La renaissance du charbon : d'un mode de maintien à une nécessité du marché

Depuis plus d'une décennie, l'industrie charbonnière américaine est en déclin, marquée par une baisse des investissements, une réduction des capacités de production et la montée en puissance constante du gaz et des énergies renouvelables. Pourtant, en 2025, une tout autre histoire se dessine. Partout dans le pays, des centrales à charbon, autrefois destinées à une fermeture discrète, sont remises en service d'une manière que peu avaient anticipée : non pas par nostalgie, mais sous l'effet d'un nouveau type de choc de la demande, lié à l'essor de l'intelligence artificielle (IA), des centres de données et de la relocalisation des activités industrielles.

Les besoins énergétiques massifs et continus engendrés par l'IA et le cloud computing, conjugués à la croissance de la production manufacturière américaine, ont provoqué une pénurie de capacités que les énergies renouvelables et le gaz ne peuvent à eux seuls combler. Un assouplissement temporaire des pressions politiques a permis aux centrales à charbon de connaître une seconde phase, non plus axée sur l'expansion, mais sur l'efficacité, la fiabilité et la rentabilité des investissements.

De la survie à la modernisation sélective

Au cours de la dernière décennie, la plupart des centrales à charbon ont fonctionné en « mode maintenance uniquement ». Avec des prix de gros bas et une forte incertitude réglementaire, les investissements ont été reportés, les unités ont vu leur rendement diminuer et l'encrassement et l'accumulation chroniques de scories sont devenus monnaie courante.

Aujourd'hui, les entreprises de services publics sont appelées à faire plus, à optimiser leur fonctionnement et à réduire leur impact environnemental sans investissements majeurs. Cette situation les a incitées à privilégier une modernisation ciblée, notamment dans les domaines offrant des avantages immédiats et mesurables.

Récupérer les mégawatts perdus grâce à la chimie

L'un des outils les plus efficaces pour transformer l'économie du charbon est l'optimisation de sa composition chimique, notamment grâce au programme d'additifs CoalTreat d' Environmental Energy Services (EES) . Appliqués au combustible, les additifs CoalTreat modifient les caractéristiques des cendres pendant et après la combustion, augmentant ainsi les températures de fusion, réduisant l'encrassement et permettant de récupérer les mégawatts perdus.

Dans une chaudière à combustion tangentielle de 750 MW, CoalTreat a éliminé l'encrassement de la section de réchauffage, une cause fréquente de baisse de puissance. L'unité a ainsi vu sa production augmenter de 3 % et ses émissions _{de NOₓ} diminuer de 0,02 lb/MMBtu.

Une autre centrale de 650 MW, alimentée par un mélange de charbon à haute teneur en scories provenant du bassin de l'Illinois et des Appalaches du Nord, a fonctionné cinq jours consécutifs à pleine charge après traitement – ​​un exploit autrefois impossible. Des caméras infrarouges ont confirmé la propreté des surfaces de la colonne montante et de la voûte avant tout au long du fonctionnement.

Les avantages économiques sont tout aussi importants. Le passage du combustible de qualité supérieure des Appalaches centrales à celui du bassin de l'Illinois a permis aux centrales d'économiser 40 $ par tonne, tout en maintenant la production et la conformité aux normes. Sur un autre site, l'encrassement a permis de réduire la température des gaz de sortie du four de 55 °C (100 °F), ce qui a amélioré le rendement thermique de 2,5 % et augmenté le chiffre d'affaires annuel net d'environ 2,5 millions de dollars.

Au cœur du processus : comment les additifs transforment les cendres

La formation de scories commence lorsque les minéraux contenus dans le charbon, tels que les silicates, le fer, le sodium et le potassium, se volatilisent et/ou réagissent pendant la combustion pour créer des dépôts à haute résistance, à bas point de fusion, parfois vitreux, qui adhèrent aux surfaces des tubes.

CoalTreat agit en introduisant des additifs chimiques spécialement formulés qui modifient la composition chimique des cendres, favorisant la formation de cristaux cassants (structures cristallines à point de fusion élevé comme l'anorthite et l'hématite) au lieu d'un verre amorphe « collant ». Le résultat :

• Les dépôts fondants ou en fusion se solidifient et deviennent friables, et sont facilement éliminés par soufflage de suie.
• Les températures de fusion des cendres augmentent de 150 à 200 degrés Fahrenheit.
• Les scories ou encrassements accumulés sont plus faibles, comme le montrent les données de résistance au frittage, devenant de plus en plus friables et plus facilement éliminés par l'équipement existant.
• Les arrêts forcés et les pertes par transfert de chaleur diminuent.

Les modifications de la composition chimique des cendres peuvent être observées grâce à des tests par sonde haute température (SHT) simulant les conditions de surface des tubes (Figure 1). L'accumulation des résidus de la sonde et les données de cartographie thermique associées montrent systématiquement une adhérence réduite des scories et une formation nulle ou réduite de « verre noir », validant ainsi l'efficacité du procédé chimique dans les conditions réelles de fonctionnement du four (Figure 2). Les tests SHT, associés à la photographie/thermographie infrarouge du four réalisée lors des essais sur le terrain, permettent de vérifier les performances lors de programmes de démonstration de courte durée.

