Évolution de la structure des pores du charbon lors d’un traitement thermique souterrain : une investigation expérimentale

Transformer le charbon d’un problème climatique en un outil climatique

Le charbon est généralement perçu comme un acteur majeur du changement climatique, mais cette recherche explore une manière de transformer des couches de charbon profondes et inexploitées en une source d’énergie plus propre et en un réservoir pérenne pour le dioxyde de carbone (CO2). En chauffant doucement le charbon in situ plutôt qu’en le brûlant à la surface, on peut produire des carburants utiles tout en laissant sur place un matériau riche en carbone, semblable à une éponge, susceptible de stocker le CO2 de façon sûre. Cette étude pose une question simple mais essentielle : lorsque le charbon est chauffé sur place, comment sa structure interne de « pores » évolue‑t‑elle, et quelle capacité de stockage du CO2 peut‑on attendre ensuite ?

Chauffer le charbon sans l’extraire

La méthode, appelée traitement thermique souterrain du charbon, réchauffe lentement les couches de charbon dans un environnement dépourvu d’oxygène, à des températures allant jusqu’à 600 °C. Plutôt que d’extraire le charbon, les ingénieurs injecteraient de la chaleur via des puits, récolteraient les gaz et liquides produits, puis réutiliseraient les mêmes puits pour injecter du CO2 dans la couche désormais traitée. Le résidu solide, appelé charbon pyrolytique, se comporte un peu comme une éponge rigide à base de carbone, remplie de pores de différentes tailles. Ces pores déterminent la quantité de carburant pouvant être produite lors du chauffage et la quantité de CO2 que la roche peut retenir ensuite, de sorte que comprendre leur évolution est central pour concevoir un procédé sûr et faiblement carboné.

Observer le labyrinthe caché du charbon

Pour scruter ce réseau poreux caché, les auteurs ont prélevé du charbon de faible maturité en Mongolie intérieure et ont chauffé lentement des échantillons jusqu’à huit températures cibles comprises entre 30 °C et 600 °C sous atmosphère d’hélium. Ils ont ensuite utilisé trois techniques complémentaires en laboratoire : l’adsorption de CO2 pour sonder les pores les plus minuscules (moins de 2 nanomètres), l’adsorption d’azote pour caractériser les pores de taille intermédiaire, et l’intrusion de mercure pour cartographier les pores et fissures plus importants. Ensemble, ces méthodes leur ont permis de suivre les variations du volume poreux total, de la surface interne et de la complexité du réseau de pores au fur et à mesure des différentes étapes de chauffage.

De l’espace qui se réduit à une éponge qui grandit

Les résultats montrent que le charbon ne se « dilate » pas simplement lorsqu’il est chauffé ; au contraire, son espace interne traverse des phases distinctes. Au début, lorsque la température monte de la température ambiante à environ 350 °C, le volume poreux global diminue en réalité, même si la surface interne augmente légèrement. Les liquides formés lors du chauffage initial s’infiltrent dans les pores plus grands et les encombrent partiellement, tandis qu’un nombre modeste de nouveaux pores très fins apparaît. Entre environ 350 °C et 450 °C, cette tendance s’inverse : les gaz et les liquides décomposés s’échappent, créant de nouveaux vides et élargissant à la fois les grands et les petits pores. Au‑delà d’environ 450 °C, et surtout à 600 °C, le charbon développe beaucoup plus de micropores ainsi qu’un regain de gros pores, de sorte que le volume total et la surface augmentent sensiblement et que le réseau poreux devient mieux connecté.

Trois étapes clés de la transformation du charbon

En reliant ces mesures à un indicateur standard de maturité du charbon, les chercheurs ont identifié trois étapes dans le processus de chauffage souterrain. Dans la première étape (faible maturité), l’espace se réduit car les liquides remplissent les pores de taille moyenne et grande. Dans la deuxième étape (maturité moyenne), la décomposition rapide de la matière organique et la libération de gaz creusent de nouveaux canaux, augmentant fortement le volume poreux et la connectivité. Dans la phase finale, centrée sur la génération de gaz à maturité élevée, la poursuite du dégagement de gaz et la réorganisation structurelle génèrent une forte densité de très petits pores parallèlement à l’expansion des grands pores. Les micropores fournissent la majeure partie de la surface interne où les molécules de CO2 peuvent s’accrocher, tandis que les grands pores servent d’autoroutes aidant le CO2 à pénétrer et à se propager dans la roche.

Ce que cela signifie pour le stockage du carbone en sous‑sol

En termes pratiques, un chauffage souterrain maîtrisé transforme un bloc de charbon relativement compact en une éponge plus complexe et à plusieurs niveaux. L’étude montre que fonctionner à des températures de traitement plus élevées dans l’intervalle testé augmente fortement le nombre de recoins microscopiques où le CO2 peut être retenu et améliore les voies qui permettent au gaz de se répandre dans la couche. Cette combinaison pourrait permettre au traitement thermique souterrain du charbon de produire des carburants utiles tout en laissant derrière lui un filtre souterrain capable de stocker le CO2 à long terme, contribuant ainsi à faire évoluer le rôle du charbon d’un fardeau climatique vers une composante d’une stratégie globale de gestion du carbone.

Citation: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

Mots-clés: traitement thermique souterrain du charbon, stockage de CO2, pores du charbon, technologie du charbon propre, séquestration du carbone