Gaz à effet de serre : d’où proviennent les émissions de méthane ?

Le méthane est un gaz très courant, qui existe à l'état naturel sur Terre puisque c'est le principal composant du gaz naturel.

Le méthane est l’hydrocarbure le plus simple (CH4), celui qui contient le moins de carbone comparé au butane (C4H10), au propane (C3H8), au pétrole, au fioul lourd. Il émet donc le moins de CO2 par quantité d’énergie produite.

Mais c'est aussi le deuxième gaz à effet de serre lié à l'activité humaine le plus rejeté dans l'atmosphère après le dioxyde de carbone (CO2). Or, son pouvoir de réchauffement est 28 fois plus important que celui du CO2 sur un horizon de 100 ans (et 80 fois sur 20 ans). La molécule de gaz naturel s'échappe des gazoducs, des mines de charbon et de nos gazinières, mais aussi des vaches, des rizières ou des déchets. Environ 580 millions de tonnes de méthane s'échappent dans l'atmosphère chaque année, dont 60% attribuables à l'activité humaine (agriculture en tête) et près d'un tiers aux zones humides naturelles.

Bien plus réchauffant que le CO2 mais à durée de vie plus courte (une dizaine d'années), il est responsable d'environ 30% du réchauffement mondial depuis la révolution industrielle. Eviter d'en émettre a un fort effet à court terme dans la lutte contre le réchauffement climatique.

Composition chimique du méthane

Le méthane (CH₄) est un hydrocarbure simple constitué d'un atome de carbone (C) lié à quatre atomes d'hydrogène (H). Sa formule chimique est CH₄. En tant que composé organique, il est le constituant principal du gaz naturel.

Génération de méthane

Le méthane est généré par des processus naturels et anthropiques variés, et sa production et son émission jouent un rôle important dans les cycles biogéochimiques et dans le changement climatique.

Sources naturelles

Le méthane est naturellement produit par plusieurs processus écologiques et géologiques, tels que la décomposition anaérobie dans les marais et l'activité volcanique.

Décomposition anaérobie

Tout élément qui se décompose produit du méthane.

Les micro-organismes, tels que les archaea méthanogènes, décomposent la matière organique dans des environnements privés d'oxygène, comme les marais, les marécages et les fonds des lacs. 

La digestion des herbivores ruminants (comme les vaches) produit du méthane.

Activité volcanique

Les volcans sous-marins peuvent produire du méthane à partir de réactions chimiques à haute température.

Hydrates de méthane

Les clathrates ou hydrates de méthane sont des molécules de méthane piégées dans une structure de glace, présentes dans les sédiments marins ou sous le pergélisol arctique.

Sources anthropiques

Les activités humaines contribuent significativement aux émissions de méthane, notamment à travers l'exploitation des combustibles fossiles, la gestion des décharges et les pratiques agricoles.

Décharges et traitement des déchets

La décomposition des déchets organiques dans les décharges produit du méthane.

Exploitation et utilisation des combustibles fossiles

L'extraction et le traitement du pétrole et du gaz naturel émettent du méthane, tout comme les fuites dans les systèmes de transport et de distribution de gaz naturel.

Le méthane est souvent trouvé en association avec des gisements de charbon. Lorsque la matière organique se décompose sous des conditions de pression et de température élevées au fil de millions d'années, elle forme du charbon et peut également générer du méthane comme sous-produit. Le méthane piégé dans les gisements de charbon est souvent appelé "gaz de houille" ou "gaz de mine de charbon". Ce méthane peut être extrait et utilisé comme source d'énergie.

Agriculture

L'élevage de bétail et les cultures de riz immergées font partie des sources agricoles les plus génératrices de méthane.

Processus chimiques

Le méthane peut également être généré par des processus chimiques, comme la méthanogenèse réalisée par des archaea méthanogènes et la pyrolyse de la matière organique en absence d'oxygène.

Méthanogenèse

La méthanogenèse est un processus biologique où les archaea méthanogènes convertissent le dioxyde de carbone (CO₂) et l'hydrogène (H₂) en méthane (CH₄) et en eau (H₂O) selon la réaction suivante : CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

Pyrolyse et gazéification

La pyrolyse est la décomposition thermique de la matière organique en absence d'oxygène, ce qui peut produire du méthane parmi d'autres produits.

