes de teneur en polluants du pétrole

B.Le Traitement des polluants

Les polluants des énergies fossiles sont très divers, il peut s’agir de soufre, SO2, de NOx, de CO ou 

encore  de  CO2.  Le   traitement   de  ces  polluants  peut  être   effectué   en  amont  ou  en   aval  de   la 

combustion.

La désulfuration des combustibles en amont

Le soufre est  contenu dans différentes  proportion suivant   la  nature du combustible,  mais  il  est 

toujours présent.

Il existe deux types de procédés de désulfuration :

• Les procédés régénératifs : à partir du SO2 on récupère du soufre élémentaire ou de l’acide 

sulfurique qui sont en principe recyclables et qui ont parfois une valeur marchande

−Le procédé à la soude : le SO2 est absorbé dans une solution de sulfite de sodium sous 

forme bisulfite de sodium. Après chauffage de cette solution on sépare le SO2 dans une 

usine de fabrication de soufre

−Le procédé aux amines : il s’agit aussi d’une absorption du SO2 mais cette fois dans 

une solution aqueuse d’amine

−Le procédé   aux   charbons  actifs :   le  SO2  est   absorbé   sur  un  charbon  actif  qui   est 

régénéré à chaud ou par circulation inverse du combustible

• Les procédés non régénératifs :

−Le procédé  à  la chaux ou au calcaire : il  s’agit d’un lavage en présence d'un réactif 

alcalin, tel que la chaux ou le calcaire

−Les procédés secs

La dépollution en aval : application aux véhicules

La réduction des  émissions à   la  source des moteurs  des  véhicules  passe  par  différents  progrès 

technologiques tels que:

• L’injection  diesel  à   rampe  commune :   cette   technique  permet,  par   la  pulvérisation   sous 

pression du carburant, une forte réduction des émissions de CO, de NOx et de particules tout 

en agissant également sur le bruit

• La recirculation des gaz d’échappement à l’admission du moteur permet, en abaissant par 

dilution de la charge les températures de combustion, de limiter la formation des oxydes 

d’azote

• Les filtres à particules

Les filtres à particules utilisent des céramiques (carbure de silicium). Ils présentent une efficacité de 

filtration   largement   supérieure  à   90  %,  y   compris  pour   les  particules  ultrafines.  La  principale 

difficulté   réside   dans   la   régénération   du   filtre   qui   consiste   périodiquement   à   brûler   les   suies 

contenues dans le filtre :

Soit en utilisant du NO2 comme agent oxydant. Un catalyseur d’oxydation placé en amont du filtre 

transforme NO en NO2 lequel est utilisé pour oxyder les suies dans le filtre au fur et à mesure de 

leur piégeage (figure 8). La régénération ce fait donc de manière continue. Ce système est efficace à 

partir de 260 °C et nécessite un rapport NOx/Particules supérieur à 8 et idéalement 20­25. Ce filtre 

nécessite cependant également l’utilisation d’un carburant à faible teneur en soufre (< 50 ppm).

  Soit   avec  un   catalyseur  d’oxydation   imprégnée   sur   les   parois  du   filtre   (permet  d’obtenir   une 

régénération continue à partir de 300 °C de température de filtre)  En cas de chargement de suie 

faisant suite à  des  fonctionnements prolongés à   faible  charge,  une régénération active peut être 

provoquée via une action du contrôle moteur sur l’injection de carburant. Une partie du carburant 

est   alors   utilisée   pour   le   réchauffage   du   filtre   afin   de   déclencher   la   combustion   des   suies 

accumulées.

