GÉNÉRALITÉS
:
Le méthane est le résultat de la combinaison de
deux éléments : un atome de carbone C et quatre
atomes d'hydrogène H, soit
CH4.
Masse molaire 16,0428 g mol-1.
C'est un hydrocarbure saturé de la famille des alcanes.
Il est un des principaux gaz à effet de serre
(voir ici),
dont la contribution relative à ce phénomène
serait de 18 %, et comme le gaz
carbonique CO2 (de 49 %).
(l'émission d'un kilogramme de ce gaz correspond au rejet de
23 kilogrammes de dioxyde de carbone
CO2).
Il est 28 fois plus puissant que le CO2.
Le méthane est le composant principal du gaz naturel. Exemple,
le gaz de Lacq, dont la composition moyenne est la suivante :
CH4 : 69 %, H2S : 7-15
% et CO2 : 10 %.
Cest le principal constituant du biogaz issu de la fermentation
de matières organiques animales ou végétales en
labsence doxygène. Il est fabriqué par des
bactéries méthanogènes qui vivent dans des
milieux anaérobiques (cest-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 lutilisation du méthane renouvelable,
aussi appelé biogaz, est en développement :
Suède, Allemagne, Danemark, Viet-Nam, Cambodge, Chine,
Inde...
Il se dégage naturellement des zones humides peu
oxygénées comme les marais et les terres
inondées. Il se forme aussi dans lestomac des
mammifères (bovins en particulier, mais
également humanoïdes).
Évolution (par année) de la concentration moyenne
mensuelle et globale du méthane dans l'atmosphère
(en ppbv*) :
(exemple : en juin 2022, 1906.11 ppb en volume
(ppbv), données NOAA).
*ppbv : parties par billion en volume
(billion = milliard) - chiffres
NOAA, 2022 (NOAA
: National Oceanic and Atmospheric Administration, USA).
(
http://www.globalcarbonproject.org/methanebudget/16/files/MethaneInfographic2016
).
La durée de vie du méthane dans l'atmosphère est
d'environ 12 ans.
Nota : les proportions massiques peuvent être
évaluées approximativement en multipliant les
proportions volumiques par le rapport de la masse molaire du gaz
considéré, divisé par la masse molaire
théorique de l'air soit 28,95 g environ, par
exemple dans le cas du CH4 ce rapport n' est pas
négligeable puisqu'il vaut (16,043/28,95) =
0,554, d'ou la teneur massique en CH4 dans
l'air égale à (1850,5 x 0,554) =
1025,2 ppb en masse (ou ppbm).
Contribution relative des ressources biologiques à la
production mondiale de CH4 dans
l'atmosphère (Bolle et al., 1986)
:
Des quantités importantes de méthane sont
piégées dans les fonds marins sous forme
dhydrate de méthane ou
clathrate de méthane
( lien
externe) qui est
un composé naturellement présent, sur certains talus
continentaux, ainsi que dans le pergélisol des régions
polaires. C'est un des réservoirs de carbone
planétaires. Leur exploitation a donc été
envisagée.
Globalement, on estime les émissions de
CH4 vers latmosphère à 500
Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources dorigine
anthropique (activités humaines).
Mais il suffit donc que les océans se réchauffent un
peu pour qu'il se libère. On comprend aisément, vu le
pouvoir d'amplification de l'effet de serre du méthane, que le
processus pourrait s'emballer avec libération de plus en plus
massive de ce gaz, au fur et à mesure que la
température de la planète augmenterait.
Les prédictions les plus pessimistes du Giec pourraient donc
devenir réalité et même être
dépassées ou, pire, survenir beaucoup plus
tôt...
Une observation récente montre l'existence de l'action
très agressive de micro-organismes, qui s'attaquent au
méthane pour s'en nourrir en surface; selon les chercheurs, il
y aurait là un mécanisme naturel de régulation
des émissions de méthane. Même si les clathrates
venaient à être déstabilisés,
jusqu'à un certain point au moins, les émissions de
méthane ne rejoindrait pas l'atmosphère. Cette
conclusion avait déjà été émise il
y a quelques années après des mesures des suintements
de méthane au large de la Californie. On peut penser qu'il est
encore temps d'agir pour éviter le pire...
Voir, l'article
d'IFREMER, sur la fonte d'hydrates de méthane en Mer
Noire.
A voir > video
sur les gaz présents aux fonds des océans.
D'autres hydrates peuvent se former (d'éthane
et de propane). Plus la longueur de la molécule d'hydrocarbure
augmente (butane, pentane..), moins les hydrates formés sont
stables.
Un processus géologique (tel que la serpentinisation -
>* voir en
fin de page), peut être à l'origine du
méthane.
NB. La mise en service du satellite européen MERLIN en 2021 va
par ailleurs permettre daffiner les mesures de ce gaz
présent partout sur la planète.
Propriétés.
Gaz d'apparence incolore et inodore.
Aux conditions normales de pression et de température, le gaz
est plus léger que l'air (0,6709 kg
m3-1
à 15°C).
Solubilité dans l'eau : 22 mg·l-1
(à 25 °C)
Par ailleurs, le point triple Pt
( P = 117 hPa et T = -182,47 °C
[90,68 K] ) est inférieur
à la pression atmosphérique
terrestre (1 atm=1013,25 hPa), donc le
CH4 liquide ou solide ne peut exister
à notre pression atmosphérique "normale".
Il se liquéfie à T
= -161,4 °C (P =
1atm). C'est aussi le point d'ébullition du
méthane liquide.
Le point de fusion du méthane solide
(glace de méthane) est de -182,5°C
(90,65 K), et donc c'est aussi le point de
solidification du méthane liquide.
Le Point critique (Critical point
) se situe
à P = 4,596 MPa (45,96 bar) et Tc =
-82,7 °C [190,45 K] .
Pour liquéfier du gaz naturel, une des méthodes
consiste à prendre du méthane à 1 bar et
7°C (280 K)
et le comprimer
à 100 bars, puis on le refroidit jusqu'à -63°C
(210K). La compression est
supposée isentropique (d'entropie
constante), mais le rapport de compression très
élevé nécessite le recours à plusieurs
compresseurs (3 très souvent) avec refroidissement
intermédiaire à 7°C (280
K). Les pressions intermédiaires sont
égales à 5 et 25 bars.
Le méthane est transporté par navires
(méthaniers) à une
température de -163° C et à une pression voisine
de la pression atmosphérique. Les réservoirs sont
construits sur le principe de la "bouteille thermos". A plus faible
quantité il se transporte habituellement à
l'état liquide (GNL) dans des cylindres
d'acier sous pression.
Diagramme des phases Eau-Gaz-Hydrates de CH4 (clathrates) :
-----------------
Le méthane est un combustible. La réaction de combustion complète du méthane s'écrit :
1 m³ (0,678 kg ou 42,26 moles) de
méthane (gaz naturel à 15
°C) libère une énergie de
9,89 kWh (ou 35,6 MJ).
Diagramme d'inflammabilité du
méthane.
Zone en orange : compositions inflammables. Ligne en bleu :
mélanges méthane-air. Ligne en rouge : oxygène
et méthane dans les proportions stchiométriques
de la combustion. Ligne en brun : 12 % d'oxygène
(Crédit : Ariel Provost).