La gazéification convertit les matières carbonées à haute température et en présence d'une quantité limitée d'oxygène ou de vapeur en gaz de synthèse (mélange de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H₂)), qui peut ensuite être converti en méthane.

Sources d'émissions de méthane

Les émissions de méthane seraient pour environ 60% d’origine anthropique et pour 40% d’origine naturelle (zones humides, dégel du permafrost libérant des hydrates de méthane, etc.).

Plus de 60% des émissions liées aux activités humaines sont elles-mêmes imputées à l’agriculture et au traitement de déchets (respectivement 142 Mt et 71 Mt en 2023 selon l'AIE). L’élevage de ruminants (éructations des ruminants, fermentation des fumiers) et la culture du riz basée sur l’inondation de parcelles sont des activités particulièrement émissives de méthane. L'agriculture est, selon les chercheurs, à l'origine de la majorité de ces émissions anthropiques de méthane, avec 30% issues des troupeaux d'élevage (fermentation digestive et fumiers) et 8% pour la culture du riz.

L'agriculture est suivie de près par l'énergie (charbon, pétrole, gaz) en raison des fuites sur les infrastructures de production et de transport (gazoducs) mais aussi des lâchers volontaires lors de leur entretien (torchage). Environ 30% des émissions anthropiques de méthane proviendraient par ailleurs de l’exploitation et du transport d’énergies fossiles.

Côté énergies fossiles, l'exploitation du pétrole et du gaz représente 22% des émissions anthropiques et l'extraction du charbon 11%. La gestion des déchets solides et liquides compte pour 18% des émissions et les feux de biomasse et de biofuel 8%, le reste des émissions étant lié aux transports et à l'industrie.

Les 10% d’émissions anthropiques restantes seraient dues à la combustion de biomasse et de biocarburants (essentiellement à la combustion du bois). Le secteur énergétique serait ainsi à l'origine de l'émission de presque 130 Mt de méthane en 2023 selon l'AIE.

Le secteur de l'énergie (pétrole, gaz, charbon et bioénergies) a été à l'origine de l'émission de près de 135 millions de tonnes de méthane (CH₄) dans l'atmosphère en 2022 (contre près de 131 Mt en 2021), soit un niveau « seulement légèrement inférieur au niveau record enregistré en 2019 » selon les dernières données de l'AIE basées sur les observations satellites et différentes campagnes de mesure. 

En 2021, le stock de méthane dans l’atmosphère est en hausse de 162 % relativement à son niveau préindustriel.

À combien s'élèvent les émissions de méthane dans le monde ?

Les émissions de dioxyde de carbone (formule : CO₂) seraient responsables à elles seules de près de 80% du réchauffement climatique observé. Elles focalisent à ce titre l’attention publique mais les émissions de méthane (formule : CH₄) ont également un impact important en matière de réchauffement et la concentration de ce gaz à effet de serre dans l’atmosphère a fortement augmenté ces dernières années⁽¹⁾.

Source : Energy Institute - Statistical Review of World Energy - Graphique : Selectra

Par source

Les émissions mondiales de méthane étaient évaluées par le Global Carbon Project(2) à près de 592 millions de tonnes en 2017. En reprenant ce cadre d'évaluation, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) estime dans son Global Methane Tracker 2024(3) que ces émissions avoisinent actuellement 580 millions de tonnes par an.

Les émissions mondiales de méthane de l'industrie fossile, essentiellement dues aux fuites de ce puissant gaz à effet de serre, sont restées à des niveaux record en 2023, "sans raison" puisque les solutions existent et sont abordables, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE).

La production d'énergie liée au pétrole, au gaz et au charbon "a entraîné environ 120 millions de tonnes d'émissions de méthane en 2023, soit une légère augmentation par rapport à 2022", estime l'AIE, qui prévoit toutefois une diminution très prochaine compte tenu des changements amorcés dans le secteur et des engagements pris à la COP28.

Dix autres millions de tonnes proviennent de la bioénergie, comme le bois brûlé pour les foyers de cuisson.