Soit en utilisant des systèmes de rétrofit destinés à équiper des véhicules anciens, en particulier les 

bus ou les bennes à ordures. Les systèmes dits « passifs » sont généralement basés sur l’utilisation 

d’un   additif   mis   dans   le   carburant   et   qui   permet   d’abaisser   la   température   d’initiation   de   la 

combustion des suies et d’accélérer la régénération du filtre à particules. Les systèmes « actifs » 

sont basés généralement sur l’utilisation d’un filtre précédé d’un catalyseur d’oxydation. L’élévation 

de température nécessaire à   la régénération du filtre est  obtenue par exemple par  l’injection de 

gazole, au moyen d’un injecteur placé dans la ligne d’échappement. Les hydrocarbures injectés vont

Figure 8 : filtre à particule avec catalyseur d'oxydation en amont

• La réduction catalytique des oxydes d’azote

Pour la réduction catalytique des oxydes d’azote, deux technologies principales sont envisagées :

La   réduction   catalytique   avec  une   solution   aqueuse  d’urée   NH2CONH2  (SCR)   qui   injectée   à 

l’échappement va libérer de l’ammoniac par une réaction d’hydrolyse. Le catalyseur d’oxydation 

placé en amont permet d’augmenter le rapport NO2/NO des gaz d’échappement et ainsi d’accroître 

l’efficacité de conversion notamment à basse température en tenant compte du fait que la réaction 

de NO2 avec NH3 est plus rapide que la réaction de NO avec NH3. Le catalyseur dit de « clean up » 

placé en aval du système permet de traiter les éventuels rejets d’ammoniac excédentaire, notamment 

pendant   les  phases  transitoires.  La mise au point  du système pour  une application véhicule va 

nécessiter de calibrer très précisément la quantité d’urée injectée en fonction de la quantité de NOx 

émis   par   le   moteur,   de   la   température   d’échappement,   des   caractéristiques   du   catalyseur.   (Ce 

système consomme 4 à 8 % du volume de gazole en urée)

Figure 9 : réduction catalytique avec solution d'urée

Le piège à NOx, qui permet d’atteindre des taux d’efficacité comparables à celle de la SCR, sans 

présenter l’inconvénient d’embarquer un réducteur supplémentaire, représente une alternative pour 

le traitement des oxydes d’azote qui suscite actuellement de nombreux développements. Il est basé 

sur l’alternance de 2 phases : d’abord un fonctionnement normal en mélange pauvre durant lequel 

les oxydes d’azote, après avoir été  oxydés en NO2, sont stockés sous forme de nitrates sur une 

masse adsorbante puis un fonctionnement en mélange riche durant lequel les NOx sont déstockés 

puis réduits par les réducteurs (CO, HC) présents à l’échappement.

Le déstockage et la réduction des oxydes d’azote nécessitent donc un fonctionnement à une richesse 

du   mélange   air/carburant   supérieure   ou   égale   à   1,   inhabituel   pour   un   moteur   diesel.   Ce 

fonctionnement est obtenu par modification des réglages moteur (débit d’air, phasage et durées des 

injections, taux d’EGR). L’objectif des développements en cours est d’optimiser ces basculements 

de richesse pour atteindre le meilleur compromis NOx/surconsommation de carburant. 

Les conditions de déstockage (niveau de richesse, réglages) influence sa durée et son efficacité : le 

déstockage, par exemple, est plus court à  richesse élevée (> 1,15) et  meilleur pour des réglages 

privilégiant les émissions de CO plutôt que d’HC. La régénération provoque également une forte 

montée en température du piège qui peut conduire à sortir de la fenêtre de stockage du piège et donc 

limiter l’efficacité de la phase de piégeage suivante. 

La conjugaison de l’influence de ces différents paramètres tant sur le stockage que sur le déstockage 

montre que le meilleur compromis NOx/consommation est obtenue pour des richesses élevées de 

déstockage comme on le voit sur la figure 10.

Grâce à l’optimisation de l’ensemble du système, on peut ainsi atteindre des efficacités de réduction 

d’environ 80 % pour des surconsommations en gazole de 2 à 5 %. Pour éviter les relargages de CO 

et d’HC qui peuvent se produire lors des passages riches, on prévoit l’installation en aval du piège 

d’un catalyseur d’oxydation permettant de les traiter (un peu sur le même principe que le catalyseur 

de clean­up pour la SCR).

Le piège à NOx exige également l’utilisation d’un carburant sans soufre (< 10 ppm). En effet en 

présence de soufre, le piège se sature progressivement de sulfates, plus stables que les nitrates, qui 

font chuter rapidement son efficacité et vont nécessiter de désulfater périodiquement le piège par 

des passages riches à haute température.

Figure 10 : Piège à NOx : compromis NOx/consommation en carburant