Hydrates de méthane

Définition et composition chimique

L’hydrate de méthane est un composé solide, résultat de la cristallisation d’un mélange d’eau et de méthane sous certaines conditions de température et de pression.

C’est une source potentielle d’énergie fossile, mais son exploitation s’avère actuellement complexe et coûteuse. Classé avec les gaz non conventionnels (gaz de schiste, gaz de charbon et gaz de réservoir compact), il est localisé principalement dans :

les régions où se trouve le pergélisol (couche du sol gelée en permanence, en Arctique par exemple) ;
les couches sédimentaires des fonds océaniques.

L’hydrate de méthane est constitué de molécules de méthane (CH₄), entourées par un réseau de molécules d’eau (H₂O) disposées en cage, d’où le nom de clathrates (du latin clatatrus, encapsulé), aussi donné aux hydrates. À pression normale et à température ambiante, la cage de molécules d’eau se dissocie et libère une quantité considérable de méthane :lorsque l’hydrate « fond », 1 m³ d’hydrate de méthane peut libérer près de 164 m³ de méthane et de l'eau⁽¹⁾. La part des hydrates dans la production de méthane reste cependant très modeste.

Notons que l’expression « hydrates de gaz » est souvent utilisée pour désigner les hydrates de méthane. Bien que des hydrates puissent se former avec d’autres gaz que le méthane (dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré, éthane, butane, propane, etc.), l’amalgame est dû à la prépondérance des hydrates de méthane. Ceux-ci comptent pour 90% des hydrates de gaz naturel.

Origine, formation et extraction

Origine du méthane

Le méthane provient de la dégradation de matière organique contenue dans les sédiments, sous le pergélisol ou sous le plancher océanique. Deux catégories se distinguent : le méthane d’origine biogénique et le méthane d’origine thermogénique.

le méthane dit « biogénique ;
le méthane dit « thermogénique.

Formation des hydrates de méthane

Le méthane libéré en profondeur migre des sédiments vers la surface sous forme de gaz libre ou dissous dans un liquide proche de la saturation en méthane. Lorsque le méthane atteint une zone de basse température et de forte pression, des hydrates se forment en présence d’eau. Les conditions nécessaires à la stabilité des hydrates de méthane sont rencontrées au niveau des régions de pergélisol ainsi que sous (et à la surface) des fonds océaniques:

dans le pergélisol ;
au niveau des fonds océaniques.

Les réservoirs potentiels d’hydrates de gaz sont peu profonds sous la surface du sol, en comparaison des gisements conventionnels de gaz naturel le plus souvent situés au-delà de 2 000 m de profondeur.

Détection

Les méthodes principales de détection des hydrates de méthane sont :

Par observation directe ;
Par détection sismique ;
Marqueurs géophysiques des sédiments.

Extraction

Pour extraire le méthane, les méthodes expérimentales commencent par dissocier (ou « faire fondre ») l’hydrate de méthane en eau et en méthane dans le réservoir lui-même. Le gaz est ensuite récupéré à la surface par l’intermédiaire d’un puits. (Cette méthode est analogue à la production de gaz à partir du charbon).

Schéma représentant les trois moyens envisagés pour l’extraction du gaz des gisements d’hydrates (©Connaissance des Énergies, d'après travaux de Christophe Bourry, Ifremer⁽²⁾)

Trois méthodes d’extraction du méthane sont à l’étude :

la dépressurisation ;
l’utilisation d’un inhibiteur ;
l’injection thermique.

Une autre technique proposant un stockage de CO₂ suscite l’intérêt. Initiée par le Japonais Ohgaki en 1996, l’idée consiste à extraire du méthane en injectant du CO₂ pour le remplacer⁽³⁾. Ce procédé a fait l’objet de divers programmes d’études, comme le programme allemand SUGAR (2008/2011, puis 2011/2014)⁽⁴⁾.

Peut-il devenir une source importante de gaz naturel ?

Potentiel

Selon les estimations de l'EIA américaine, le gaz naturel devrait devenir la deuxième source d’énergie au monde devant le charbon à partir de 2030. Dans ce contexte, les hydrates de méthane apparaissent comme un important contributeur en puissance de la production gazière mondiale. Certes, la combustion des hydrates de méthane émet du CO₂, mais de manière équivalente au gaz naturel et en moins grande quantité que le charbon et le pétrole.

Les estimations des ressources de méthane contenues dans les hydrates vont de 3 millions à 30 millions de milliards dem³, soit 15 à 150 fois les réserves prouvées de gaz naturel conventionnel ⁽⁷⁾. Néanmoins, la part des ressources susceptibles d’être exploitées dans des conditions économiquement rentables reste difficile à chiffrer et fait encore l’objet de controverses.

