Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est principalement utilisé comme combustible ainsi que comme liquide réfrigérant. Il est également reconnu comme étant un des principaux gaz à effet de serre.
Histoire
Alessandro Volta découvre le méthane en 1776 en s'intéressant au « gaz des marais » (l'ancien nom du méthane).
C'est à cause du grisou, responsable (encore de nos jours) de trop nombreuses catastrophes minières que furent mises au point, les lampes de sûreté dans les mines de charbon, et notamment la lampe de Davy.
Jusqu'aux années 1970, l'impact du méthane sur le climat était inconnu. En 1976, il a été démontré que le méthane était un gaz à effet de serre.
Ce n’est qu’avec la conquête de l'espace que l’on a découvert l’omniprésence de ce corps dans l’Univers.
Formation, stockages naturels
C’est le principal constituant du biogaz issu de la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l’absence d’oxygène. Il est fabriqué par des bactéries méthanogènes qui vivent dans des milieux anaérobiques c’est-à-dire sans oxygène.
Le méthane est ainsi le seul hydrocarbure classique qui peut être obtenu rapidement et facilement grâce à un processus biologique naturel. Nous utilisons principalement du gaz naturel et donc du méthane fossile, mais l’utilisation du méthane renouvelable, aussi appelé biogaz, est en développement : Suède, Allemagne, Danemark, Viet-Nam, Cambodge, Chine, Inde...
Le méthane se dégage naturellement des zones humides peu oxygénées comme les marais et certains sols longuement inondées. Il se forme aussi dans l'estomac et le tube digestif de nombreux animaux (de certains invertébrés aux mammifères). Ce gaz est présent en faible quantité dans les flatulences humaines .
Des quantités importantes de méthane sont piégées sous forme d’hydrates de méthane (clathrates) au fond des océans (où leur exploitation est envisagée) et dans les pergélisols. Ces deux réservoirs pourraient jouer un rôle important dans les cycles climatiques, et ils semblent commencer à perdre une quantité croissante de méthane dans l'atmosphère.
Propriétés physico-chimiques
Aux conditions normales de température et de pression, c'est un gaz incolore et inodore. Plus léger que l'air, le méthane en milieu non confiné s'échappe vers la haute atmosphère et n'a pas la tendance des gaz plus lourds que l'air (propane, butane) à former des nuages explosifs. Le méthane est un combustible qui compose jusqu'à 90% le gaz naturel. Sa température d'auto-inflammation dans l'air est de 540 °C . La réaction de combustion du méthane s'écrit :
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
1 m³ de méthane à 15 °C (gaz naturel) libère une énergie de 9,89 kWh (35,6 MJ)
Le gaz naturel, (constitué à plus de 90% de méthane) est transporté par navires (méthaniers) à une température de -162 °C et à une pression voisine de la pression atmosphérique. Les réservoirs sont construits sur le principe de la « bouteille thermos » et leur capacité peut aller jusqu'à 40 000 ou 50 000 m³ de gaz liquide par réservoir. Un méthanier comportant plusieurs réservoirs, sa cargaison peut actuellement atteindre 154 000 m³ de GNL, Gaz Naturel Liquéfié. Les futurs méthaniers pourront transporter jusqu'à 260 000 m³ de GNL. Le volume du méthane à l'état gazeux est égal à 600 fois son volume à l'état liquide, à pression atmosphérique.
Présent à tous les stades de l'industrie pétrolière, mais mal valorisé, il est fréquemment brûlé dans une torchère ; ce comportement contribuant à l'effet de serre, les pétroliers tentent de plus en plus de restreindre ce procédé.
Dans l'Univers
Selon l'ESA,
Le méthane a été retrouvé à l'état de traces dans plusieurs nuages interstellaires.
Le méthane est présent partout sur Titan, et même à l'état liquide sous forme de lacs, de rivières, et de mers, particulièrement près du pôle nord de l'astre. Sa présence en a été établie dès 1944. Au point que la chaleur dégagée par la sonde Huygens, lors de l'impact du 14 janvier 2005 a provoqué un notable dégagement de méthane gazeux.
L'atmosphère de Titan est principalement constituée d'azote avec une proportion de méthane allant de 1,4 % dans la stratosphère jusqu'à 4,9 % au niveau du sol. Il ne pleuvait pas lorsque la sonde Huygens s'est posée sur Titan, mais l'ESA n'exclut pas que des averses de méthane y soient fréquentes. Simplement, l'aridité du sol absorberait rapidement ces précipitations, à la manière des déserts terrestres.
