CH4

Méthane
Représentation de Cram et vue 3D
Général
Nom IUPAC	méthane
Synonymes	hydrure de méthyle grisou
No CAS	74-82-8
No EINECS	200-812-7
PubChem	297
SMILES	C eMolecules PubChem
InChI	InChI=1/CH4/h1H4
Apparence	gaz comprimé ou liquéfié, incolore et inodore.[1]
Propriétés chimiques
Formule brute	CH4  [Isomères]
Masse molaire	16,0425 g∙mol-1 C 74,87 %, H 25,13 %,
Propriétés physiques
T° fusion	-182,47 °C [2]
T° ébullition	-161,52 °C [2]
Solubilité	dans l'eau à 20 °C : 3.3 ml/100 ml[1]
Masse volumique	422,62 kg∙m3 (-161 °C, liquide) 0,6709 kg∙m3 (15 °C,1 bar,gaz)[2]
T° d’auto-inflammation	537 °C[1]
Point d’éclair	Gaz Inflammable[1]
Limites d’explosivité dans l’air	4,4 - 17 Vol.%[2]
Précautions
Directive 67/548/EEC
F+
Numéro index : 601-001-00-4 Classification : F+; R12 Symboles : F+ : Extrêmement inflammable Phrases R : R12 : Extrêmement inflammable. Phrases S : S2 : Conserver hors de portée des enfants. S9 : Conserver le récipient dans un endroit bien ventilé. S16 : Conserver à l’écart de toute flamme ou source d’étincelles - Ne pas fumer. S33 : Éviter l’accumulation de charges électrostatiques.
Phrases R : 12,
Phrases S : 2, 9, 16, 33, [3]
Transport
23    1971    Code Kemler : 23 : gaz inflammable Numéro ONU : 1971 : GAZ NATUREL (à haute teneur en méthane) COMPRIMÉ; ou MÉTHANE COMPRIMÉ Classe : 2.1 Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule); 223    1972    Code Kemler : 223 : gaz liquéfié réfrigéré, inflammable Numéro ONU : 1972 : GAZ NATUREL (à haute teneur en méthane) LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ; ou MÉTHANE LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ Classe : 2.1 Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule);
SIMDUT[4]
A, B1, A : Gaz comprimé température critique = -82,62 °C B1 : Gaz inflammable limite inférieure d'inflammabilité = 5,0% Divulgation à 1,0% selon les critères de classification
SGH[5]
Danger H220, H220 : Gaz extrêmement inflammable
Écotoxicologie
LogP	1.09[1]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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).^[6]

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

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 les terres inondées. Il se forme aussi dans l’estomac des mammifères. Ce gaz est d’ailleurs présent en faible quantité dans les flatulences humaines ^[7].

Des quantités importantes de méthane sont piégées sous forme d’hydrates de méthane (clathrates) au fond des océans ; leur exploitation est envisagée (2007).

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 ^[8]. La réaction de combustion du méthane s'écrit :

• 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 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 sont détectées par la Nasa dans l'atmosphère de Mars en 2004, au moyen de spectromètres infrarouges à haute-résolution ^[9]. 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).
  

  

  Vue d'artiste de la sonde Huygens dans l'atmosphère d'azote - méthane de Titan
  Du méthane est effectivement périodiquement relâché dans 3 zone du Nili fossae dont dans le secteur de l'ancien volcan Syrtis major dans la zone dite « Arabia terra ». Il y est émis en quantité significative : 0,6 kg/seconde durant l'été marsien, ce qui est comparable aux taux mesurés localement sur terre. Il pourrait éventuellement être d'origine biologique, mais cela reste à démontrer^[10]. M Mumma pose l'hypothèse qu'il puisse provenir d'un hydrate de méhane libéré lors de la fonte estivale de glace. l'origine pourrait alors en être géologique, résultant de réactions chimiques entre eau et anciennes roches volcaniques. Une analyse isotopique pourrait infirmer ou confirmer cette hypothèse, mais imposerait d'aller y faire des prélèvements.
• 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).
• On trouve aussi le méthane sous forme de nuages et de brume sur Uranus et Neptune, 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 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 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.^{[réf. nécessaire]} (voir l'expérience en prison rwandaise)

Environnement : contribution à l'effet de serre

Un 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 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^e gaz responsable du dérèglement climatique, après le CO₂ et les fréons)^[11].

Variations récentes de teneurs de l'air

Dans le passé, le taux de méthane dans l'atmosphère a varié souvent parallèlement à la température. Le méthane dans l'air a augmenté d'environ 150 % depuis 1750 et atteint aujourd'hui un taux inégalé ^[12] dans l'histoire, principalement suite aux activités humaines. Ce taux atmosphérique a stagné quelques années à partir de 2000 ^{[13] [14]} (peut-être plus ou moins "tamponnée" par son absorption dans les sols secs et sa dégradation par oxydation atmosphérique, mais surtout en raison d'un recul de nombreuses zones humides, soit par leur drainage, soit par leur assèchement accéléré par le réchauffement). Des climatologues australiens du CSIRO, américains et britanniques, ont à nouveau mesuré une augmentation des teneurs en 2008/2009 ^[15]. Les modélisations informatiques de la cinétique du CHA 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 et, dans une moindre mesure, les feux de brousse, expliquent aussi les variations mesurées du CH4 atmosphérique sur 20 ans^[16].

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.

Sources

Globalement, les émissions de CH₄ vers l’atmosphère s'élèveraient à 500 Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources d’origine anthropique.

