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Des quantités gigantesques de méthane tapissent certains fonds marins 

A la fin de l'année 2013, la Chine a annoncé  avoir identifié un gisement très important d'hydrate de méthane dans la partie nord de la Mer de Chine du Sud, rejoignant ainsi dans le monde le petit groupe des nations cherchant à exploiter cette future abondante source d'énergie. A l'heure actuelle, il n'existe pas de technologie capable d'exploiter commercialement cette source d'énergie appelée aussi "glace combustible". Le méthane gazeux y est piégé à l'intérieur de cristaux de glace gisant dans la profondeur des océans, et les experts prédisent qu'un développement commercial pourrait voir le jour au-delà de 2030.

Le MinistèreChinois de la Terre et des Ressources (MLR) 1 a donc déclaré le 17 décembre 2013 qu'il avait été découvert un gisement d'hydrate de méthane constitué en gros par un carré de 55 kilomètres de coté dans le bassin de l'embouchure de la rivière Pearl. L'estimation des réserves potentielles atteint 100 à 150 milliards de mètres cubes de gaz naturel, selon un rapport repris sur le site Internet du Ministère. 

Ce sont à peu près les dimensions d'un grand gisement de gaz naturel comme on en trouve dans la province de Sichuan.

Un département du MLR, le Guangzhou Marine Geological Survey Bureau (GMGSB) a effectués des prélèvements pendant les six derniers mois, en forant 23 puits. Ces prélèvements montrent que l'hydrate est de haute pureté. Deux couches d'hydrate ont été trouvées, d'une épaisseur de 15 à 30 mètres juste au-dessous du fond de la mer qui se trouve à une profondeur variant entre 600 à 1000 mètres sous la surface. Le rapport du GMGSB indique que "il s'agit d'une importante percée dans le domaine des hydrates de méthane, qui amène la Chine à devenir la quatrième nation après les Etats-Unis, le Japon et l'Inde dans cette technologie".

Che Changbo, Directeur adjoint du Département d'Exploration Géologique du MLR a déclaré que la Chine va continuer à extraire des échantillons à partir des différentes zones du gisement, afin d'accroitre les connaissances et de trouver les moyens d'exploiter cette nouvelle source d'énergie. "Personne ne sera capable de développer ces ressources sans avoir acquis une technologie solide" a déclaré Che par téléphone à l'Agence Reuters.

La Chine , qui est aujourd'hui le pays qui consomme le plus d'énergie au monde, a démarré des recherches sur les hydrates de méthane en 2002, après que le gouvernement chinois eu déclaré ce projet comme d'intérêt national.

Le Japon, qui possède très peu de sources d'énergie nationales, est probablement le seul pays au monde ayant jusqu'à aujourd'hui réussi à extraire du gaz à partir d'hydrate : en effet, en 2008, la société nationalisée  Japan Oil, Gas and Metals National Corp (JOGMEC) a réussi à produire du méthane pendant six jours consécutifs à partir d'hydrate contenu dans le permafrost au Canada. En mars de cette année, le Japon a de nouveau réussi à produire 12 000 mètres cubes de gaz en six jours dans l'Océan Pacifique au large de la Préfecture d'Aichi (exploit que Jean Laherrere, un des spécialistes de ce domaine, qualifiait récemmentpour moi dans un mail de "pet de lapin" ). 

En 2010, L'Agence Internationale de l'Energie estimait que l'énergie contenue dans les hydrates de méthane représentait presque le double de l'ensemble de l'énergie contenue dans les autres réserves, pétrole gaz et charbon combinés.
 

Origine et propriétés des hydrates de méthane

Occurence hydrates de méthane
 
Figure 1
Les hydrates de méthane sont présents sur les plateaux continentaux entre 300 et 1000 mètres.de profondeur, et dans le pergélisol. Ils n'existent que si la zone concernée est formée par des sédiments fins

L'hydrate de méthane , ou plutôt les hydrates de méthane car il y en a plusieurs, appartiennent à la famille des clathrates. Ce sont des composés solides contenant du méthane (gaz) et de l'eau. Un atome de méthane est emprisonné (clathraté) dans une sorte de cage formée par des atomes d'eau régulièrement disposés. Les "cages" peuvent comporter un nombre variable d'atomes, (on  a dénombré huit différentes cages) si bien que ces produits ont une formule chimique non constante comme les sont normalement les produits appelés "composés".

