Guide du méthane
Le méthane est un composé chimique de carbone et d’hydrogène. C’est un gaz incolore, inodore et inflammable dont la formule brute est CH4 et qui, de par sa structure, est le représentant le plus simple du groupe des hydrocarbures. Il est également appelé gaz naturel, méthylhydrogène, carbane et gaz de marais.
Le méthane est le principal composant du gaz naturel et du biogaz, et constitue également une part importante du gaz de bois. L’évolution industrielle et démographique des temps modernes a fait que le gaz méthane occupe la deuxième place, après le dioxyde de carbone (CO2), parmi les gaz à effet de serre dont les émissions sont dues à l’homme.
Il est présent dans l’atmosphère en moindre quantité que le CO2, mais son impact est 20 à 30 fois plus important. En tant que composant du gaz naturel, le méthane n’est pas seulement extrait de gisements souterrains épuisables, mais il est également produit en permanence par des processus biologiques et géologiques. L’homme l’utilise pour produire de la chaleur et de l’énergie, mais aussi comme produit de base pour de nombreux composés organiques.
L’article suivant se veut un guide sur le méthane, décrivant les principales propriétés et faits de ce composé chimique.
- Faits historiques sur le gaz méthane
- Propriétés physiques et chimiques du méthane
- Gisements terrestres de méthane
- Formation de méthane par des processus de putréfaction
- Gisements extraterrestres
- Extraction et production
- Utilisations
- Biologie et impact environnemental du méthane
- Aspects techniques de la sécurité
- Détection du méthane
Faits historiques sur le gaz méthane
Le phénomène du méthane est connu depuis environ 4.000 ans. En tant que partie d’une fuite de gaz naturel, il alimente des flammes appelées « feux éternels ». Ces incendies se reflètent dans les rapports et les archives qui ont été rédigés sur de longues périodes. Ils se produisent souvent dans des zones sous lesquelles du pétrole est stocké et qui sont exposées à des failles tectoniques.
Un « feu éternel » à Baba Gurgur, en Irak, pourrait par exemple être la fournaise décrite dans le livre de Daniel dans la Bible. Le souverain de l’époque, Nabuchodonosor, y a jeté certains des compagnons de Daniel pour les punir d’avoir refusé d’adorer une statue en or.
Le temple d’Apollon à Delphes, en Grèce, où se trouvait le célèbre oracle du même nom, a été construit sur une telle flamme éternelle aux alentours de l’an 1000 avant Jésus-Christ. Selon certaines hypothèses, les prêtresses qui y officiaient étaient influencées par l’inhalation de méthane, d’éthane et d’éthène, tous des gaz à faible effet narcotique.
En Chine, le gaz naturel était déjà utilisé au 4e siècle avant J.-C. pour l’évaporation de la saumure. La saumure et le méthane s’échappaient parfois simultanément des puits de forage correspondants. Depuis les puits « secs », le gaz était acheminé par des pipelines en bambou vers les lieux de traitement de la saumure.
La structure du méthane était inconnue jusqu’au 17e siècle. Au Moyen Âge, on le connaissait toutefois comme faisant partie des gaz de décomposition et, dans l’industrie minière, on savait déjà très tôt qu’il y avait un risque de coups de grisou lorsqu’un mélange gazeux de méthane, de monoxyde de carbone et d’air s’enflammait.
Les premières recherches plus précises sur le méthane ont été menées par l’Anglais Thomas Shirley dans les années 1660, puis par l’Italien Alessandro Volta un peu plus d’un siècle plus tard. Vers 1800, des essais ont été lancés pour utiliser un mélange de gaz méthane, d’hydrogène, d’azote et de monoxyde de carbone pour l’éclairage public dans les villes.