Des traces de méthane sont détectées par la Nasa dans l'atmosphère de Mars en 2004, au moyen de spectromètres infrarouges à haute-résolution. cette découverte est rapidement contestée, avant d'être confirmée en 2009, après une étude de 90 % de l'atmosphère de Mars, durant 3 années martiennes (soit 7 années terrestres). Du méthane est effectivement périodiquement relâché notamment autour de Nili Fossae au nord de Syrtis Major Planum et de l'ancien volcan de Syrtis Major ainsi que dans la région d'Arabia Terra. Il y est émis en quantité significative : 0,6 kg/seconde durant l'été martien, ce qui est comparable aux taux mesurés localement sur Terre. Il pourrait éventuellement être d'origine biologique, mais cela reste à démontrer. M Mumma pose l'hypothèse qu'il puisse provenir d'un hydrate de méthane libéré lors de la fonte estivale de glace. L'origine pourrait également en être géologique, résultant de réactions chimiques de serpentinisation par métamorphisme hydrothermal entre eau et anciennes roches volcaniques riches en oxyde de fer(III) et en olivine. Une analyse isotopique pourrait infirmer ou confirmer cette hypothèse, mais imposerait d'aller y faire des prélèvements.
On trouve aussi le méthane sous forme de nuages et de brume sur Uranus et Neptune, de gaz non condensé dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne ; ainsi que peut-être sur les exoplanètes Epsilon Eridani c et Fomalhaut b.
Utilisation
Les gisements fossiles de gaz naturel comportent entre 50 et 60 % de méthane, le gaz naturel brut est épuré avant d'être injecté sur le réseau de distribution. La proportion de méthane présent dans le gaz naturel que nous utilisons est supérieure à 90% dans la plupart des gaz.
Le biogaz produit dans les décharges pourrait être (bien davantage) récupéré et valorisé sous forme d'électricité, de chaleur ou comme carburantautomobile. Pour l'instant, seules quelques expériences isolées (dans des fermes, des déchèteries...) ont vu le jour, spécialement dans les régions les plus froides (nord de l'Allemagne, de la France, Scandinavie...), mais la rentabilité économique de ces installations est loin d'être acquise. (voir l'expérience en prison rwandaise)
Environnement : contribution à l'effet de serre
Un gaz à effet de serre
Méthane atmosphérique, ppb
Le méthane est un gaz à effet de serre qui influe sur le climat. Il absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, et l'empêche ainsi de s'échapper vers l'espace. Ce phénomène contribue au réchauffement de la Terre.
De plus il contribue aussi indirectement à l'effet de serre en diminuant la capacité de l'atmosphère à oxyder d'autres gaz à effet de serre (comme les fréons). Son utilisation comme combustible émet du CO2 à hauteur de 380 Mt/an (les émissions industrielles avoisinent 6000 Mt/an) et de la vapeur d’eau, autre gaz à effet de serre important.
L'influence du méthane sur le climat est moins importante que celle du dioxyde de carbone mais elle est quand même préoccupante. Une molécule de méthane absorbe en moyenne 25 fois plus de rayonnement qu'une molécule de dioxyde de carbone sur une période de 100 ans, son potentiel de réchauffement global (PRG) est donc de 25 ; à échéance 20 ans, son PRG est même de 62. Le méthane est considéré comme le 3 gaz responsable du dérèglement climatique, après le CO2 et les fréons).
Variations récentes de teneur de l'air
Ce graphique montre l'augmentation des taux de méthane dans l'air de 1993 à 2007, avec ses variations saisonnières et la différence entre les hémisphères nord et sud ; Auteur: Ed Dlugokencky CMDL NOAA
Le taux de méthane actuel dans l'atmosphère terrestre est d'environ 1800 ppb, soit 0,00018%. Il s'est maintenu entre 1780 et 1810 ppb de 2000 à 2010 avec une grande variation suivant la latitude . Dans le passé, le taux de méthane dans l'atmosphère a varié souvent parallèlement à la température. Ce taux a augmenté d'environ 150 % depuis 1750 et atteint aujourd'hui un taux inégalé dans l'histoire, principalement suite aux activités humaines. Une augmentation des teneurs a été constatée en 2008/2009 . Les modélisations informatiques de la cinétique du CH4 dans l'air ont permis de remonter à la source des émissions pour les 20 dernières années de mesures atmosphériques. Selon ces travaux, la réduction des émissions et/ou une utilisation plus efficace du gaz naturel dans l'hémisphère Nord (amélioration de l'étanchéité des tuyaux de gaz, récupération du grisou ou du gaz de décharge pour produire de l'électricité..) ont permis une baisse des émissions dans les années 1990, mais une nette augmentation des émissions provenant de combustibles fossiles dans le nord de l'Asie a ensuite de nouveau été constatée (2006...). Le recul des zones humides, par drainage entre autres, et, dans une moindre mesure, les feux de brousse, expliquent aussi les variations mesurées du CH4 atmosphérique sur 20 ans.
Le méthane serait responsable d'environ 20% du réchauffement moyen enregistré depuis le début de la révolution industrielle, mais il semble depuis peu être émis en plus grande quantité (même en hiver) dans les régions circumboréales, et pour des raisons non comprises, son oxydation atmosphérique pourrait être en train de diminuer.
On estime que sans sa présence, la température moyenne de surface de la Terre serait plus basse de 1,3 °C.