Par pays

Environ les deux tiers du méthane émis par l'industrie fossile proviennent de seulement dix pays ; la Chine est de loin" le premier émetteur pour le méthane issu du charbon, les Etats-Unis sont en tête pour celui lié au pétrole et au gaz, "suivis de près par la Russie".

Comment réduire les émissions de méthane ?

Pour l'énergie

Les fuites sont bien trop élevées dans des régions où le gaz naturel est extrait, mais certains pays, notamment la Norvège, ont montré qu'il était aussi possible d'extraire et de fournir du gaz avec des niveaux minimums de fuites.

L'AIE suggère de remplacer les équipements (par exemple des valves) qui laissent aujourd'hui s'échapper le gaz sur les installations d'extraction et de transport d'hydrocarbures, d'installer des équipement de récupération ou de détection des fuites.

Dans les mines et les centrales à charbon, il faut "améliorer le cadre réglementaire international, d'autant que le drainage et la collecte du méthane diminuent considérablement les risques d'explosion dans les mines".

Pour l'exploitation du gaz, il faudrait "donner de la valeur au gaz lâché dans l'atmosphère, afin d'inciter les pollueurs à réduire leurs émissions", ajoutent les experts.

Parmi les principaux outils pour réduire les émissions de méthane dans le secteur pétrolier et gazier, l’AIE mentionne les programmes de détection des fuites (« LDAR » pour « leak detection and repair »). L’Agence cite également l’installation d’unités de récupération de vapeur au niveau des réservoirs de stockage de pétrole brut et de condensats qui permettent de capter du méthane dissous rejeté dans l’atmosphère. L’AIE souligne que les investissements dans des outils de réduction des émissions de méthane ont un intérêt économique, le gaz capté pouvant être valorisé et rentabiliser lesdits équipements. 

Dans son scénario « Sustainable Development », l'AIE envisage une réduction par 4 des émissions de méthane dans le secteur pétrolier et gazier entre 2017 et 2030. (©Connaissance des Énergies, d'après AIE).

L'AIE estime qu'une réduction rapide des émissions de méthane liées au secteur des énergies fossiles permettrait d'éviter jusqu'à 0,1°C de réchauffement d'ici au milieu du siècle : un effet plus important que retirer immédiatement toutes les voitures et les camions de la route.

En 2023, "environ 40% auraient pu être évitées sans coût net, la valeur du méthane capté" et commercialisé étant supérieure aux dépenses pour colmater les fuites, explique l'AIE. Réduire de 75% coûterait "environ 170 milliards de dollars, soit moins de 5% des revenus de l'industrie fossile en 2023".

« Sur la base des prix moyens du gaz naturel de 2017 à 2021, nous estimons qu'environ 40% des émissions de méthane provenant des opérations pétrolières et gazières pourraient être évitées sans coût net, car les dépenses pour les mesures de réduction seraient inférieures à la valeur marchande du gaz supplémentaire qui serait capturé. Sur la base des prix record du gaz observés dans le monde en 2022, nous estimons qu'environ 80% de ces réductions d'émissions dans le monde pourraient être réaliser sans coût net », détaille l'AIE.

Si en 2021 tout le CH4 rejeté avait pu être récupéré puis vendu, le marché aurait ainsi bénéficié de 180 milliards de mètres cubes de gaz naturel supplémentaires, a calculé l'AIE. Soit l'équivalent de tout le gaz nécessaire au secteur électrique en Europe, et plus qu'il n'en faut pour apaiser la crise actuelle de l'énergie. "C'est une déperdition stupéfiante de gaz, une année où le marché est si contraint", a souligné devant la presse Tim Gould, l'économiste en chef de l'AIE. Cela représente plus de 40 milliards de dollars en valeur de pertes.

Pour l'agriculture

En agriculture, il est par exemple possible de modifier le régime alimentaire des ruminants, comme en y ajoutant des composés chimiques qui inhibent la production de CH4. La commune de Liffré (7 500 habitants), près de Rennes, a décidé de soutenir les éleveurs laitiers qui réduisent les émissions de gaz à effet de serre de leurs vaches en modifiant leur alimentation. Le conseil municipal de Liffré a voté un budget annuel de 3 000 euros sur trois ans pour encourager les agriculteurs qui s'efforcent de réduire les émissions de CO2.