Les principales sources (par ordre d'importance quantitative estimée) sont^{[réf. nécessaire]} :

• La fermentation anaérobie sous l'eau : 32% des émissions.
  Elles ont surtout lieu dans les zones humides (naturelles ou artificielles avec en particulier les rizières et barrages hydroélectriques qui ont inondé des forêts ou accumulé une importante charge organique. Il peut aussi s'agir d'estuaires devenus dystrophes ou de n'importe quelle zone d'accumulation de pollution organique, décharge par exemple).
  Les marais, les mangroves tropicales et les rizières sont sujets à l’action de bactéries méthanogènes en milieu anaérobie.
  La température agit sur les émissions, qui atteignent leur valeur maximale entre 37 °C et 48 °C, d’où une amplification des émissions en cas de réchauffement.
  

  

  Analyse par satellite montrant les concentrations de méthane (parties par million en volume) en surface (en haut) et dans la stratosphère (en bas).
  . En présence d'une quantité suffisante d'oxygène, l'activité bactérienne elle-même contribue à échauffer le matériau, mais avec émission de CO₂.
  L'analyse des gaz piégés il y a 10 000 ans dans les glaces polaires et l'étude du rapport isotopique carbone 13/carbone 12 du carbone de ces molécules de méthane (δ13CH₄) ont montré un doublement des taux de CH₄ lors de la dernière transition glaciaire-interglaciaire. Ce doublement est dû, à près de 50 %, aux régions marécageuses tropicales, renforcées par les émissions des tourbières boréales favorisées par la transition climatique^[17]

• 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. Le graphe ci-contre montre également l'importance des pertes lors de la production : on distingue clairement certains champs gaziers de grande taille, entre autres la mer Caspienne et la Sibérie.
  De même, le gaz piégé dans les filons de charbon lors de sa formation (le grisou) 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, surtout quand les animaux sont nourris avec des protéagineux (soja en particulier). Une seule vache peut émettre 100 à 500 litres de méthane par jour. À cela s’ajoutent les émissions liées aux déchets (excréments, fumier d'étable) qui continuent leur décomposition avec une méthanisation plus ou moins marquée selon le contexte. Parmi les solutions étudiées : améliorer l'alimentation animale, éviter le stockage des déchets qui ne produisent du méthane qu'à l'abri de l'air, ou au contraire récupérer ce méthane et le valoriser énergétiquement. L’apport de lipides alimentaires riches en acides gras polyinsaturés dans la ration des ruminants est une piste prometteuse. Des essais menés sur vaches laitières au centre INRA de Clermont ont montré qu’un apport de 6% de lipides issus de la graine de lin a diminué la production de méthane des animaux de 27 à 37%.^[18]

• Les déchets humains : 12% des émissions.
  Les décharges fermentent et émettent de grandes quantité de méthane ; ce gaz pourrait être réutilisé comme source d’énergie.^[19]

• La biomasse : 10% des émissions.
  Le méthane émis provient surtout de l'oxydation incomplète des végétaux, lors de certains processus de décomposition organique naturelle (comme les feuilles mortes des sous-bois accumulées sous l'eau, fermentation de vases riches en matière organique). Certaines espèces (Termites) peuvent produire des quantités significatives de méthane.

• Les sédiments et océans : 4% des émissions, mais qui pourrait fortement augmenter.
  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.

Prospective : Les variations futures de ces émissions sont incertaines, mais on prévoit une augmentation des apports de l’énergie fossile, des déchets, des sources agricoles et marines du fait du développement de la population mondiale, de l’industrialisation de certains pays et de la demande croissante en énergie, ainsi que du réchauffement climatique. Mais, comme indiqué plus haut, le fait est, en contradiction avec ces "prévisions", que la concentration du méthane n'augmente plus.

Les puits de méthane

Les différents mécanismes d’élimination du méthane atmosphérique retirent environ 515 Mt/an. Le principal puits à CH₄ est le radical hydroxyle OH^. contenu dans l’atmosphère, qui contribue à 90% de la disparition de CH₄ . Le radical OH^•, agent oxydant des principaux polluants de l’atmosphère (CH₄, CO, NOx, composés organiques), provient de la dissociation photochimique de O₃ et de H₂O. La teneur en radical hydroxyle est donc influencée par la concentration atmosphérique en CH₄ 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’O₃ et donc plus de dissociation en OH^. ;
• la chute de la concentration d’O₃ stratosphérique induit plus de rayonnement UV atteignant la troposphère et donc plus de dissociation d’O₃ 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 CH₄, 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.

L'évolution de la concentration en méthane semble marquer le pas^[20] (2007) ; cela pourrait s'expliquer par une destruction accélérée de molécules d'ozone O₃, catalysée par des radicaux NO^. en plus grande quantité^[21],.^[22]

Réduire les émissions de méthane

Il existe des moyens de diminuer les émissions de méthane 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 le brûler (la combustion forme du CO₂ qui a un effet de serre moins important). Cela permettrait de remplacer en partie d'autres énergies fossiles au lieu de le brûler en torchère comme c'est souvent le cas actuellement ;
• 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 et après celle-ci ;.
• Développer une riziculture moins productrices de méthane, diminuer les taux de fertilisants, lutter contre la turbidité des eaux et la production de sédiments méthanogènes, et donc en amont contre l'érosion, la régression et dégradation des sols.

• 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);
  • composter ses déchets en veillant à ce que le compost soit suffisamment aéré et drainé.

Notes et références

Voir aussi

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