En 1812, le chimiste anglais Humphry Davy s’est rendu compte, après un grave accident minier dans la mine de Felling en Angleterre, que le grisou, redouté dans les mines souterraines, était composé en grande partie de méthane. La catastrophe, qui fit 92 morts, conduisit par la suite au développement de la lampe dite de Davy, dotée d’un tamis spécial qui agissait comme une sorte de pare-flamme et empêchait ainsi l’inflammation du gaz.
La première source de gaz naturel a été découverte aux États-Unis en 1821 par l’Américain William Hart. Le gaz était utilisé localement pour l’éclairage. Plus tard, Hart a fondé la première société américaine de gaz naturel. En 1856, le chimiste français Marcelin Berthelot a réussi à produire artificiellement du méthane à partir de deux substances, le sulfure d’hydrogène et le disulfure de carbone.
Aux débuts de l’exploitation pétrolière, le gaz naturel qui apparaissait en même temps et qui contenait principalement du méthane était encore brûlé inutilement à la tête des puits de forage. L’un des premiers grands pipelines, d’une longueur de 193 kilomètres, a été construit en 1891 pour acheminer le gaz naturel des puits de l’Indiana vers Chicago. Cependant, à l’époque du développement des réseaux de pipelines dans les années 1930, il y avait encore des problèmes d’hydrate de méthane, qui se formait dans les tuyaux à partir de méthane et d’eau, ce qui provoquait des obstructions.
L’utilisation du gaz naturel ou du méthane, telle que nous la connaissons aujourd’hui dans l’industrie et chez les particuliers, n’a été rendue possible qu’après la Seconde Guerre mondiale grâce à des développements techniques et des progrès dans la construction de pipelines. En raison de la forte augmentation des besoins énergétiques mondiaux, le méthane est devenu de plus en plus important pour l’approvisionnement global en énergie primaire.
Propriétés physiques et chimiques du méthane
Incolore, inodore et inflammable, le méthane a une densité inférieure à celle de l’air, ce qui lui permet de s’élever dans les couches supérieures de l’atmosphère sous forme libérée. Son point de fusion est de
-182,6 °C et son point d’ébullition à -161,7 °C. Lorsqu’il est enflammé, il brûle avec une flamme bleutée et sans formation de suie.
Dans des conditions normales, le méthane se décompose dans l’air, c’est-à-dire sous l’effet de l’oxygène, en CO2 et en eau. Cette réaction chimique entre une molécule de méthane et deux molécules d’oxygène produit une molécule de CO2 et deux molécules d’eau. La demi-vie de ce processus est toutefois relativement longue, puisqu’elle est estimée à 14 ans.
Le méthane est pratiquement insoluble dans l’eau en raison de ses caractéristiques non polaires. Il en va de même pour l’acétone. Il est en revanche très soluble dans l’alcool éthylique, le benzène et l’éther diéthylique. Lorsqu’il est enflammé dans un environnement suffisamment enrichi en oxygène, le méthane brûle et produit du dioxyde de carbone et de l’eau.
En présence d’air, il forme un mélange explosif à une concentration volumique de 5 % à 15 %. De tels mélanges de méthane et d’air, associés à la poussière de charbon, sont très redoutés par les mineurs dans les mines de charbon. Les mélanges de méthane, d’oxygène pur et de chlore peuvent également provoquer de violentes détonations. Lors d’une oxydation, c’est-à-dire d’une réaction avec l’oxygène, les différentes molécules sont complètement séparées. Au cours d’une chloration, en revanche, il se forme du chlorure de méthyle, du chloroforme ainsi que du dichlorométhane et du tétrachlorométhane. En outre, d’autres composés méthylés dérivent du méthane, notamment le méthanol, les halogénures de méthyle et les alcanes à chaîne plus longue.
Gisements terrestres de méthane
Il existe sur terre de multiples gisements de méthane. Il se forme par exemple par des processus de décomposition végétale, entre autres dans les marais et les marécages. Il est également le principal composant du gaz naturel (85 % à 98 %) et prédomine dans les gaz de mine enfermés dans les mines de charbon. Dans les couches profondes de la terre, le méthane peut se former à des températures et des pressions élevées. Une libération de ces sources se produit généralement lors d’activités volcaniques tout autour du globe.
