L'avenir du charbon de la Chine

Un visiteur arrivant à Shanghai remarque immédiatement l'énigme technologique de la Chine. À travers les vitres du train à lévitation magnétique qui couvre les 30 kilomètres de l'aéroport international de Pudong à Shanghai à une vitesse pouvant atteindre 430 kilomètres par heure, les progrès réalisés par le pays et le prix qu'il en paie sont évidents. La plupart du temps, une brume jaune plane sur la frénésie de construction de Shanghai. La pollution est la principale cause de décès en Chine, tuant plus d'un million de personnes par an. Et la première cause de pollution est aussi la source de l'énergie propulsant le train ultramoderne : le charbon.

Pour suivre le rythme de la croissance économique du pays, les gouvernements locaux, les services publics et les entrepreneurs chinois construisent, en moyenne, une centrale électrique au charbon par semaine. Les centrales électriques émettent un flux constant de suie, de dioxyde de soufre et d'autres polluants toxiques dans l'air ; ils rejettent également des millions de tonnes de dioxyde de carbone. En novembre, l'Agence internationale de l'énergie a prévu que la Chine deviendrait la plus grande source d'émissions de dioxyde de carbone au monde en 2009, dépassant les États-Unis près d'une décennie plus tôt que prévu. Le charbon devrait être responsable des trois quarts de ce dioxyde de carbone.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2007

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Et le problème va s'aggraver. D'ici 2020, la consommation énergétique de la Chine va plus que doubler, selon les estimations des experts. Accroître l'efficacité énergétique, exploiter les ressources renouvelables avec des barrages hydroélectriques et des éoliennes et construire des centrales nucléaires peuvent aider, mais – au moins au cours des deux prochaines décennies – de manière marginale. La Chine ayant très peu de réserves de pétrole et de gaz, son avenir dépend du charbon. Avec 13% des réserves prouvées du monde, la Chine dispose de suffisamment de charbon pour soutenir sa croissance économique pendant un siècle ou plus. La bonne nouvelle est que les dirigeants chinois ont vu venir la ruée vers le charbon dans les années 1990 et ont commencé à explorer une gamme de technologies de pointe. Le principal d'entre eux est la gazéification du charbon. C'est la clé du charbon propre en Chine, explique l'ingénieur chimiste Li Wenhua, qui a dirigé le développement avancé du charbon pour le programme national de R&D de haute technologie de Pékin (mieux connu en Chine sous le nom de programme 863) de 2001 à 2005.

La gazéification transforme le mélange complexe d'hydrocarbures du charbon en un gaz riche en hydrogène appelé gaz de synthèse ou gaz de synthèse. Les centrales électriques peuvent brûler le gaz de synthèse aussi proprement que le gaz naturel. De plus, avec les bons catalyseurs et dans les bonnes conditions, les éléments chimiques de base du gaz de synthèse se combinent pour former les ingrédients hydrocarbonés de l'essence et du carburant diesel. En conséquence, la gazéification du charbon a le potentiel à la fois d'étouffer les émissions de suie et de smog des centrales électriques et de réduire la dépendance croissante de la Chine à l'égard du pétrole importé. Cela pourrait même aider à contrôler les émissions de dioxyde de carbone, qui est plus facilement capté par les usines de gaz de synthèse que par les centrales au charbon conventionnelles.

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• Comment fonctionne la gazéification

Malgré l'anticipation précoce par la Chine du besoin de gazéification du charbon, la mise en œuvre de la technologie dans les centrales électriques a pris du retard. Les producteurs d'électricité du pays manquent d'incitations économiques et politiques pour rompre avec leurs pratiques traditionnelles.

En revanche, des efforts à grande échelle pour produire des carburants de transport liquides en utilisant la gazéification du charbon sont bien avancés. La plus grande entreprise chinoise de charbon, Shenhua Group, prévoit de démarrer la première usine de transformation du charbon en combustibles du pays en 2007 ou début 2008, dans le cadre de l'application la plus ambitieuse au monde de liquéfaction du charbon depuis la Seconde Guerre mondiale. Shenhua prévoit d'exploiter huit usines de liquéfaction d'ici 2020, produisant au total plus de 30 millions de tonnes de pétrole synthétique par an, suffisamment pour remplacer plus de 10 % des importations de pétrole prévues par la Chine.