Les hydrates de méthane sont de découverte très récente (1996). Leur description a donc fait l'objet de déclarations très médiatiques, insistant surtout sur l'aspect instable de ces composés, et sur les dangers potentiels qu'ils pourraient représenter, dans la ligne du catastrophisme ambiant. Les catastrophistes, modèles à l'appui, ont prédit, dès la découverte de ces nouveaux produits, que le réchauffement climatique en cours allait réchauffer les océans assez pour que les hydrates de méthane tapis au fond de la mer se décomposent en méthane et eau, et que le méthane formé s'échapperait vers l'atmosphère où il jouerait son rôle de gaz à effet de serre et rendrait le Terre inhabitable. Heureusement, les spécialistes firent remarquer aux catastrophistes :

  • que pour déstabiliser l'hydrate du fond de la mer, il faudrait que la température de l'eau de mer monte significativement, et que le réchauffement devrait commencer par affecter les centaines de mètres d'eau situées au-dessus, ce qui demanderait beaucoup d'énergie et surtout beaucoup de temps.
  • que la loi de Stefan constituait, dans l'intervalle une contre-réaction puissante pour évacuer la chaleur en excès  sous la forme de rayonnement.
  • que le temps de vie moyen du méthane dans l'atmosphère était de l'ordre de la dizaine d'année, ordre de grandeur incompatible avec la lenteur avec laquelle, même aux meilleures époques de réchauffement, la température de la mer montait.
  • Enfin, que si du méthane s'échappait sous l'effet d'un réchauffement, il avait toutes les chances de se dissoudre tout simplement dans l'eau de mer avant d'arriver à la surface.

Les catastrophistes cherchèrent donc ailleurs des raisons de s'inquiéter, et changèrent progressivement leur fusil d'épaule : on ne parla plus de ce "fusil chargé prêt à faire feu". Mais on peut dire qu'on avait eu chaud ! 

Figure 2
Les hydrates de méthane sont stables  dans la zone de température et de pression définie par la zone jaune. Cependant, on n'en trouve pas aux profondeurs supérieures à environ 1000 mètres. 

En réalité, ces composés sont très stables, mais dans un domaine de température et de pression qui n'est pas le même que le domaine qui nous entoure : basse température (zéro degrés) et forte pression (50 atmosphères).

Les hydrates de méthane existent à l'état naturel dans les océans au niveau des bordures continentales ou encore dans le pergélisol arctique où l'on retrouve précisément les conditions de température et de pression qui correspondent à leur domaine de stabilité. Leur composition isotopique semble montrer que le méthane qui les compose est d'origine microbienne et non fossile. Cependant, cette interprétation est elle-même sujette à caution : en effet, les zones ou l'on trouve des hydrates de méthane entourent les continents d'une façon presque systématique à des profondeurs variant entre quelques centaines de mètres et 1 kilomètre de profondeur. Cette disposition suggère que ces hydrates pourraient avoir pour origine non pas le méthane produit par des bactéries présentes naturellement dans les sédiments des plateaux continentaux mais plutôt le méthane dissous dans l'eau de mer  en provenance de l'atmosphère. Le mécanisme de dépôt serait le suivant :