Autre piste plus draconienne : réduire le cheptel, comme le préconise la Cour des comptes française.

Il est possible de sélectionner les races les plus productives pour limiter la taille des troupeaux, liste le PNUE.

L'UE suggère également de réduire la consommation de viande et produits laitiers.

Pour les rizières, des modifications dans la gestion de l'eau sont la méthode la plus "prometteuse", selon un rapport de la FAO.

L'Académie des technologies, établissement public placé sous la tutelle du ministre de la Recherche, propose de "soutenir les actions de drainage" dans les zones humides utilisées en terres agricoles, ce qui permet "simultanément d'améliorer la production agricole, de diminuer la consommation d'eau et de diminuer les émissions de méthane".

Enfin, il faut "poursuivre le développement des technologies de récupération du méthane" provenant des fumiers et des lisiers, et prendre "la mesure réelle du rendement de la captation du méthane" émis par les décharges.

Déchets

Côté déchets, la réduction des émissions passe par l'amélioration du tri et du traitement des déchets. Il est également recommandé de ne pas recourir à la mise en décharge pour les déchets biodégradables.

L'inconnue du pergisol

Selon les experts, une inconnue importante est le volume des émissions résultant du dégel du pergélisol (permafrost) des zones humides arctiques qui "pourraient intervenir sur l'échelle du siècle". "Si la fonte du pergélisol est relativement certaine au-dessus d'un seuil de réchauffement climatique dont tout laisse à penser qu'il risque d'être atteint, sa vitesse et la quantité de carbone qui sera émise, en particulier sous forme de méthane, restent très difficiles à évaluer", soulignent-ils.

L'importance des réglementations

L'AIE considère toutefois que le potentiel de réduction des émissions de méthane lié à des actions volontaires reste limité (par « manque d’attention » notamment) et recommande la mise en place par les gouvernements de réglementations dédiées. Le « methane tracker » mis en ligne par l’AIE vise ainsi à fournir aux pouvoirs publics des données pour développer les stratégies idoines.

En mettant en œuvre toutes les mesures énoncées de réduction des émissions de méthane, l’AIE estime que la température mondiale pourrait être réduite de 0,07°C par rapport à un scénario ne prenant pas en compte ces actions.

Production de méthane

La méthanisation et la méthanation sont toutes deux des procédés permettant de produire du méthane. Toutefois, les réactifs de ces procédés et les conditions dans lesquelles ils s’opèrent diffèrent.

La méthanisation, aussi appelée « fermentation anaérobie », est un processus de décomposition de matières pourrissables en l’absence d’oxygène (anaérobie). Elle se produit naturellement dans les gaz des marais, lieu de décomposition de matières végétales et animales, et génère entre autres du biogaz. Ce biogaz est principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone.

Outre l’intérêt de traiter des déchets (ménagers, déjections animales, effluents industriels), les unités de méthanisation présentent des atouts énergétiques : le biogaz généré peut être transformé en chaleur, en électricité dans des centrales à gaz ou en carburant pour véhicules.

La méthanation est un procédé industriel consistant à faire réagir du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone avec de l’hydrogène afin de produire du méthane (qui peut lui aussi être ensuite transformé en chaleur, électricité ou carburant) et de l’eau. Cette conversion catalytique est appelée « réaction de Sabatier ».

La méthanation permet de valoriser du « syngas », mélange d’hydrogène, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone que l’on obtient notamment par gazéification du charbon, en le transformant en méthane. Elle est aujourd’hui principalement utilisée lors de la synthèse de l’ammoniac pour éliminer le monoxyde et le dioxyde de carbone en les valorisant. Dans le futur, les progrès des catalyseurs nécessaires à la méthanation devraient permettre une production de méthane à plus grande échelle.

Le Global Methane Pledge

Lancée en novembre 2021 par plus de 110 pays dans le cadre de la COP26, le « Global Methane Pledge » vise à réduire les émissions de méthane d’origine anthropique de 30% d’ici à 2030. Une centaine qui représentent 40% des émissions mondiales de méthane. Mais au sein des 5 pays dont le secteur énergétique émet le plus de méthane, seuls les États-Unis ont rejoint l’Initiative (contrairement à la Chine, la Russie, l’Iran et l’Inde).

