L'histoire du charbon de bois
Résidu formé de carbone presque pur, le charbon de bois est produit par la combustion partielle du bois dans un environnement où la quantité d'oxygène est contrôlée. Excellent combustible domestique, léger, il fournit également des gaz et liquides inflammables utilisables dans l'industrie.
Contrairement aux méthodes anciennes, la technologie moderne permet de récupérer les sous-produits de la carbonisation. L'industrie du charbon de bois, qui a prospéré à l'origine avec l'industrie métallurgique, a recommencé à se développer aujourd'hui.
Le charbon bois : un matériau primordial dans l'évolution humaine
Comme nous l’avons expliqué dans notre article sur l'histoire du feu, sa domestication et son influence sur l'évolution humaine, le destin de l’humanité aurait été bien différent sans la domestication du feu.
En effet, l’homme a pu sortir de l’âge de pierre à partir du moment où il a été en mesure de confectionner des objets métalliques et outils. Son environnement a alors été modifié. Ceci grâce au charbon de bois !
Le charbon de bois a été également utilisé dès la préhistoire pour dessiner.
Intérêt économique
Le charbonnage et les activités parallèles (transport du bois ou du minerai) a longtemps constitué une ressource importante pour les populations proches des forêts et des usines de métallurgie.
Mais revenons à la production de fer ….
Pour arriver à produire du fer, il était nécessaire de réduire le minerai oxydé en le portant à une température élevée.
L’homme y est parvenu en mélangeant du minerai broyé et du charbon de bois dans des «bas fourneaux» d’un mètre et demi de hauteur.
Le terme «bas fourneau» s'est répandu par opposition au haut fourneau quand celui-ci a été inventé.
Contrairement à ce que son nom semble souligner, ce n'est pas la hauteur qui le distingue du haut fourneau puisqu'il existait des bas fourneaux plus hauts que les hauts fourneaux, mais sa température.
Leur différence essentielle tient au produit obtenu : le bas fourneau est un fourneau à loupe, obtenue par réduction directe, par opposition au fourneau de coulée obtenue par fusion.
Pendant tout le Moyen Âge, le bas fourneau est, pendant tout le Moyen Âge, un procédé nomade, édifié en fonction des affleurements de minerai et de la disponibilité du combustible.
Au début du XIIIème siècle, des fourneaux plus efficaces apparaissent. Ceux-ci, en utilisant l'énergie hydraulique pour souffler l'air de combustion, deviennent plus gros et valorisent mieux le combustible. Jusqu’au XVème siècle, le fer a été produit de cette façon.
Ensuite, jusqu’à fin du XVIIIème siècle les hauts fourneaux sont apparus (4 à 5 m de hauteur) et ont permis de couler la fonte à partir du minerai.
La production de charbon de bois a connu une perte de vitesse au XIXeme siècle. Le charbon de bois fut remplacé par le charbon minéral, dont le coût était moindre.
A la fin du siècle, la chimie du bois et de ses dérivés consistant en un traitement par distillation de la condensation des fumée de carbonisation s’est développée. Cela a permis d’obtenir des produits tels que l’acide acétique, l’acétone, l’éthanol, le méthanol. Le charbon de bois devint alors un sous-produit de la carbonisation et sa production a connu un nouvel essor.
Ensuite, à partir de 1924, la pétrochimie a permis de développer des produits de synthèse à plus grande échelle et à moindres coûts.
Vint la seconde guerre mondiale. Le charbon de bois fut employé pour fabriquer un combustible : le gazogène, produit par un mélange de charbon de bois et d’eau. Ce combustible a été utilisé par les voitures et les camions, pendant la guerre et quelques années qui l’ont suivie.
Plus onéreux et moins pratique que le pétrole, le gazogène fut vide abandonné. Pourtant, on pourrait se demander s’il ne serait pas un combustible d’avenir car il est entièrement biologique, renouvelable et non polluant…
Les charbonnières
En se promenant dans nos forêts, notamment dans les Ardennes, on peut parfois rencontrer des vestiges de places charbonnières, derniers témoins d'une activité séculaire.
Une charbonnière est le nom populaire de l'endroit où se fabrique le charbon de bois par cuisson de la «meule», sa désignation précise est «loge charbonnière».
Cet endroit comprend l'aire de charbonnage (c’est à dire l’espace aménagé en terrasses d’ une surface horizontale, de 7 à 8 m de diamètre), la cabane du charbonnier et l'aire de stockage.
Les charbonnières étaient reliées entre elles par des petits sentiers dont on peut retrouver certains tronçons quand ils ne sont pas ensevelis sous les broussailles !
Tableau de Léon Le Goaesbe de Bellée représentant une charbonnière (En forêt, le givre - Musée des Beaux-Arts de Vannes)
La métallurgie et les Maîtres de Forges
L'exploitation des meules s'est développée parallèlement à l'exploitation des mines, puisque le fer était fondu grâce au charbon de bois.
Les maîtres forgerons désiraient exploiter la forêt d’une façon rationnelle. Les entreprises métallurgiques s'installaient dans les parcelles forestières, où elles pouvaient recevoir d'importantes concessions pour l'extraction du bois. Le charbon de bois est un excellent agent réducteur joua un rôle essentiel dans le traitement des minerais métalliques. La métallurgie du fer repose essentiellement sur la réduction rouge des oxydes de fer par le monoxyde de carbone. Les maitres forgerons utilisaient pour celà des meules.
