De quoi est composé le méthane?

Lorsqu’il est question de gaz à effet de serre, l’actualité se focalise généralement sur le dioxyde de carbone (CO2). Pourtant, un autre gaz, malgré sa faible image publique, joue un rôle important dans le changement climatique. Le méthane (CH4) est à l’origine d’environ un cinquième de l’augmentation de l’effet de serre. Malgré sa présence dans l’atmosphère, il existe de nombreuses inconnues concernant le méthane, et les experts ne sont pas toujours d’accord sur ce qui influence ses niveaux.

Qu’est-ce que le méthane exactement ?

Le méthane est plus léger que l’air, incolore et inodore, ce qui contredit ce que l’on pourrait croire étant donné que les animaux le rejettent en rotant. C’est un gaz véritablement omniprésent : il est présent à l’état naturel dans l’environnement, les animaux en produisent, et il peut être produit par l’activité humaine, comme l’agriculture, la production de combustibles fossiles et la décomposition des décharges.

Le méthane est une molécule chimique composée d’un atome de carbone et de quatre atomes d’hydrogène (CH4). Il est le principal constituant du gaz naturel.

Le méthane dans l’atmosphère

L’atmosphère terrestre contient beaucoup plus de CO2 que de méthane. Cependant, le méthane a un potentiel de réchauffement global (PRG) d’environ 30 (par rapport au CO2). Autrement dit, il est 30 fois plus efficace que le CO2 pour piéger la chaleur dans l’atmosphère sur une période de 100 ans. Ainsi, l’ajout d’une molécule de méthane dans l’atmosphère sur 100 ans a le même effet que l’ajout de 30 molécules de CO2.

L’équilibre entre les sources humaines et naturelles d’une part, et les puits naturels d’autre part, détermine si les concentrations de méthane dans l’atmosphère augmentent ou diminuent.

Si cet équilibre a été bon pour le CO2 pendant de nombreuses décennies, entraînant une croissance imparable, l’histoire du méthane est plus problématique.

La quantité de méthane dans l’atmosphère a augmenté de 250 % depuis la révolution industrielle (vers 1750). Les niveaux de méthane préindustriels étaient d’environ 715 parties par milliard (ppb). Après une augmentation régulière jusqu’en 2000, les concentrations se sont stabilisées et n’ont pratiquement pas augmenté entre 2000 et 2006, en raison d’une diminution des émissions de combustibles fossiles. Elles ont recommencé à augmenter. Les zones humides tropicales, le pergélisol arctique et l’expansion de l’industrie gazière mondiale ont tous été proposés comme origines de la poussée de méthane, mais aucune raison unique n’a été trouvée de manière décisive.

Les niveaux de méthane dans l’atmosphère étaient d’environ 1 800 parties par milliard en 2014. Selon les échantillons de carottes de glace, les niveaux actuels sont les plus importants des 650 000 dernières années.

Heureusement, le méthane ne dure qu’environ 10 ans dans l’atmosphère, contre jusqu’à 200 ans pour le CO2. Bien que cela semble être une excellente nouvelle, le méthane finit par se transformer en CO2 et ajoute donc du CO2 supplémentaire au climat. La réduction des émissions de méthane est un objectif séduisant pour lutter contre le changement climatique, mais la gestion du méthane atmosphérique, comme du CO2, est une entreprise difficile.

Les sources de méthane

Le méthane peut provenir de diverses sources. Il est présent naturellement dans l’environnement, à la suite de l’activité animale et de l’activité humaine.

Allons plus loin.

Sources naturelles

Les zones humides sont la source naturelle la plus courante de méthane, d’où le terme « gaz des marais » Il se forme lorsque les plantes et autres matières organiques se décomposent en l’absence d’oxygène (décomposition anaérobie), par exemple lorsqu’elles sont immergées. Cette décomposition anaérobie par des micro-organismes (appelés méthanogènes) se produit dans les zones humides, les marais et les marécages et on pense qu’elle produit jusqu’à 70 % du méthane naturel présent dans l’atmosphère. La production maximale de méthane se produit à des températures comprises entre 37 et 45°C, ce qui implique que l’augmentation des températures mondiales pourrait stimuler la production de méthane dans les zones humides.