  • A la surface, la dissolution du méthane dans l'eau de mer serait, comme pour le CO2, fonction de la température : dissolution dans le sens atmosphère ⇒ mer si la température diminue, émission dans le sens mer ⇒ atmosphère si la température augmente. Cette hypothèse est confortée par les courbes de teneur en méthane et de température des carottes glaciaires du forage Vostok (voir figure 3). Cette hypothèse n'est pas incompatible avec la teneur isotopique du méthane des hydrates, dans la mesure où le méthane atmosphérique est d'origine végétale.
  • Carottes Vostok
    Figure 3
    Les taux atmosphérique de CO2 et de méthane évoluent de façon remarquablement parallèle dans les carottes glaciaires de Vostok.
  • A la profondeur où l'on retrouve l'hydrate, celui-ci se formerait à partir du méthane dissous et de l'eau, lorsque les conditions de stabilité (température et pression) seraient réunie. Cependant, la densité de l'hydrate est plus faible que la densité de l'eau de mer, et l'hydrate remonterait vers la surface au fur et à mesure de sa formation à cause de sa densité et retrouverait dans les couches supérieures ses conditions de décomposition. Néanmoins, dans le cas où l'eau de mer contenant le méthane se trouverait dans les interstices existant entre les grains de sédiments tapissant les fonds à des niveaux correspondant à la pression de stabilité, on peut imaginer que les grains d'hydrate ne puissent pas remonter librement vers la surface aussitôt formés et restent bloqués dans les interstices entre les grains de sédiments favorisant la formation ultérieure d'hydrate sur ces germes. Cette théorie expliquerait pourquoi on retrouve les hydrates au niveau des plateaux continentaux à partir d'une certaine profondeur et s'il y a des sédiments de grosseur convenable.
  • En dessous d'une certaine profondeur, l'hydrate en équilibre avec la solution se trouverait décomposé par le fait que la solubilité du méthane est fortement augmentée par la pression. (Il faut en effet noter aussi que les conditions de stabilité se trouvent réunie au-delà d'une certaine pression, et que pourtant, mystérieusement, on ne retrouve pas d'hydrate au-delà d'une profondeur de l'ordre de mille cinq cents mètres).

Quoi qu'il en soit, et quelle que soit leur origine et le mécanisme de leur formation, les quantités d'hydrate de méthane présentes dans les plateaux continentaux sont très importantes : de l'ordre de grandeur du double des quantités d'hydrocarbures classiques (pétrole et gaz) déjà répertoriées. En d'autres termes, les hydrates de méthane représenteraient,  d'après les estimations, des réserves qui tripleraient au moins les réserves actuelles en hydrocarbures.

Analogie avec le CO2

Comme le CO2, le méthane est d'autant plus soluble dans l'eau que la température de celle-ci est plus basse. 

Figure 5 : dégagement de méthane depuis le fond de la mer. (Courtoisie Jean Laherrere) - Attention : la solubilité définie ci-dessus suppose une atmosphère de méthane pur au-dessus de l'eau de mer.

Cependant, les propriétés des deux gaz divergent. En effet, au contact de l'eau, le CO2 se transforme en ions bicarbonates HCO3- et CO32-. Cette transformation constitue une réserve très importante de CO2 au sein de la solution qui perturbe complètement la relation entre produit dissout et produit présent dans l'atmosphère surmontant la solution.

Le méthane ne présente pas ce phénomène, et la relation entre la fraction présente dans l'eau et la fraction présente dans l'atmosphère surmontante suit la loi de Henry qui veut que la concentration du gaz dissout suit la pression partielle de ce gaz dans l'atmosphère surmontant la solution.

Contrairement à une croyance tenace, le méthane est légèrement soluble dans l'eau de mer et peut même y devenir très soluble. En effet, sa solubilité dans l'eau (et dans l'eau de mer) est extrêmement sensible à la pression : sous la pression atmosphérique et à 1 °C, 1 kg d'eau de mer surmonté d'une atmosphère de méthane dissout 1,94 millimole de méthane, soit 43 cm3. Mais à 100 bars, c'est à dire à une profondeur d'environ 1000 mètres sous la mer, cette solubilité (toujours à 1 °C) monte à  130,3 millimoles soit 2,91 litres.

Cette solubilité explique l'énigme de photos sous-marines montrant un panache de bulles de méthane sortant du fond marin et disparaissant au bout d'un parcours vers le haut de quelques mètres : sous une pression relativement forte, le méthane se dissout rapidement dans l'eau de mer.                                                     

Figure 4 : solubilité du méthane dans l'eau de mer d'après Duan ZH, Mao SD. (2006).      