"C'est un moment historique, c'est énorme", a commenté le patron de l'Agence internationale de l'Energie Fatih Birol, estimant que si l'objectif était atteint, la baisse équivaudrait à l'ensemble des émissions du transport terrestre, maritime et aérien. Cela "pourrait réduire l'augmentation de la température d'environ un tiers de degré d'ici à 2045", a ajouté de son côté Joanna Haigh, professeure à l'Imperial College de Londres, saluant une "importante contribution pour limiter le réchauffement".

Au total, une telle réduction de 45% du méthane d'origine humaine d'ici à 2030 permettrait de ne pas dépasser +1,5°C, selon un rapport du PNUE et de la Coalition pour le climat et la qualité de l'air (CCAC). C'est d'ailleurs ce chiffre qu'ont mis en avant mardi plusieurs experts pour faire part de leurs réserves. "Les dirigeants du monde ont raison de s'attaquer aux émissions de méthane, mais les annonces d'aujourd'hui n'atteignent pas la réduction de 45% qui est selon l'ONU nécessaire pour limiter le réchauffement à +1,5°C", a commenté Murray Worthy, de l'ONG Global Witness.

"Une baisse de 30% est un début, mais ce n'est pas assez pour 1,5°C", a renchéri Dave Jones, du centre de réflexion Ember, évoquant les grands absents. "Les super-émetteurs des mines de charbon doivent faire le premier pas et reconnaître l'ampleur du problème", a-t-il insisté.

D'autres pays ont depuis rejoint l'accord.

2024, un tournant ?

Parmi les tendances inquiétantes, M. McGlade cite les grandes fuites "détectées par satellite" qui "ont augmenté de plus de 50 % par rapport à 2022", représentant 5 millions de tonnes supplémentaires. L'une d'elle, massive, au Kazakhstan, a duré environ 200 jours.

Malgré tout, l'AIE reste optimiste en raison des politiques, réglementations et engagements annoncés ces derniers mois :

• A la COP28, 52 compagnies pétrogazières se sont engagées à atteindre "près de zéro méthane" dans leurs opérations d'ici 2030, sous l'oeil d'observateurs sceptiques faute de plans précis.
• Plus de 150 pays, dont récemment l'Azerbaïdjan, hôte de la COP29, ont aussi rejoint l'initiative "Global Methane Pledge", qui vise à réduire de 30% ces émissions entre 2020 et 2030.

"Si toutes ces promesses étaient parfaitement remplies et à temps, elles réduiraient les émissions d'environ 50% d'ici 2030", selon Christophe McGlade.

Sauf que ces nouveaux engagements "n'ont pas encore été étayés par des plans détaillés", selon l'analyste.

L'AIE se félicite aussi de pouvoir compter sur "un nombre croissant de satellites de pointe surveillant les fuites de méthane, comme le MethaneSAT", lancé avec succès début mars par une fusée SpaceX et contrôlé depuis la Nouvelle-Zélande. L’imagerie satellite améliore les données sur les émissions mais ne couvrent pas encore les régions équatoriales, les opérations offshore et des zones de l’hémisphère nord comme les plus grands champs pétroliers et gaziers russes, précise l’AIE. L’AIE signale en particulier des émissions significatives au Texas et dans certaines zones d’Asie centrale (le Turkménistan compte à lui seul pour près d’un tiers des larges fuites de méthane observées par imagerie satellite en 2021).

CO₂ ou CH₄ : quelles molécules ont le plus d'impact sur le réchauffement ?

Une tonne de méthane est réputée avoir un pouvoir de réchauffement global (PRG) 84 fois plus élevé en moyenne qu’une tonne de CO₂ sur une période de temps de 20 ans.

Compte tenu de sa courte durée moyenne de séjour dans l’atmosphère (de l’ordre de 9 ans), son PRG diminue par rapport au CO₂ au fil du temps.

Sur une période de 100 ans, échelle de temps généralement retenue dans les bilans d’émissions, chaque tonne de méthane est créditée d’un PRG de 28 et est ainsi comptabilisée comme 28 tonnes d’équivalent CO₂.