Méthane - Définition

Méthane
Vue 3D de la molécule de méthane
Général
Formule brute	CH4
Nom IUPAC	Méthane
Numéro CAS	[74-82-8]
Code ATC
Apparence	gaz
Propriétés physiques
Masse moléculaire	16,043 u
Température de fusion	90,55 K (-182,6 °C)
Température de vaporisation	111,75 K (-161,4 °C)
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le méthane (R50) est un hydrocarbure de la famille des alcanes.

Cette molécule possède 1 atome de carbone (C) et 4 atomes d'hydrogène (H).

Le méthane est le composant principal du gaz naturel. 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 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 les terres inondées. Il se forme aussi dans l'estomac des mammifères. C'est d'ailleurs le gaz principal des flatulences.

Des quantités importantes de méthane sont piégées sous forme d'hydrates de méthane au fond des océans. Mais attention : le carbone de ce méthane fossile n'est plus (du fait de la désintégration isotopique survenue sur des dizaines de milliers d'années), le plus souvent, du carbone 14 (¹⁴C) mais son isotope : le carbone 12 (¹²C). En cas de réchauffement climatique important, ce ¹²C, pourrait être largement relargué, ce qui ne serait pas sans poser de nombreux problèmes écologiques supplémentaires. De plus il en irait de même du dioxyde de carbone (CO₂) " fossile " piégé en encore plus grandes quantités au fond des océans sous forme de sels (principalement des bicarbonates)...

Quelques propriétés

numéro EINECS	200-812-7
Code	R50
Propriétés physiques
Point triple	90,68 K (-182,47 °C)
	11,7 kPa
Point critique	190,45 K (-82,7 °C)
	4,596 MPa
Masse volumique (à -164 °C)	415 kg/m³

• Aux conditions normales de température et de pression, c'est un gaz plus léger que l'air, incolore et inodore. Il se liquéfie à -161,4 °C et se solidifie à -182,6 °C.
• La densité du méthane liquide est de 0,415 à -164 °C.
• Sa solubilité dans l'eau est de 0,4 ml pour 100 ml d'eau à la température de 20 °C, cette solubilité dans l'alcool est de 47 ml à la même température et de 104 ml à 10 °C dans l'éther, toujours pour le même volume de 100 ml.
• Le méthane est un combustible. Il s'enflamme à 667 °C en présence d'oxygène. La réaction de combustion du méthane s'écrit :

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

• 1 m³ de méthane à 15 °C (gaz naturel) libère une énergie de 9,89 kWh (35,6 MJ)
• Le méthane (en fait, 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 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, composé à plus de 90% de méthane. 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.
• Le méthane est considéré comme très dangereux, car il explose facilement, dans les raffineries. Les torchères le brûlent pour éviter les problèmes. Ce point doit être modifié pour récupérer le méthane dans des conditions de sécurité correctes. C'est une explosion due au méthane qui a soufflé la raffinerie Total de Châteauneuf-les-Martigues en 1992.

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 sécurité dans les mines de charbon, et notamment la lampe à acétylène.

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 spatiale que l’on a découvert l’omniprésence de ce corps dans l’Univers.

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 méthane biologique, ou biogaz, qui est produit par la fermentation anaérobie de matière organique comporte 50 à 80 % de méthane, (60-65% généralement)

Le biogaz produit dans les décharges pourrait être (bien davantage) récupéré et valorisé sous forme d'électricité, de chaleur ou comme carburant automobile. Pour l'instant, seules quelques expériences isolées (dans des fermes, des déchetteries...) 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)

Contribution à l'effet de serre

Le méthane, gaz à effet de serre

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 24 fois plus de rayonnement qu'une molécule de dioxyde de carbone. Le méthane est considéré comme le 3e gaz responsable du dérèglement climatique, après le CO₂ et les fréons).

Dans le passé, le taux de méthane dans l'atmosphère a varié comme la température. La concentration de méthane a augmenté d'environ 150 % depuis 1750 et atteint aujourd'hui un taux inégalé dans l'histoire. Cette augmentation est principalement due aux activités humaines.

On estime que sans sa présence, la température moyenne de surface de la Terre serait plus basse de 1,3°C.

Sources de méthane

Globalement, on estime les émissions de CH_4> vers l’atmosphère à 500 Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources d’origine anthropique.

Les principales sources sont :

• Les zones humides : 32% des émissions.

Les marais, les mangroves tropicales et les rizières sont sujets à l’action de bactéries méthanogènes en milieu anaérobie. La température a une incidence sur les émissions, qui atteignent leur valeur maximale entre 37 °C et 48 °C, d’où une amplification des émissions en cas de réchauffement.

• Les énergies fossiles : 21% des émissions

Le gaz naturel est composé à 90% de méthane. Les fuites dans l'atmosphère lors de son extraction, de son transport, de son traitement et de sa distribution pourraient représenter jusqu'à 2% de la production de gaz naturel, les trois quarts de ces fuites ayant lieu chez le client, après le compteur. De même, le gaz piégé dans les filons de charbon lors de sa formation est relâché lors de l’extraction du minerai. Si l'on ne veut pas réduire l’utilisation de ces énergies fossiles et sans un investissement massif dans les énergies alternatives, il faut donc rechercher des solutions pour limiter les fuites.

