Méthane
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 %.
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...
Il se dégage naturellement des zones humides peu oxygénées comme les marais et les terres inondées. Il se forme aussi dans l’estomac des mammifères (bovins en particulier, mais également humanoïdes).


Évolution de la concentration du méthane dans l'atmosphère (en ppbv*) :
(en 2018, 1850,5 ppb en volume (ppbv) ou 1025,2 ppb en masse (ppbm).

*ppbv : parties par billion en volume (billion = milliard) - chiffres NOAA, 2018 (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 d’hydrate 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 l’atmosphère à 500 Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources d’origine 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 d’affiner 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] .

Graphique de Pression de vapeur en fonction de la Température :

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.

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Diagramme des phases Eau-Gaz-Hydrates de CH4 (clathrates) :



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Le méthane est un combustible. La réaction de combustion complète du méthane s'écrit :

CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O
(méthane + oxygène => dioxyde de carbone + eau)
avec DH = -891 kJ·mol-1

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 stœchiométriques de la combustion. Ligne en brun : 12 % d'oxygène (Crédit : Ariel Provost).


Quelques caractéristiques :


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