Nos océans produisent environ 2 % des émissions mondiales de méthane. Certains micro-organismes qui vivent dans le tube digestif (et éventuellement les boulettes de fèces) du zooplancton dans l’océan produisent du méthane.

Une autre source de préoccupation est la grande quantité de méthane piégée sous les océans et dans le pergélisol de l’Arctique. Le méthane interagit avec l’eau à très basse température et/ou à haute pression pour former une structure solide connue sous le nom de clathrate de méthane (également appelé hydrate de méthane, glace de méthane ou hydrate de gaz naturel). Le méthane est piégé dans la structure cristalline de l’eau gelée. Ce méthane « gelé » sous terre n’est pas un problème tant qu’il reste là. Les clathrates de méthane restent stables dans des conditions de basse température et/ou de haute pression. Toutefois, en raison de l’activité humaine, les températures mondiales évoluent rapidement, entraînant le dégel du pergélisol et le réchauffement des océans. Ce processus sera lent, mais une fois enclenché, il sera difficile à inverser et pourrait libérer des volumes massifs de méthane dans l’atmosphère.

Des rapports récents font état de concentrations élevées de méthane dans l’atmosphère de l’Alaska, et un certain nombre d’étranges cratères ont été découverts dans le permafrost de la Sibérie et du nord de la Russie en 2014. Bien que la cause exacte de ces cratères n’ait pas encore été déterminée, une théorie veut que le réchauffement des températures causé par le changement climatique ait libéré le méthane piégé dans le pergélisol, ce qui a entraîné une explosion de mini-volcan qui a laissé derrière elle les cratères massifs tout en libérant des tonnes de méthane dans l’atmosphère.

Selon une autre théorie, les cratères seraient le résultat de la fonte rapide de carottes de glace appelées pingos. Un pingo, également appelé hydrolaccolithe, est un « bouchon » de glace qui se forme à la surface et est surmonté d’un petit monticule ou d’une colline de terre. Ils peuvent atteindre jusqu’à 70 m de haut et 600 m de circonférence. Si le bouchon de glace fond rapidement, le sol peut s’effondrer, entraînant la formation d’un cratère. Cette explication, cependant, n’explique pas les cailloux éjectés et les preuves d’explosion qui entourent les cratères. Au lieu de cela, les cratères pourraient avoir été produits par du gaz naturel stocké qui a été libéré de manière inattendue du pergélisol en raison de la fonte du pingo. Carolyn Ruppel, chef du projet sur les hydrates de gaz de l’US Geological Survey, pense que l’idée d’émission de méthane par les pingos est correcte. « Les hydrates de méthane génériques dans le pergélisol ne sont généralement pas stables au-delà de 200 mètres de profondeur environ », a-t-elle déclaré. Comme les cratères sont beaucoup moins profonds, il est peu probable que l’on puisse puiser dans un hydrate de méthane en cours de dissociation » (source : EarthSky).

Bien que les observations ne remontent pas assez loin pour savoir si ces cratères sont un phénomène nouveau, ils sont surveillés de près et des recherches sont en cours pour comprendre leur cause et leur fréquence.

Le méthane est créé dans les entrailles des termites ainsi que dans les grands cratères et les insectes microscopiques. Il représente environ 5 % des émissions mondiales.

Le méthane produit par les activités humaines

Les émissions de méthane d’origine humaine dépassent actuellement les 320 millions de tonnes par an, dépassant largement les niveaux provenant de sources naturelles (250 millions de tonnes).

L’industrie des combustibles fossiles est la principale source d’émissions mondiales de méthane. Le méthane est émis dans l’atmosphère par l’extraction de combustibles fossiles tels que le pétrole, le charbon et le gaz, ainsi que par la construction de gazoducs.