Les progrès de la Chine dans la construction d'usines de conversion du charbon la placent loin devant les États-Unis, où la gazéification du charbon se remet encore d'une réputation entachée. Les programmes de démonstration de gazéification lancés aux États-Unis après les crises énergétiques des années 1970 sont devenus orphelins lorsque les prix du pétrole et du gaz ont chuté dans les années 1980. Cela a laissé beaucoup de gens avec l'impression que la technologie elle-même n'était pas fiable (voir Dioxyde de carbone à vendre, juillet 2005) . En Chine, en revanche, le pétrole n'a jamais semblé bon marché et le charbon n'a jamais perdu son éclat.

Charbon et Cachemire

Le nord de la Chine est en passe de devenir l'épicentre de l'industrie énergétique chinoise. Le principal attrait est le bassin houiller de Shenfu Dongsheng, une couche solide de 31 000 kilomètres carrés de charbon peu profond qui s'étend de la pointe nord de la province chinoise du Shaanxi à la limite sud de Nei Mongol, ou Mongolie intérieure. La réserve estimée du gisement de Dongsheng à 223,6 milliards de tonnes de charbon en fait le septième plus grand au monde ; les efforts visant à convertir une grande partie de ce charbon en carburants de transport pourraient en faire le plus rentable au monde.

Jusqu'à récemment, Erdos, la capitale du charbon de la Mongolie intérieure, était en grande partie épargnée par le monde moderne, délimitée par des chaînes de montagnes et la Grande Muraille au sud et par le fleuve Jaune au nord. Son isolement est maintenant terminé, grâce aux autoroutes fraîchement coulées et aux nouvelles lignes de chemin de fer roulant sur ses collines fissurées et ses vallées escarpées. Un aéroport devrait ouvrir cette année.

Le PIB d'Erdos a doublé entre 2001 et 2004, en grande partie à cause du charbon, des produits chimiques et du cachemire (Erdos fournit un quart du cachemire mondial). Pour atteindre les bassins houillers, vous conduisez 40 minutes au sud de la ville, en passant devant un mausolée des années 1950 pour Gengis Khan, le guerrier du XIIIe siècle qui a conquis une grande partie de l'Asie. À l'approche de la plaine inondable sèche de la rivière Wulanmulun, l'imposante infrastructure d'une douzaine de mines de charbon, dont certaines des plus grandes et des plus mécanisées au monde, jaillit du paysage aride. La région abrite également plusieurs centaines de mines plus petites et moins modernes (les gaz et les effondrements tuent au moins 6 000 mineurs chinois par an). Les mineurs pendant leur journée de congé passent en cyclomoteurs, trois ou quatre par véhicule, passant devant des camions de 40 tonnes remplis de charbon. Le long de l'autoroute, des terminaux de tri du charbon chargent des wagons destinés aux centrales électriques et aux ports de la côte est industrialisée.

Cependant, aucune de ces infrastructures et activités ne prépare un visiteur au complexe charbon-carburants de Shenhua, qui s'élève d'un plateau taillé dans les collines. C'est un site impressionnant, avec sa propre centrale électrique au charbon, des usines de gazéification et deux énormes réacteurs où le charbon sera liquéfié, pesant chacun 2 250 tonnes métriques (Shenhua a revendiqué le record du monde de levage lorsqu'il a mis les réacteurs en place en juin dernier) . Après une introduction en bourse de 2,95 milliards de dollars en 2005 et 5 milliards de dollars de revenus annuels provenant de ses mines, chemins de fer et centrales électriques intégrés, Shenhua étend rapidement ses opérations. Elle a vendu 113 millions de tonnes métriques de charbon au cours du premier semestre de 2006, soit presque le total de l'année précédente. Si Shenhua maintient ce rythme cette année, il pourrait devenir le plus grand producteur mondial de charbon.

Le gouvernement chinois à Pékin a créé Shenhua il y a une décennie pour apporter des économies d'échelle et une technologie moderne sur les bassins houillers de Dongsheng. L'usine de transformation du charbon en combustibles de 1,5 milliard de dollars de la société est l'expression de cette stratégie - une installation si ambitieuse sur le plan technique que de nombreux experts, chinois et occidentaux, doutaient qu'elle soit jamais construite.