• Les ruminants : 16% des émissions.

Le méthane est un produit de la digestion incomplète lors de la fermentation gastro-entérique des ruminants. Une seule vache peut émettre 100 à 500 litres de méthane par jour. À cela s’ajoutent les déchets émis qui continuent leur décomposition sur le sol. Une seule solution : améliorer le régime de ces animaux et éviter le stockage des déchets, qui ne peuvent pas se dessécher lorsqu’ils sont entassés.

• Les déchets humains : 12% des émissions

Les lieux de stockage des déchets fermentent et émettent du méthane ; ce gaz pourrait être réutilisé comme source d’énergie.

• La biomasse : 10% des émissions

Le méthane émis provient de la combustion incomplète des végétaux, mais surtout de leur décomposition organique naturelle (comme les feuilles mortes des sous-bois).

• Les sédiments et océans : 4% des émissions

Les hydrates contenant du méthane (clathrates) pourraient émettre du gaz en cas de perturbation de la température océanique et/ou du dégel de certains sols riches de la toundra sibérienne et canadienne, mais ces émissions sont limitées actuellement. Toutefois, une augmentation de température entraîne une augmentation de l'émission de CH₄ par les clathrates. Cette source pourrait donc constituer une véritable bombe à retardement climatique en cas de réchauffement des fonds océaniques.

Les variations futures de ces émissions restent incertaines, on prévoit cependant une augmentation des apports de l’énergie fossile, des déchets et des sources agricoles, du fait du développement de la population mondiale, de l’industrialisation de certains pays et de la demande croissante en énergie.

Les puits de méthane

Les différents mécanismes d’élimination du méthane atmosphérique retirent environ 515 Mt/an. Le principal puits à CH? est le radical hydroxyde OH^- contenu dans l’atmosphère, qui contribue à 90% de la disparition de CH?. OH, agent oxydant des principaux polluants de l’atmosphère (CH?, CO, NOx, composés organiques), provient de la dissociation photochimique de O? et de H?O. La teneur en radical hydroxyde est donc influencée par la concentration atmosphérique en CH? mais aussi par celle de ses produits, dont CO. De même, divers mécanismes affectent la teneur en OH^- :

• l’augmentation de concentration urbaine en NOx engendre plus de formation d’O? et donc plus de dissociation en OH^- ;
• la chute de la concentration d’O? stratosphérique induit plus de rayonnement UV atteignant la troposphère et donc plus de dissociation d’O? troposphérique ;
• l’augmentation de la vapeur d’eau résultant de l’augmentation de la température moyenne produit plus de nuages bloquant les flux de protons, effet réduisant la formation d’OH^-, et plus de vapeur d’eau, réactif de formation d’OH^-.

On a constaté que depuis 1750, le niveau d’OH^- a diminué d’environ 20% du fait de l’augmentation en CO et CH?, et est aujourd’hui stable. D’ici 2050, ce niveau devrait encore diminuer de 25%, ce qui aura un impact important sur les teneurs en éléments traces gazeux. Les 10% restants sont dus à l’oxydation du méthane en terrain sec par des bactéries méthanotrophes qui l’utilisent comme source de carbone, ainsi que par son transfert vers la stratosphère.

Réduire les émissions de méthane

Il existe des moyens de diminuer les émissions de méthanes pour diminuer son action sur l'effet de serre :

• capter le méthane, ou biogaz, émis au niveau des décharges d'ordures ou stations d'épuration et l'utiliser au lieu de le brûler en torchère.
• capter et utiliser le méthane, ou biogaz, produit au niveau des systèmes de stockage des effluents d'élevages
• récupérer le méthane émis lors de l'exploitation minière
• sélectionner des espèces de riz moins productrices de méthane et utiliser moins de fertilisants, drainer régulièrement les eaux

• au niveau personnel :
  • réduire sa consommation de viande (en particulier bovine)
  • réduire sa consommation de riz (voir le lien entre riziculture et l'effet de serre)

Le méthane dans l'Univers (source ESA)

• Le méthane a été retrouvé à l'état de traces dans plusieurs nuages interstellaires.
• Le méthane se trouve partout sur Titan, et même sous forme de lacs, de rivières, et de mers. 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.
• Titan présente une atmosphère uniforme d'azote-méthane. 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 on également été découvert dans l'atmosphère de Mars^[1].
• Quelque part, dans l'Univers, une vie à base de méthane et non plus d'eau est-elle concevable sinon possible ? C'est l'une des grandes questions posées par cette mission. Avec Cassini c'est donc toute notre conception des exoplanètes (et donc du monde) qui est à revoir.
• L'atmosphère de méthane y permettrait le vol de " moins lourds que l'air " au point que les planétologues de l'ESA, rêvent d'y envoyer des ballons, des montgolfières, des robots mobiles… afin de comprendre ce monde extraterrestre dont on ne vient d'explorer qu'une infime partie.
• Dans quatre milliards d'années, lorsque le soleil enflera démesurément avant d'exploser et d'engloutir la Terre, les planétologues s'amusant à imaginer le temps qu'il ferait sur Titan, pensent qu'il devrait faire bon y vivre dans son atmosphère de méthane (pendant un bref moment seulement).

Notes et références

Les premiers alcanes : méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, décane