Le méthane est également produit dans les décharges et les sites d’élimination des déchets, car les déchets organiques se décomposent sous terre en l’absence d’oxygène.

Du méthane peut également être produit lors de processus sans oxygène, comme le traitement du fumier ou des eaux usées. Toutefois, au lieu d’être rejeté dans l’atmosphère, ce méthane peut être utilisé à bon escient. À Melbourne, par exemple, la station d’épuration de Weeribee récupère le méthane de ses bassins. Certains bassins peuvent recueillir jusqu’à 20 000 mètres cubes de méthane par jour, qui sont ensuite utilisés pour produire de l’électricité, laquelle est ensuite utilisée pour alimenter l’installation de traitement.

Le méthane est assez abondant dans nos maisons – le gaz naturel que beaucoup d’entre nous utilisent pour cuisiner et chauffer nos maisons est composé d’environ 85 % de méthane.

Le méthane est également créé dans les régions rurales par la combustion de la biomasse, comme les déchets agricoles, les prairies et les bois (pour le défrichage). Les rizières, qui sont submergées pendant plusieurs mois de l’année, fonctionnent comme des zones humides et fournissent 10 % des émissions de méthane.

Bétail

Les rots et les pets peuvent amuser les enfants, mais lorsqu’ils sont produits en grand nombre par le bétail, le méthane libéré peut devenir une préoccupation majeure. Le méthane est créé dans le système digestif des ruminants domestiques tels que les bovins, les chèvres et les moutons par un processus connu sous le nom de fermentation entérique. Ces animaux rotent le méthane et, dans une moindre mesure, le rejettent dans l’atmosphère. AGResearch, le plus grand institut de recherche publique de Nouvelle-Zélande, a découvert que chaque vache produit entre 130 et 230 litres de méthane par jour, selon l’extrémité par laquelle il sort. Sachant qu’il y a plus de 1,3 milliard de vaches sur terre, cela s’additionne rapidement. Il n’est donc pas étonnant que le bétail soit une source majeure de méthane, représentant environ 28 % des émissions mondiales.

Élimination du méthane

L’élimination du méthane de l’atmosphère peut être réalisée à la fois par des processus environnementaux naturels et par l’ingéniosité de l’homme.

Puits naturels de méthane

Avant la révolution industrielle, les niveaux mondiaux de méthane sont restés raisonnablement constants pendant longtemps parce que les processus naturels d’élimination du méthane, appelés « puits » de méthane, équilibrent le méthane total produit. Actuellement, les émissions de méthane dépassent les absorptions d’environ 22 mégatonnes (Mt) par an.

La troposphère (le niveau le plus bas de l’atmosphère terrestre) est le puits de méthane le plus important. Par ses interactions avec le méthane et d’autres gaz, le radical hydroxyle (OH) fonctionne comme un agent de « nettoyage », les éliminant essentiellement de l’atmosphère. Chaque année, l’oxydation troposphérique élimine environ 500 millions de tonnes de méthane.

De plus petites quantités de méthane (40 Mt) sont également évacuées de la couche atmosphérique immédiatement supérieure, la stratosphère, à la suite des réactions OH.

Certains micro-organismes du sol (méthanotrophes) utilisent le méthane comme source de carbone, éliminant ainsi environ 30 Mt de méthane chaque année.

Utiliser la science pour réduire les niveaux de méthane

Si l’environnement naturel dispose de ses propres systèmes pour éliminer le méthane de l’atmosphère, les progrès de la science et de la technologie nous permettent également d’y contribuer.

La découverte de nouvelles techniques de culture du riz, comme la riziculture sèche, ou la création de types de riz plus productifs, peut constituer une approche plus efficace pour réduire les émissions de méthane.