Cette relativement grande solubilité est un obstacle pratique important à l'hypothèse du "fusil chargé" décrite plus haut qui était en vogue2 il y a quelques années. 

Cependant, ce phénomène implique que l'on devrait trouver des quantités non négligeables de méthane dans toutes les eaux de mer. Or, ce n'est pas le cas. On peut supposer, pour expliquer cette absence,  que le méthane subit une oxydation dans l'eau selon la réaction : 

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O                        (référence)

Le méthane atmosphérique se dissout lui-même dans les eaux de surface.  La concentration de méthane à la surface de la mer obéit à la loi de Henry qui précise que la quantité de soluté (le méthane) dissoute dans un solvant (l'eau de mer) surmonté d'une atmosphère gazeuse, est proportionnelle à la concentration du méthane dans l'atmosphère en question. La formule de Duan permettant la courbe de solubilité de la figure 4 indique que la solubilité du méthane dans l'eau de mer surmontée de méthane pur à la pression de 1 bar est de 1,94 millimole de méthane par kg de solution. Sachant que la concentration actuelle du méthane dans l'atmosphère est d'environ 1 800 ppbv (parties par milliard en volume), la concentration à l'équilibre du méthane à la surface de la mer doit donc être de :

1,94 * 1 800/1 000 000 = 0,00349 millimole ou 3,49 micromole par kg

Soit encore  78 microlitres par kg

C'est effectivement l'ordre de grandeur des concentrations en méthane retrouvées dans la mer au voisinage de la surface. 

Comme pour le CO2, la température doit donc provoquer la dissolution ou l'émission du CH4 dans l'atmosphère : la solubilité du méthane diminue lorsque la température augmente (voir figure ci-contre ). L'observation attentive des courbes donnant l'évolution des taux atmosphériques de méthane et de CO2 dans les carottes glaciaires de Vostok (courbes bleue et rouge de la figure 3) montre que les deux taux évoluent parallèlement. On note simplement que le taux atmosphérique de méthane peut diverger légèrement de la température pendant un certain temps, la divergence étant probablement due aux conditions locales et/ou temporelles de production naturelle. L'époque contemporaine est un exemple de divergence (devenue très forte) où la culture des plantes alimentaires (riz), l'élevage et la mise en production du gaz naturel jouent un rôle qui est devenu fondamental en ce qui concerne l'équilibre du méthane atmosphérique.

 Dans le cas des carottes glaciaires Vostok (voir fig. 3) le coefficient de corrélation entre les valeurs de température et les taux atmosphériques de CO2 d'une part, et les valeurs de température et les taux atmosphériques de méthane d'autre part sont respectivement de 0,854 et 0,749.

En fait, la relation température ⇔ taux atmosphérique de méthane est fortement perturbée par les phénomènes suivants :

la production de méthane peut influer rapidement le taux atmosphérique du fait que ce dernier taux est très faible (de l'ordre de 0,2 à 2 ppm) alors que celui du CO2 est de 400 ppm. Or, on sait que la production du méthane est favorisée par la chaleur. Lors des épisodes interglaciaires, la chaleur participe donc deux fois à l'augmentation de la teneur atmosphérique en méthane : d'abord par la diminution de la solubilité dans la mer, et ensuite par une plus grande production terrestre dans les zones marécageuses3

Au cours du dernier interglaciaire au milieu duquel nous sommes actuellement, l'augmentation de température a favorisé l'accroissement de la population humaine. Or, celle-ci cultive du riz pour se nourrir, et cette culture est génératrice de méthane. L'augmentation de la population humaine provoque aussi l'augmentation de la population de ruminants qui émettent des quantités significatives de méthane au cours de leur digestion. Enfin, l'exploitation du gaz naturel dans différentes régions du monde s'accompagne d'émissions volontaires ou non de méthane.

le méthane est très rapidement détruit dans la haute atmosphère par les radicaux •OH qui transforment celui-ci en CO2. La demie-vie du méthane dans l'atmosphère est de l'ordre d'une dizaine d'années seulement. 