La production de carburants de transport à partir du charbon remonte à l'Allemagne du début du XXe siècle, où les chimistes ont développé deux approches pour convertir les hydrocarbures solides à longue chaîne du charbon en hydrocarbures liquides plus courts que l'on trouve dans les carburants. (L'Allemagne nazie, avec peu d'accès au pétrole, s'est fortement appuyée sur ces processus pour alimenter son armée et son armée de l'air hautement mécanisées, produisant de l'essence, du diesel et du carburant d'aviation à partir du charbon.) Franz Fischer et Hans Tropsch ont inventé la plus connue des deux approches. dans les années 1920. La synthèse Fischer-Tropsch réduit le charbon en gaz de synthèse, un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Un catalyseur, souvent du cobalt, provoque ensuite la reconnexion des atomes de carbone et d'hydrogène en de nouveaux composés, tels que des alcools et des carburants. La synthèse Fischer-Tropsch est aujourd'hui une chimie conventionnelle : en Afrique du Sud, par exemple, Sasol, basée à Johannesburg, a construit des usines de transformation du charbon en pétrole de Fischer-Tropsch pour assurer l'approvisionnement du pays en carburant pendant les boycotts commerciaux des années d'apartheid ; et en échangeant différents catalyseurs, les usines chinoises de gazéification du charbon en produits chimiques ont utilisé Fischer-Tropsch pendant des décennies pour produire des produits tels que des engrais synthétiques et du méthanol.

L'usine de Shenhua, en revanche, a choisi le rival moins connu de Fischer-Tropsch, inventé par Friedrich Bergius une décennie plus tôt. Bien que largement utilisé par les nazis, le processus de Bergius a ensuite été abandonné. Le processus est connu sous le nom de liquéfaction directe, car il contourne l'étape du gaz de synthèse. En liquéfaction directe, la majeure partie du charbon est pulvérisée et mélangée avec une partie de l'huile synthétique de l'usine, puis traitée avec de l'hydrogène et chauffée à 450 °C en présence d'un catalyseur au fer, qui brise les chaînes d'hydrocarbures en chaînes plus courtes adaptées à raffinage en carburants liquides.

La liquéfaction directe produit plus de carburant par tonne de charbon que la synthèse Fischer-Tropsch. Les experts de l'Institut chinois de recherche sur le charbon à Pékin estiment que le procédé capte 55 à 56 % de l'énergie du charbon, contre seulement 45 % pour Fischer-Tropsch. Cependant, la liquéfaction directe est également beaucoup plus compliquée, nécessitant des centrales électriques et de gazéification séparées pour fournir de la chaleur et de l'hydrogène et un recyclage considérable du pétrole, de l'hydrogène et des boues de charbon entre des sections distinctes de l'usine. Et décomposer les hydrocarbures à la bonne longueur nécessite un contrôle minutieux des conditions de fonctionnement et un approvisionnement constant en charbon.

Shenhua a repensé le processus au cours des cinq dernières années pour augmenter l'efficacité et réduire les déchets, mais, en même temps, a augmenté sa complexité. Et l'entreprise prend un énorme risque technique et économique en poursuivant une technologie si nouvelle à une si grande échelle.

D'ici la fin de l'année, Shenhua espère pomper 20 000 barils de pétrole synthétique par jour, soit près de 500 fois plus que son usine pilote de Shanghai n'en produit. Selon Jerald Fletcher, économiste des ressources naturelles à l'Université de Virginie-Occidentale à Morgantown, l'usine d'Erdos constitue une expérience de 1,5 milliard de dollars qui ne pourrait avoir lieu qu'en Chine. Il serait difficile d'obtenir ce genre d'engagement de fonds en Occident sans une technologie plus éprouvée, dit Fletcher. Eric Larson, expert en technologie et modélisation énergétiques à l'Université de Princeton, le dit plus crûment : cela n'a pas beaucoup de sens de construire une énorme usine comme celle-là, car cela peut ne pas fonctionner.

Mais pour le gouvernement chinois, les récompenses pourraient valoir le risque. Malgré son introduction en bourse de certains actifs en 2005, Shenhua reste une entreprise largement détenue par l'État, et l'usine de liquéfaction directe sert un intérêt essentiel de l'État : la sécurité énergétique. Quel que soit le coût, Shenhua le construira, a déclaré Zhou Zhijie, expert en gazéification à l'Institut de technologie du charbon propre de l'Université des sciences et technologies de Chine orientale à Shanghai. Le gouvernement chinois soutiendra ce projet jusqu'à ce que le liquide coule.

Bien sûr, si la nouvelle usine fonctionne, Shenhua devrait réaliser un profit substantiel. La société prédit que son pétrole synthétique générera un bénéfice d'environ 30 $ le baril, bien que de nombreux analystes disent que 45 $ sont plus réalistes. (Les prévisions de prix les plus récentes du département américain de l'Énergie prévoient que le pétrole brut chutera à 47 $ le baril en 2014, puis grimpera régulièrement à 57 $ le baril en 2030.) Pour couvrir ses paris, Shenhua a également conclu un accord préliminaire avec ses partenaires Shell et Sasol. concernant plusieurs centrales à combustible Fischer-Tropsch de taille similaire ou plus grandes dans le nord de la Chine, qui démarreraient en 2012.