Testé sur le terrain : restaurer les mégawatts perdus grâce à la chimie des carburants

Le passage d'une approche conservatrice à une priorité renouvelée visant à optimiser la capacité et la fiabilité de production d'électricité se manifeste quotidiennement dans l'ensemble du parc de centrales électriques américain. Les entreprises qui considéraient autrefois l'ajout de produits chimiques comme un dernier recours constatent désormais des gains opérationnels et financiers significatifs. L'étude de cas suivante, portant sur une centrale thermique au charbon américaine, démontre comment un programme ciblé de traitement du charbon a permis de récupérer des mégawatts perdus, d'améliorer le rendement thermique et de générer des gains de plusieurs millions de dollars, le tout sans investissements supplémentaires.

Étude de cas : Restauration des capacités perdues grâce à la chimie

Un service public du Midwest exploite une centrale électrique de 500 MW alimentée par un mélange de charbon à forte teneur en humidité et en cendres. Cette centrale a subi des réductions de puissance fréquentes et des arrêts forcés en raison d'un encrassement important. Les méthodes traditionnelles de nettoyage des suies, de délestage et les meilleures pratiques se sont avérées insuffisantes, entraînant la perte de milliers de mégawattheures de production chaque année, souvent pendant les périodes de pointe où la consommation est la plus élevée.

L'application d'un traitement additif spécifique a permis d'augmenter la température de fusion des cendres d'environ 110 °C et, grâce à des modifications cristallines dans le laitier, de réduire l'adhérence et l'accumulation. Durant la période d'essai initiale, la centrale a évité une perte de puissance de plus de 9 000 MWh due à l'encrassement et a réduit les arrêts forcés d'environ 120 heures. De plus, l'unité a amélioré son rendement thermique moyen de près de 200 Btu/kWh et a considérablement réduit la maintenance de la chaudière ainsi que la consommation de vapeur du nettoyeur de suie.

Les économies réalisées grâce à l'amélioration du rendement thermique contribuent à hauteur d'environ 1 million de dollars par an au résultat net de la centrale. Les ventes d'électricité excédentaire ont généré un bénéfice net d'environ 5 millions de dollars par an (après déduction des coûts du combustible), sur la base d'un prix de vente moyen de l'électricité de 100 $/MWh. Les économies réalisées sur la maintenance, grâce à la réduction des opérations de nettoyage des chaudières et des réparations de soudure, ont permis d'économiser environ 100 000 $ de frais de maintenance annuels.

Les ventes d'électricité en période de pointe continueront d'augmenter dans de nombreuses régions. Par exemple, les prix de pointe de l'électricité sur le réseau PJM ont atteint 898 $/MWh le 8 avril 2025 et 1 334 $/MWh le 23 juin 2025. Les centrales capables d'accroître leurs ventes d'électricité pendant les heures de pointe peuvent améliorer considérablement leur rentabilité. Ainsi, lors du pic de prix de juin 2025 sur le réseau PJM (1 334 $/MWh), la récupération d'électricité pourrait générer plus de 5 millions de dollars en une seule opération.

L'avantage principal n'était pas seulement financier. En stabilisant la combustion et en prolongeant la durée de vie des tubes, le programme d'additifs a également réduit les risques liés au nettoyage explosif. De plus, CoalTreat ne nécessite ni l'installation de canons à eau ni d'autres opérations de maintenance coûteuses. CoalTreat a démontré une fiabilité accrue des centrales et que la récupération des performances par traitement chimique peut remplacer des investissements importants et prévenir les pertes de ventes d'électricité lors des arrêts prolongés pour modernisation.

Flexibilité énergétique : un atout concurrentiel

Grâce à des programmes de traitement du combustible adaptés, les centrales électriques peuvent brûler en toute confiance des charbons moins coûteux et à plus forte production de scories sans compromettre les performances. Cette capacité à alterner entre différentes sources d'énergie constitue une protection précieuse contre la volatilité des approvisionnements et des prix, tout en offrant un avantage stratégique face à l'évolution des besoins de production liée à la croissance de la charge de base pilotée par l'IA. En permettant l'utilisation de charbons « d'opportunité » moins chers sans sacrifier les performances, les centrales peuvent accroître significativement leur marge brute et maintenir leur flexibilité opérationnelle dans un contexte énergétique en constante mutation.

Les systèmes CoalTreat On-Demand (ODS) de dernière génération d'EES sont des systèmes de traitement portables et intelligents, déployables rapidement. Le dosage et le mélange des réactifs sont adaptés aux différents types de charbon et permettent un contrôle automatique. Les systèmes ODS peuvent être utilisés en continu pour contrôler l'encrassement persistant ou de manière intermittente lorsque certains mélanges/couches de charbon ou conditions d'exploitation engendrent des problèmes ponctuels.

Face à une demande d'électricité sans précédent, alimentée par l'IA et la relocalisation de la production (l'Agence américaine d'information sur l'énergie prévoit une augmentation de la charge des centres de données de 20 à 30 GW d'ici 2030, soit l'équivalent de plus de 50 centrales à charbon à 80 % de leur capacité), le parc de centrales à charbon existant demeure essentiel à la stabilité du réseau. Pour les acteurs du secteur, le message est clair : investir de manière ciblée, mesurer avec rigueur et optimiser les actifs existants. Dans ce contexte de forte demande, chaque réduction de puissance évitée, chaque gain d'efficacité et chaque tonne de combustible disponible comptent (Figure 3).

À l’ère de l’IA et du « big data », le charbon n’est pas encore condamné. En misant sur l’innovation ciblée et une chimie des combustibles plus intelligente, les exploitants démontrent que les installations existantes peuvent s’adapter (figure 4), en fournissant une énergie plus propre, plus fiable et plus rentable lorsque le réseau en a le plus besoin.

— P. Robert Santangeli, PE, est vice-président de l'ingénierie et des opérations chez EES Inc. Il peut être contacté à l'adresse suivante : [email protected] .