Les techniques possibles d'exploitation

Nous avons vu que l'hydrate de méthane se présentait sous la forme de cristaux fins mélangés avec des sédiments en proportion assez faible. Si nous prenons le cas du gisement chinois, il est constitué par un carré de 55 km de coté et formé par deux couches de 15 à 30 mètres d'épaisseur, et contenant 100 à 150 milliards de m3 de méthane. Simplifions à 1 couche de 20 m d'épaisseur et une base carré de 55 km de coté. Cela constitue un volume de 55 000 × 55 000 × 20 = 6,05 1010 m3, arrondi à 6 1010 m

Les 125 milliards de m3 de gaz dans les conditions normales ont une masse volumique de 0,714 g / l soit 7,14 10-4 tonne / m3 (arrondi à 7 10-4 t/m3) et représentent donc une masse de : 125 109 × 7 10-4 = 875 106 tonnes ( ≈ 900 millions de tonnes).

Comme la densité de l'hydrate de méthane est voisine de 1 à la profondeur considérée, la couche contenant l'hydrate est donc constituée à 900 1061010

= 1, 5 % en volume d'hydrate de méthane. 

Pour exploiter ce "minerai" , il faut faire passer l'hydrate à l'état gazeux afin de pouvoir l'extraire. Comme le montre la figure ci-contre, deux techniques sont possibles : 

Soit augmenter la température,  soit abaisser la pression.

Dans les deux cas, comme le montre la figure, on fait sortir l'hydrate de méthane de sa zone de stabilité , et le méthane se retrouve à l'état gazeux. La (grande) difficulté restant à résoudre, c'est de pouvoir récupérer le gaz qui s'échappe.

La première expérience en vrai grandeur a utilisé la méthode thermique. Elle a été faite par les Japonais en 2002 sur le site de Mallik situé dans le delta de la rivière Mackenzie. Il s'agit d'un site "onshore", c'est à dire situé non pas dans la mer, mais dans les terres, dans une région où le sol est gelé en permanence sur une épaisseur d'environ 600 mètres. L'hydrate de méthane se trouve piégé dans une couche de sable située à 1100 mètres de profondeur surmontée par une couche argileuse imperméable.

L'opération à laquelle participaient 5 nations (Japon, Canada, USA, Inde et Allemagne) a consisté à installer un forage crépiné traversant la zone de l'hydrate, puis à injecterde l'eau à 80 °C par d'autres forages situés autour du premier. (Température estimée de l'eau à l'arrivée dans la zone productrice : 50 °C). Cet essai a duré 5 jours et a permis la production de 470 m3 de méthane, ce qui est très peu et peut être considéré comme un échec.

La seconde expérience a utilisé la méthode de la dépressurisation. Elle a été conduite aussi sur le site de Mallik et a comporté deux essais, en 2007 et 2008.

Le principe de la méthode est très simple : on équipe un forage traversant la couche productrice d'une crépine visible sur la figure ci-contre. Une pompe est ensuite descendue dans le forage, qui contient normalement une boue de forage dont les caractéristiques sont fixées pour maintenir l'équilibre hydrostatique. La boue est alors remontée partiellement à la surface, ce qui provoque une dépression qui se propage dans la couche productrice. En-dessous d'une certaine pression, l'hydrate de méthane se décompose et du méthane apparaît au sein de la couche productrice. Ce méthane est aspiré dans le tube du forage en raison de la dépressurisation, et remonte dans le tube d'où il est capté.

Ce second test a duré 5 jours 1/2 et a permis la production d'environ 13 000 m3 de méthane, ce qui est beaucoup plus que dans le premier essai. Malgré tout, une partie du méthane n'a pas pu être capté dans le forage, et s'est probablement réfugié dans la partie haute de la couche où il a été bloqué par une couche d'argile. Aussitôt la dépression stoppée, la pression est revenue à son état normal, et ce méthane s'est probablement recombiné en hydrate.