Des gisements d’hydrates de méthane solides se trouvent sur le fond des mers et des océans. Ils se forment lorsque le gaz s’échappe du fond de la mer et qu’il est comprimé par l’immense pression de l’eau et les basses températures. Les premières tentatives d’extraction ont certes déjà eu lieu, mais elles ne sont pas sans danger. Certains experts craignent, en cas d’exploitation à grande échelle, que les pentes continentales, constituées en grande partie de glace de méthane, ne deviennent instables et ne glissent. Au niveau mondial, les réserves marines sont actuellement estimées entre 500 et 3.000 Gt (Gt = gigatonne = 1.000.000.000 de tonnes). En comparaison, les réserves connues de charbon s’élèvent à 900 Gt.
L’extraction et l’utilisation de l’hydrate de méthane pourraient résoudre certains problèmes énergétiques. Mais premièrement, il n’existe pas encore de technologie permettant de l’extraire de la mer. Et deuxièmement, la quantité de méthane libérée dans l’atmosphère lors de l’extraction serait telle qu’elle contribuerait, en tant que gaz à effet de serre, à un réchauffement encore plus important et à un nouveau dégagement de méthane. Certains craignent que le changement climatique et le réchauffement des océans qui en résulte ne fassent fondre et s’évaporer les hydrates de méthane, qui se retrouveraient ainsi dans l’atmosphère.
Formation de méthane par des processus de putréfaction
Les micro-organismes contribuent pour une part importante à la formation de gaz méthane. Cela se produit lorsque les matières organiques se décomposent à l’abri de l’air. Dans les marais, les tourbières et au fond des eaux fortement polluées se forme alors ce que l’on appelle le gaz de marais, un mélange de méthane etde CO2. Le biogaz se compose également principalement de méthane (environ 60 %) etde CO2 (environ 35 %). Les 5 % restants sont de l’hydrogène, de l’azote et du sulfure d’hydrogène.
Les micro-organismes responsables de la formation biologique de méthane sont des méthanogènes, des espèces particulières d’achéens. Ceux-ci réduisent des composés organiques simples comme le méthanol oule CO2 en méthane afin de produire de l’énergie pour eux-mêmes. Ce processus est appelé méthanogénèse.
Entre-temps, environ 70 % de toutes les émissions de méthane produites par les microbes sur la planète – estimées à environ 500 millions de tonnes par an – sont dues aux activités humaines, par exemple à la culture et à l’élevage dans le secteur agricole. La contribution de l’élevage bovin est à elle seule responsable de 39 % de ces émissions, et la culture du riz humide de 17 %.
Gisements extraterrestres
Le méthane n’existe pas seulement sur la Terre, il a également été détecté sur d’autres planètes et lunes de notre système solaire. Il s’agit notamment de Mars, Saturne, Jupiter, Neptune, Uranus et la planète naine Pluton, ainsi que des lunes de Saturne Titan et Encelade. On trouve également du méthane en dehors du système solaire.
L’atmosphère de Mars contient du méthane à hauteur d’environ 10,5 ppb. Des éruptions de méthane ont également été signalées sur la planète rouge. En règle générale, le gaz ne peut pas se maintenir dans l’atmosphère. Il n’y a aucun signe de l’origine des météorites. On suppose donc qu’elle a été reformée sur Mars, ce qui pourrait être un signe de vie sur place. Une autre cause possible est une origine volcanique, mais il n’existe pas encore de preuves à ce sujet.
Titan, la lune de Saturne, est une particularité. Il a une température de -180 °C et une pression atmosphérique d’environ 1,6 bar, ce qui correspond à peu près au point triple du méthane. C’est pour cette raison qu’il peut se présenter sous les trois états physiques sur Titan. Il y a des nuages de méthane qui font pleuvoir du méthane, des rivières et des lacs de méthane d’où il s’évapore à nouveau, formant ainsi un cycle fermé, similaire au cycle de l’eau ici sur Terre. On pense également qu’il existe sur Titan des icebergs composés de méthane et d’éthane.