Les concurrents chinois du charbon de Shenhua sont également déjà en train d'innover sur leurs versions de centrales à charbon-carburant. Le groupe charbonnier Yankuang, deuxième producteur de charbon en Chine, envisage une centrale à combustible Fischer-Tropsch près d'Erdos qui utilisera un gazéifieur et un catalyseur exclusifs.

Au-delà des risques inhérents au déploiement à grande échelle de technologies non éprouvées, le boom des bâtiments de gazéification est aussi un pari environnemental. En effet, ce qui pourrait finalement freiner les ambitions charbon-pétrole de la Chine, c'est l'eau. L'Institut chinois de recherche sur le charbon estime que l'usine de Shenhua consommera 10 tonnes d'eau pour chaque tonne de pétrole synthétique produite (360 gallons d'eau par baril de pétrole), et le ratio est encore pire pour les usines Fischer-Tropsch. L'été dernier, la Commission nationale du développement et de la réforme de la Chine, l'organe puissant chargé de réguler l'économie chinoise et d'approuver les grands projets d'investissement, a émis un avertissement concernant les conséquences environnementales du développement incontrôlable d'usines de pétrole synthétique et de produits chimiques, qui, selon elle, consommeront des dizaines de millions de mètres cubes d'eau par an.

Cette prédiction semble particulièrement inquiétante dans le nord de la Chine, où l'eau est rare. Erdos est un mélange de broussailles et de désert dont les maigres réserves d'eau sont déjà surexploitées par la croissance démographique et les centrales électriques existantes. Zhou Ji Sheng, qui, en tant que vice-directeur de ZMMF, l'un des concurrents de Shenhua basé à Erdos, recherche un financement pour un projet de gazéification, reconnaît que la pénurie d'eau pourrait mettre fin à la gazéification du charbon dans la région. Même si nous avons tellement de charbon, si nous n'avons pas d'eau, nous devrons simplement utiliser la méthode traditionnelle pour l'extraire et le transporter, dit-il. L'eau est pour nous le facteur clé pour développer cette nouvelle industrie. Zhou dit que son entreprise envisage de compléter son approvisionnement en eau en construisant un pipeline de 120 kilomètres jusqu'au fleuve Jaune. Mais l'évaporation des réservoirs hydroélectriques, la demande accrue des villes et des industries en croissance et les effets du changement climatique signifient qu'en été, le fleuve Jaune atteint à peine la mer.

Puissance du carbone

Alors que le désir de la Chine de mettre fin à sa dépendance vis-à-vis du pétrole étranger contribue à générer d'énormes investissements dans la technologie de liquéfaction, les producteurs d'électricité du pays avancent beaucoup plus lentement pour tirer parti de la gazéification du charbon. Ce qui leur manque, comme leurs homologues américains, c'est une incitation à passer des centrales conventionnelles à charbon pulvérisé aux centrales de gazéification plus chères. Selon Li Wenhua, l'ancien responsable du programme 863 (qui dirige désormais les recherches sur la gazéification en Chine pour General Electric), les industriels chinois perçoivent les centrales au charbon pulvérisé comme une licence pour imprimer de l'argent. Les gens disent qu'il ne faut pas l'appeler une centrale électrique ; c'est une machine à gagner de l'argent, dit Li. Pour l'instant, aucune compagnie d'électricité n'a voulu être la première à éteindre.

Ironiquement, le passage de la Chine à une économie plus ouverte a entravé les efforts visant à déployer des technologies plus innovantes. Dans les années 1990, il semblait que le secteur électrique chinois se dirigeait vers sa propre révolution de la gazéification. En 1993, la principale société d'ingénierie électrique de Chine, China Power Engineering Consulting à Pékin, a commencé à concevoir la première centrale électrique de gazéification du pays. Le service public monopolistique de l'époque, la State Power Corporation, prévoyait de construire l'usine à l'échelle commerciale à Yantai, un port maritime prospère non loin de la mer de Bohai. L'usine de Yantai devait être le début d'une transition vers une technologie de charbon plus propre, a déclaré Zhao Jie, concepteur de l'usine, maintenant vice-président de China Power Engineering. La Chine voulait adopter un moyen plus propre et plus efficace de produire de l'électricité, dit Zhao. Au lieu de cela, l'usine de démonstration qu'elle a conçue a fait un tour de montagnes russes vers nulle part. Les travaux de conception ont été temporairement interrompus en 1994 lorsque le coût de la technologie a été jugé inacceptablement élevé, relancé à la fin des années 1990, puis abandonné après 2002 par la dissolution de la State Power Corporation.