Curieusement, une des raisons qui explique le relatif échec des tentatives d'exploitation aujourd'hui est la même que celle de l'échec des tentatives de pénétration des véhicules électriques sur le marché : dans les deux cas on demande à des organisations spécialisées dans une technologie de résoudre un problème impliquant l'abandon éventuel de cette technologie. Ainsi, on demande à des foreurs d'inventer une technique qui peut différer sensiblement du forage et même supprimer celui-ci. De même dans le domaine des véhicules électriques, on demande aux spécialistes de techniques impliquant l'emploi de moteurs thermiques d'améliorer la technique de l'utilisation de l'énergie électrique, ce qu'ils résolvent en inventant le véhicule hybride dans lequel le moteur thermique est toujours présent. Dans les deux cas, on s'adresse à des personnes qui n'ont pas forcément ni l'envie , ni la capacité de sortir de leur domaine de compétence, ce qui explique que leurs solutions ne sont pas forcément adaptées.

Les techniques minières seraient probablement plus efficaces pour exploiter les gisement d'hydrate de méthane. Si la couche sédimentaire est suffisamment friable et suffisamment proche de la surface du fond de la mer, on peut, avec une richesse en méthane de l'ordre de celle calculée plus haut (1,5 %) imaginer un procédé qui consisterait à remonter par tout procédé convenable la totalité des sédiments méthanifères jusqu'au niveau de décomposition de l'hydrate . A ce niveau, le méthane pourrait être capté sous forme de gaz. Les sédiments seraient ensuite redescendu à leur niveau d'origine. Sur le plan théorique, on peut imaginer d'utiliser, pour remonter les sédiments, l'énergie potentielle récupérée dans leur redescente ce qui réduirait le coût de l'exploitation à l'énergie nécessaire pour l'excavation des sédiments. (Tout cela est évidemment très théorique).

Le schéma ci-contre illustre ce procédé : L'excavatrice doit évidement être équipée pour travailler entre 400 et 1000 mètres de fond, ce qui changera radicalement son aspect. Elle charge le terrain imprégné de méthane dans une benne A. Celle ci est reliée à un système de poulies analogue aux contrepoids d'ascenseurs qui laisse descendre une benne B pendant que la benne B monte jusqu'à une hotte étanche située à la surface ou à une profondeur inférieure à la profondeur de stabilité de l'hydrate. L'hydrate se décompose donc dans la hotte en méthane plus eau. Le méthane s'accumule dans le toit de la hotte où il peut être facilement récupéré. Comme déjà signalé, l'énergie nécessaire à la remontée de la benne A est presque intégralement fournie par la descente de la benne B puisque leur poids peuvent être fixés.

Ce schéma n'est qu'un principe, mais il montre que l'exploitation de l'hydrate de méthane en mer est possible, ce qui ouvre d'immenses perspectives quant à l'avenir de l'utilisation des hydrocarbures fossiles. Si, comme les observations semblent aujourd'hui le montrer, le problème des émissions de gaz à effet de serre n'est pas un vrai problème (reste à démontrer pourquoi, mais les scientifiques sont là pour faire leur travail), l'époque ou les hydrocarbures fossiles seront en pénurie est repoussée loin, très loin dans le futur. Et il est de moins en moins utile de s'exciter autour d'une "transition énergétique" qui a de moins en moins lieu d'être si ce n'est pour occuper les nombreux fonctionnaires au niveau local, national et international qui sont chargés de mettre en œuvre ce programme. Mais, au fait, si on applique la fameuse règle de base des enquête policière à savoir "rechercher à qui le crime profite" ne serait-ce pas précisément aux groupe de personnes que je viens de nommer que cette activité profite ? Et, ne sont-ils pas les mieux placés pour donner le maximum d'importance possible à cette fameuse "transition énergétique" afin de s'assurer une rente de situation bien confortable ?


(1) Ministryof Land and Resources

(2) Notons que la page personnelle de Gustaffson Örjan ne mentionne aucune publication concernant la "découverte alarmante" décrite dans l'article...

(3) Le méthane est ainsi devenu un indicateur plus ou moins fiable de la population humaine.

(4) Gérard Copin-Montégut Chimie de l'eau de mer ISBN 2 903581-142