Voici un aperçu des pourcentages respectifs de méthane dans l’atmosphère de quelques planètes en parties par million (parties par million) :
Erde : ~ 1,8 ppm
Mars : ~ 0,0105 ppm
Jupiter : 3.000 ± 1.000 ppm
Saturne : 4.500 ± 2.000 ppm
Uranus : 20.000 – 40.000 ppm
Neptune : 15.000 ± 5.000 ppm
Extraction et production
Dans des conditions de laboratoire, il existe différentes méthodes pour produire artificiellement du méthane. Les principales méthodes utilisées sont le carbure d’aluminium, l’acétate de sodium, le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone.
- Le carbure d’aluminium réagit avec l’eau sous l’effet de la chaleur pour former de l’hydroxyde d’aluminium et du méthane.
- Le carbure d’aluminium et l’acide chlorhydrique donnent du chlorure d’aluminium et du méthane.
- L’acétate de sodium et l’hydroxyde de sodium donnent du carbonate de sodium et du méthane sous l’effet de la chaleur.
- Le monoxyde de carbone et l’hydrogène se transforment en méthane et en eau.
- Le dioxyde de carbone réagit également avec l’hydrogène pour former du méthane et de l’eau (processus de Sabatier, du nom du chimiste français et lauréat du prix Nobel Paul Sabatier).
Parmi ces procédés, la synthèse à partir de monoxyde de carbone revêt une importance particulière. Le CO, normalement indésirable ou inutilisable en raison de sa toxicité, peut ainsi être utilisé à bon escient.
Outre ces méthodes classiques de laboratoire, le méthane est aujourd’hui également obtenu comme combustible dans les installations de biogaz et lors de la gazéification du bois.
Utilisations
La décomposition bactérienne lors des processus de putréfaction des composés organiques est utilisée de manière économique pour produire du biogaz. Les déchets organiques, le lisier, le fumier et les boues d’épuration servent de base à ce processus. La gazéification du bois, utilisée depuis longtemps, permet d’obtenir du méthane à partir du bois par pyrolyse, une décomposition thermochimique des composés organiques en l’absence d’oxygène. Le biogaz et d’autres mélanges de gaz méthane servent à produire de la chaleur et de l’énergie. Le gaz de bois a notamment été utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale pour faire fonctionner des véhicules.
En outre, le méthane est un produit de base important pour la synthèse du méthanol, de l’hydrogène, de l’acide cyanhydrique, de l’éthine, du sulfure de carbone et des halogénures de méthyle. Ses réactions avec l’oxygène et d’autres substances produisent de nombreuses substances d’une grande importance pour l’industrie chimique.
Le méthane jouera peut-être un rôle important dans les futures missions martiennes. La Mars Society, fondée en 1998, une organisation à but non lucratif qui s’engage pour l’exploration de Mars et sa colonisation, a développé un concept à cet effet. Selon ce concept, le processus de Sabatier, déjà évoqué plus haut, permettrait de produire du méthane à partir du CO2 présent dans l’atmosphère de la planète et de l’utiliser comme carburant pour le retour sur Terre.
Biologie et impact environnemental du méthane
Le méthane était, avec la vapeur d’eau et l’ammoniac, un élément important de l’atmosphère primitive. Il a probablement joué un rôle important dans le développement de l’atmosphère terrestre actuelle. Le chimiste et biologiste américain Stanley Miller a réalisé en 1953 une expérience devenue célèbre. Dans son appareillage expérimental, il a reproduit l’atmosphère primitive et l’océan primitif qu’il supposait être ceux des premiers temps de la Terre, et les a soumis à des décharges électriques simulant la foudre.