Qu'est ce qu'une meule ?
Le principe de la meule consiste à empiler le bois par couches superposées, (voir illustration) de façon à former une meule ou fourneau.
Ensuite les charbonniers recouvraient la meule d'une couche de feuilles sèches et de mousse, puis disposaient sur celle-ci une couche de terre mélangée de la poussière issue des fourneaux précédemment carbonisés afin empêcher l'accès de l'air (frasil).
Le volume des meules varie selon les emplacements, 2 ou 3 mètres cubes dans certains pays montagneux contre 300 ailleurs.
Illustration accompagnant l'article sur le charbon de bois dans le Précis illustré de mécanique de 1894, représentant une meule en coupe.
Il existe trois principaux types de meules :
- les petites (contenance de 8 à 15 stères)
situées dans les forêts du bassin Parisien : (aussi nommées fourneaux de Paris). Le charbon produit est bien cuit et parfaitement adapté aux usages domestiques. Elles se généralisent quand la consommation de charbon de bois de l'industrie métallurgique diminue.
- les moyennes (contenance de 35 à 60 stères)
Principalement localisées dans l'Est de la France, elles produisaient surtout du charbon destiné aux forges.
- les grandes, (plus de 100 stères)
Situées dans le Jura, les Landes et le Doubs, les grandes meules sont peu utilisées.
Photos de la construction d'une meule à charbon de bois vers 1900 :
Perfectionnements des procédés
Le rendement des meules, tributaire de facteurs extérieurs, était très variable et généralement faible. Pour pallier cet inconvénient des meules, des constructeurs dont les plus connus sont Moreau et Dromart (environs de 1875) ont donc inventé des appareils pour faire de la carbonisation en forêt.
Il s’agit de fours avec des enceintes métalliques de diverses formes. D'un usage plus facile que les meules, ils ne fonctionnent pas en vase clos mais sur le même principe que les meules. Certains sont amovibles afin d'être utilisés sur place en forêt. Ils permettent également la récupération des sous-produits comme le goudron ou les gaz.
L'appareil Moreau : «il est composé d'une cage en forme de dôme composé de plaques de fortes tôles montées sur un bâti en fonte. La partie supérieure se termine par une cheminée munie d'un couvercle mobile ; la partie inférieure est ouverte et la cage se pose simplement sur une aire préparée comme pour une meule ordinaire».
Les différents types de fours
Depuis l’âge du fer, de nombreuses civilisations ont produit du charbon de bois. C’est la raison pour laquelle il existe une grande diversité de matériaux et de technologies employées pour la construction des fours à charbons de bois.
On les classe en 3 grandes catégories :
1. Les fours à combustion partielle
Ils remontent à l’origine de la production du charbon de bois. Le procédé utilisé est de brûler une partie du bois contenu dans le four pour lancer et maintenir la carbonisation. Le principe de la meule en est l’origine. Utilisés encore de nos jours dans les pays en voie de développement, ils ont disparu de nos régions dans la période entre les deux guerres.
Le plus souvent, le feu était allumé par le haut dans une cheminée au centre ou parfois dans des ouvertures réservés dans la masse du bois au ras du sol. L’arrivée d’air est maitrisée en ouvrant des évents dans les différents points de la couche de terre.
Les meules peuvent être horizontales ou verticales.
Coupe verticale d’une meule à charbon de bois :
Image de Louis Viguier - Les Merveilles de la science, 1867 - 1891, Tome 3.
2. Les fours en vase clos (cornue)
Il s’agit d’enfermer le bois dans un réservoir et de ne laisser sortir que la fumée. Un chauffage situé à l’extérieur fournit la chaleur nécessaire en brûlant une partie des fumées dégagées afin de récupérer les jus pyroligneux après condensation des fumées de carbonisation. On est fin XVIIIe-début XIXe siècle, la chimie progresse et de nombreuses applications utilisent les jus pyroligneux.
De nombreux fours sont alors construits pour répondre à la demande, le rendement étant meilleur car on n’utilise plus de bois pour entretenir la carbonisation.
Les cornues peuvent êtres verticales ou horizontales.
Le plus gros inconvénient de ce procédé est que l'échange de chaleur se fait par les parois du four et que le bois cuit difficilement car il est au milieu. Il faut donc que la taille du four soit petite ce qui entraine des couts de manipulation élevés pour recharger ainsi que des couts de transport et de surveillance.
Un nouveau type de four est apparu après l'avènement des ventilateurs haute température : les fours à contact direct avec les gaz chauds.
3. Les fours à gaz chauds
Il s’agit de récupérer les gaz chauds d’une autre installation où est brulé du bois (ex : haut fourneau). Le bois arrive en haut du four dans les fumées de carbonisation et commence à sécher. Puis il descend vers la zone de carbonisation dans laquelle est injecté un gaz chaud. Ensuite le charbon continu sa descente pour être refroidi soit par de l’eau ou de l’air froid à la surface du four d’eau ou d’air froid soit par un gaz froid.
Les avantages étaient un rendement important, la régularité de la carbonisation et la possibilité de fabriquer du jus pyroligneux.
En revanche, outre sa grosse inertie et ses coûts installation élevés, ce procédé nécessitait un grand savoir faire et un contrôle permanent.
La carbonisation du charbon de bois commercialisé par Bois de Chauffage Ecologique est obtenue par pyrolyse dans four industriel continu 650° C.