Avec une population croissante qui a besoin de viande, de lait, de laine et de toutes les autres ressources fournies par les animaux d’élevage, il y a peu de chances de réduire radicalement le nombre de ruminants sur la planète, à moins que nous ne trouvions d’autres sources de protéines animales ou que nous décidions tous soudainement de devenir végétaliens – un scénario peu probable.

En Australie, en revanche, les scientifiques luttent contre les émissions des bovins. Début 2009, le gouvernement australien s’est engagé à consacrer environ 27 millions de dollars à l’étude de méthodes permettant de réduire le méthane et les autres gaz à effet de serre émis par l’agriculture. La recherche comprend 18 initiatives, dont l’élevage sélectif d’animaux qui produisent moins de méthane, la réduction des émissions de méthane par l’élimination de certains micro-organismes intestinaux du bétail et la réduction des émissions de méthane par la modification de l’alimentation du bétail.

La technologie implique également que nous n’ayons pas à jeter nos « déchets » Le méthane pouvant être utilisé comme combustible, il existe diverses possibilités de recyclage et d’utilisation de ce gaz comme source d’énergie. Bien qu’un peu de dioxyde de carbone soit produit, l’impact total sur le changement climatique serait plus faible que si le méthane n’était pas utilisé. Pendant de nombreuses années, le méthane produit par les matériaux en décomposition dans certaines décharges a été utilisé pour produire de l’électricité, chauffer des bâtiments et alimenter des voitures.

Les États-Unis comptent déjà plus de 500 usines de transformation des décharges en énergie et l’Allemagne, leader permanent en matière de technologies renouvelables, a produit suffisamment d’électricité à partir de biogaz en 2009 pour alimenter plus de 3,5 millions de foyers. Depuis 2005, la Suède utilise cette technologie pour alimenter un train qui relie deux villes distantes de plus de 120 kilomètres.

Si l’utilisation du méthane produit par les décharges n’est pas viable dans certaines régions, une autre solution étudiée en Australie consiste à empêcher sa production. Couvrir les sites de décharge pour empêcher la pluie d’atteindre la terre est une méthode pour empêcher la production de méthane. Les scientifiques australiens étudient actuellement comment réduire les niveaux de méthane dans les décharges en faisant pousser des plantes et des arbres à leur surface. Les plantes sont censées absorber l’eau qui, autrement, s’infiltrerait dans le sol et stimuler la décomposition anaérobie des ordures, qui libère du méthane. Les chercheurs de l’université du Queensland central ont testé avec succès cette technologie, appelée « phytocapping ».

La technologie commerciale d’énergie renouvelable pour la capture et la réutilisation du méthane est largement employée dans le secteur du traitement des eaux usées. La station d’épuration de Werribee, ainsi que des exploitations agricoles comme la Straus Family Creamery, qui utilise un digesteur de méthane pour convertir les bouses de vache en énergie, démontrent que les technologies de captage et de réutilisation sont réalistes et efficaces.

Une autre méthode pour réduire les niveaux de méthane consiste à limiter les émissions de l’industrie des combustibles fossiles. Le méthane, par exemple, peut être collecté dans certaines mines de charbon et utilisé pour produire de l’électricité, transformant ainsi un gaz résiduel en combustible.

Il est important de noter que les gouvernements reconnaissent désormais la fonction du méthane en tant que gaz à effet de serre. Le méthane a été intégré dans le plan australien d’échange de droits d’émission ainsi que dans l’actuel Fonds de réduction des émissions. On envisage également d’inclure le méthane et d’autres gaz à effet de serre dans le système d’échange de droits d’émission de l’Union européenne.

Conclusion

Le méthane est présent partout, des rots de vache à la décomposition de la matière organique, en passant par les énormes réservoirs de clathrates gelés dans les océans et le permafrost. En raison de sa puissance en tant que gaz à effet de serre, il joue un rôle important dans la façon dont les systèmes terrestres réagissent aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Trouver des solutions pour réduire ou réutiliser le méthane produit par les activités humaines est une étape cruciale dans la gestion du changement climatique.