La centrale électrique de Yantai était basée sur la technologie du cycle combiné de gazéification intégrée (IGCC). Les centrales IGCC ressemblent à des centrales électriques alimentées au gaz naturel - elles utilisent deux turbines pour capter l'énergie mécanique et thermique des gaz de combustion en expansion - mais sont alimentées par le gaz de synthèse d'une usine intégrée de gazéification du charbon. Ils ne sont pas exempts d'émissions, mais leurs flux de gaz sont plus concentrés, de sorte que la suie sulfureuse, le dioxyde de carbone et les autres polluants qu'ils génèrent sont plus faciles à séparer et à capturer. Bien sûr, une fois le dioxyde de carbone – le principal gaz à effet de serre – capté, les ingénieurs doivent encore trouver un endroit pour le stocker. La stratégie la plus prometteuse consiste à le séquestrer au plus profond des aquifères salins et des réservoirs pétroliers. Dans des analyses préliminaires, les géologues chinois ont estimé que les gisements de pétrole et les aquifères vieillissants pourraient absorber plus d'un billion de tonnes de dioxyde de carbone, soit plus que les centrales au charbon de la Chine n'émettraient, à leur rythme actuel, pendant des centaines d'années.

Le groupe Huaneng, un producteur d'électricité basé à Pékin, a réuni un consortium d'intérêts énergétiques et charbonniers (Shenhua inclus) appelé GreenGen pour construire la première centrale de démonstration IGCC chinoise d'ici 2010 ; à l'instar du projet FutureGen connexe organisé par le département américain de l'Énergie, GreenGen doit commencer par la production d'électricité, puis ajouter le captage et le stockage du carbone. Le vice-Premier ministre chinois, Zeng Peiyan, a fait une apparition lors de la cérémonie des débuts de GreenGen l'été dernier, indiquant le soutien de Pékin au projet.

Le problème est que les centrales IGCC coûtent encore environ 10 à 20 % de plus par mégawatt que les centrales électriques au charbon pulvérisé. (Et c'est sans capture du dioxyde de carbone.) Les producteurs d'électricité de la Chine, tout comme leurs homologues aux États-Unis et en Europe, attendent une raison financière ou politique pour faire le changement. Ce qui manque en partie, c'est une réglementation qui pénalise les centrales au charbon conventionnelles. Et les agences environnementales chinoises manquent de ressources et de pouvoir pour obliger les entreprises à se conformer même aux réglementations déjà en vigueur. De hauts responsables à Pékin admettent que leurs décrets sont largement ignorés, car de nouvelles centrales électriques sont érigées sans évaluation environnementale et, selon certaines sources, sans équipement requis pour le contrôle de la pollution.

Même les partisans de la technologie IGCC s'attendent à ce que son déploiement à grande échelle en Chine prenne au moins une autre décennie. En effet, Du Minghua, directeur de la chimie du charbon à l'Institut chinois de recherche sur le charbon, prédit qu'il faudra attendre 2020 avant que l'application de la technologie IGCC ne commence véritablement.

En attendant d'inhaler

Malgré ces prédictions pessimistes, la vaste expérience de la Chine avec les technologies avancées du charbon et sa capacité avérée à mettre en œuvre de nouvelles technologies à un rythme effarant laissent largement place à l'optimisme. Lorsque vous faites la course à Shanghai à un tiers de la vitesse du son dans un train soutenu par un champ de force électromagnétique, il est difficile de croire qu'un pays capable d'un tel exploit technique continuera d'ignorer la pollution mortelle qui engloutit ses villes.

Pour certains analystes, le passage à la technologie du charbon propre semble presque inévitable. La Chine doit dépendre du charbon pour ses futurs besoins en électricité et en carburant, et elle devra éventuellement plafonner ses émissions de CO2, a déclaré Guodong Sun, expert en politique technologique à l'Université Stony Brook de New York qui a conseillé le gouvernement chinois sur la politique énergétique. La gazéification est l'une des très rares technologies capables de concilier ces scénarios conflictuels à un coût raisonnable.

Pourtant, le calendrier d'une telle transition technologique est très remis en question. La Chine attendra-t-elle vraiment 2020 pour entamer le processus d'assainissement de ses centrales au charbon ? La réponse dépendra, en fin de compte, du moment où la Chine commencera à penser qu'il est aussi urgent d'utiliser la gazéification du charbon pour produire de l'électricité que de l'utiliser pour produire des carburants de transport – lorsque les coûts de la pollution atmosphérique deviendront aussi inquiétants que les coûts liés au pétrole étranger.

Peter Fairley, un Examen de la technologie écrivain collaborateur, a voyagé en Chine en octobre.

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