En 2017, Pékin a annoncé une « avancée historique » suite à des forages réussis en mer de Chine méridionale : la Chine a extrait en 6 semaines plus de 235 000 m³ d'hydrates de méthane depuis les eaux situées à environ 300 km au sud-est de la ville de Zhuhai selon les autorités géologiques nationales. Les experts chinois estiment que cette « glace combustible » pourrait devenir une source d'énergie rentable « autour de 2030 ».

Limites

Reste que la détection et l’extraction des hydrates s’avèrent complexes et non rentables à l’heure actuelle. L’exploitation des gisements d’hydrates soulève aussi la question de l’impact environnemental.

Au niveau local : les hydrates jouent le rôle de ciment dans les sédiments des pentes continentales. Lorsqu’ils se dissocient, ils se transforment en un mélange d’eau liquide et de gaz et les sédiments deviennent alors instables. Il y a donc un risque de déstabilisation des pentes, et donc de glissements sous-marins qui peuvent représenter un danger pour les installations et les populations côtières. L’industrie pétrolière y est attentive pour ses projets offshore ;
Au niveau global : ces composés organiques sont une source de gaz à effet de serre, directement par la production de méthane₂un gaz à effet de serre 28 à 30 fois plus puissant que le CO₂(potentiel de réchauffement global à 100 ans).

Programmes d'extraction

Les premières extractions d’hydrates de gaz ont eu lieu au Japon et en Russie.

Des hydrates de méthane ont déjà été exploités à Messoyakha en Russie (site de Sibérie occidentale, localisé à environ 800 mètres de profondeur), en utilisant la méthode de dépressurisation. Le pays affirme avoir produit 5 milliards de m³ de gaz à partir de ce réservoir depuis 1969⁽⁶⁾.

En 1995, le ministère du commerce international et de l’industrie du Japon établit le Programme national du Japon sur les hydrates, premier programme majeur à l’échelle mondiale sur les hydrates de gaz. Un programme de recherche (2001-2008) est ensuite mis en place pour localiser et qualifier les ressources sous-marines potentielles du pays. En mars 2009, le Programme sur l'exploitation de l'énergie marine et des ressources marines portant jusqu’en 2016 est voté. La JOGMEC (Japan Oil Gas & Metals National Corporation) est avancée en matière de technologies liées à l'extraction de l'hydrate de méthane. Le groupe a réussi, en 2008, une extraction continue sur le continent en utilisant la méthode de dépressurisation. En 2013, il a réalisé le premier test de production offshore d'hydrates de méthane aux larges des côtes japonaises en produisant près de 120 00 m³ de gaz durant 6 jours (près de 20 000 m³/jour)⁽⁵⁾. Le gouvernement japonais prévoit la commercialisation des ressources marines dont l'hydrate de méthane.

La perspective d’une exploitation industrielle des hydrates de gaz donnent lieu à des collaborations internationales, comme le programme Mallik de production d’hydrates de gaz, rassemblant 5 pays (Japon, États-Unis, Inde, Canada, Allemagne), reconduit en 2007 et 2008.

Des programmes de recherche et développement sont menés également dans plusieurs pays tels que le Chili, la Chine, la Corée du Sud, l’Inde, le Royaume-Uni, l’Allemagne ou les États-Unis.

Néanmoins, la part des hydrates dans la production de méthane est encore négligeable.

Découverte

La première découverte des hydrates de gaz date du début du XIX^e siècle, lorsqu’en mélangeant de l’eau et du chlore, le physicien et chimiste Humphrey Davy décrit un composé solide au dessus de 0 °C. L’intérêt porté à ces composés entre alors dans le cadre de la recherche fondamentale, portant sur l’identification de leur composition.

Dans les années 1930, pendant l’essor de l’industrie pétrolière et gazière aux États-Unis, les hydrates de méthane sont détectés comme pouvant obstruer les gazoducs. Les recherches se tournent vers l’étude de la formation des hydrates et les moyens de l’éviter dans les pipelines, grâce à la découverte des effets inhibiteurs de certains sels tels le chlorure de calcium, de sodium ou de potassium, ou encore le méthanol.

Les premiers hydrates de gaz naturels découverts dans le permafrost datent de la fin des années 1960 en URSS. Suivent les premières observations d’hydrates en Alaska et au Canada en 1972. La même année, les premiers hydrates de gaz océaniques sont observés par des géologues russes en Mer Noire.