Au bout d’une semaine, environ 15 % du méthane s’était déjà transformé en composés organiques. Parmi eux se trouvaient également les acides aminés contenus dans les protéines. Grâce à cette expérience, Miller a réussi à démontrer que dans des circonstances naturelles, mais abiotiques, des éléments biologiques importants pour la vie peuvent se former.
Le méthane est aujourd’hui considéré comme un gaz à effet de serre important, après le dioxyde de carbone, et son potentiel de réchauffement est 20 à 30 fois plus important que celuidu CO2. Les producteurs naturels de méthane constituent un problème majeur en ce qui concerne l’effet de serre. Les plantes produisent ce gaz en permanence et contribuent à la teneur en méthane de l’atmosphère. La culture répandue du riz humide et l’élevage bovin ont une importance particulière. Un seul bovin domestique produit chaque jour entre 150 l et 250 l de méthane, les bactéries présentes dans l’estomac des bovins étant coresponsables de la décomposition de la cellulose.
Aspects techniques de la sécurité
Le méthane forme des mélanges explosifs avec une proportion de 5 % à 15 % dans le volume d’air. C’est pourquoi il n’est pas rare que des déversements inaperçus de gaz naturel, dont le principal composant est le méthane, provoquent des explosions de gaz avec de graves conséquences pour les personnes et les biens matériels. Le point d’éclair de -188 °C et la température d’inflammation de 600 °C rendent le méthane extrêmement inflammable et donc dangereux à manipuler.
Les récipients contenant ce gaz doivent donc toujours être placés dans des endroits suffisamment aérés, à proximité desquels il n’y a pas de sources d’inflammation. Il convient en outre de prendre des mesures efficaces contre une éventuelle charge électrique. Le stockage et l’entreposage se font sous haute pression (environ 150 bars dans les bouteilles de gaz) ou à des températures très basses qui augmentent la densité (à environ -160 °C sur les navires-citernes).
Le méthane n’a pas d’effet toxique sur l’homme. Toutefois, une absorption pendant une courte période peut entraîner une augmentation de la fréquence cardiaque et une hyperventilation. D’autres effets, déclenchés par un manque simultané d’oxygène, sont une pression artérielle trop basse, une somnolence, une légère confusion mentale, des pertes de mémoire et un engourdissement des membres. Le gaz ne provoque pas de dommages permanents. Si les symptômes mentionnés apparaissent, il convient de quitter le plus rapidement possible le terrain concerné, puis d’inspirer et d’expirer profondément pendant un certain temps. Si les symptômes ne disparaissent pas, les personnes concernées doivent recevoir un traitement médical à l’hôpital.
Si le méthane stocké à l’état liquide et à très basse température s’échappe rapidement d’un réservoir sous pression, les personnes se trouvant à proximité peuvent souffrir d’hypothermie et de gelures sur la peau.
Détection du méthane
Les faits présentés dans notre guide du méthane montrent que la manipulation du méthane doit se faire avec précaution en raison de sa facilité d’inflammation et du risque d’explosion. Il faut donc éviter autant que possible toute fuite accidentelle de méthane des réservoirs de stockage et des installations de production. Pour ce faire, des mesures permanentes sont nécessaires dans les zones à risque. Les méthodes modernes et courantes pour ce faire sont les mesures effectuées à l’aide de capteurs catalytiques ou de la technique infrarouge.
En tant que fabricant reconnu de détecteurs de gaz et d’appareils de mesure de gaz, Compur Monitors propose à cet effet une technique de mesure fixe et mobile qui permet une mesure fiable et précise des taux de méthane dans l’air ambiant. Il s’agit notamment des modèles Statox 501 et Statox 503, Infratox, Micro 5 et Microclip, HRC, ARE ainsi que MC IR et LC IR. Tous les appareils sont faciles à calibrer et permettent de saisir et de lire rapidement les concentrations de méthane.
Dr. Josef von Stackelberg
Directeur général COMPUR MONITORS GmbH & Co. KG
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