En soi, le méthane n'est pas très excitant. C'est un gaz incolore et inodore et le membre le plus simple de la série des alcanes d'hydrocarbures. Sa plus grande renommée est que, en tant que principal constituant du gaz naturel, il est utile comme source d'énergie.
Récemment, cependant, des géologues ont découvert un type de méthane qui a piqué leur curiosité. Une partie de son caractère inhabituel est la façon dont il existe dans son état naturel - piégé à l'intérieur d'une cage de glace. Encore plus intrigant est la quantité de ce méthane gelé qui semble être enfermée dans la croûte terrestre. Certaines estimations indiquent que jusqu'à 700 quadrillions (700 × 10 15 ) pieds cubes (20 quadrillions de mètres cubes) de méthane sont enfermés dans la glace et piégés dans les sédiments des fonds marins du monde entier [source :Tarbuck]. C'est deux fois plus de carbone que les autres combustibles fossiles de la Terre combinés.
La découverte de ce nouveau type de méthane, ce que les scientifiques appellent l'hydrate de méthane , a conduit à deux questions importantes. La première est pragmatique :brûlera-t-il comme du méthane ordinaire ? Il s'avère que ce sera le cas. Si vous prenez un morceau d'hydrate de méthane - il ressemble à de la neige compactée - et que vous y touchez une allumette allumée, l'échantillon brûlera avec une flamme rougeâtre. Et si tel est le cas, il pourrait être utilisé pour chauffer les maisons, alimenter les voitures et alimenter généralement des pays gourmands en énergie comme le Japon, les États-Unis, l'Inde et la Chine. Des données récentes suggèrent que seulement 1 % des gisements d'hydrate de méthane de la Terre pourraient produire suffisamment de gaz naturel pour répondre aux besoins énergétiques de l'Amérique pendant 170 000 ans [source :Stone].
La deuxième question est en partie une considération éthique :devrions-nous, en tant que communauté mondiale essayant avec ferveur de développer une énergie propre et renouvelable, adopter l'un des combustibles fossiles qui nous a causé des problèmes en premier lieu ? La science ne peut pas répondre à cette question. Il peut cependant révéler les défis et les risques auxquels sont confrontés les pays qui espèrent tirer parti de l'hydrate de méthane. L'un des défis les plus importants consiste à trouver des moyens efficaces d'extraire le carburant gelé. Plus troublantes sont les catastrophes potentielles liées à l'extraction du méthane, allant des glissements de terrain sous-marins massifs à un effet de serre incontrôlable.
Dans cet article, nous allons explorer tous les aspects positifs et négatifs de l'hydrate de méthane. Nous examinerons son histoire relativement brève, ainsi que sa place dans certains scénarios futurs possibles. Et, bien sûr, nous examinerons la science fondamentale derrière cette soi-disant "glace inflammable".
Commençons par un peu de chimie.
Contenu
Le carburant gelé est le nom accrocheur d'une famille de substances appelées hydrates de gaz . Le gaz en question est du gaz naturel, un mélange d'hydrocarbures, comme le méthane, le propane, le butane et le pentane. Parmi ceux-ci, le méthane est de loin le composant le plus courant et l'un des composés les plus étudiés en chimie.
Comme tous les hydrocarbures, le méthane ne contient que deux éléments :le carbone et l'hydrogène. C'est un exemple d'un hydrocarbure saturé , soit une molécule entièrement composée de liaisons simples et donc le nombre maximal d'atomes d'hydrogène autorisé. La formule générale des hydrocarbures saturés est Cn H2n+2 . Le méthane n'a qu'un seul atome de carbone, sa formule chimique est donc CH4 . Les chimistes décrivent cette forme comme un tétraèdre.
Le méthane est un gaz combustible incolore et inodore produit par la décomposition bactérienne de matières végétales et animales. Il se forme dans un processus partagé par tous les combustibles fossiles. Premièrement, les plantes et les animaux marins meurent et tombent sur le fond marin. Ensuite, la boue et d'autres sédiments du fond marin recouvrent les organismes en décomposition. Les sédiments exercent une forte pression sur la matière organique et commencent à la comprimer. Cette compression, combinée à des températures élevées, rompt les liaisons carbone de la matière organique, la transformant en pétrole et en gaz naturel.
Généralement, ce méthane - ce que les géologues décrivent comme du méthane "conventionnel" - se trouve sous la surface de la Terre. Pour y accéder, les travailleurs doivent forer à travers la roche et les sédiments et puiser dans les gisements de méthane pour libérer le gaz. Ensuite, ils le pompent à la surface, où il est transporté par des tuyaux à travers le pays.
Le méthane peut également se former de manière non conventionnelle si les sédiments qui le produisent sont situés à environ 1 640 pieds (500 mètres) sous la surface de l'océan. Les températures proches du point de congélation et la haute pression de ces conditions font que le méthane s'enferme dans la glace. Le méthane ne se lie pas chimiquement avec l'eau. Au lieu de cela, chaque molécule de méthane tétraédrique se trouve à l'intérieur d'une coquille cristalline faite de glace. Cette substance unique est connue sous le nom d'hydrate de méthane , et dès qu'elle atteint des températures plus chaudes et des pressions plus basses, la glace fond, laissant derrière elle du méthane pur.
Les géologues n'ont découvert l'hydrate de méthane naturel que récemment, mais les chimistes le savent depuis des années, comme nous le verrons dans la section suivante.
Composés de clathrateL'hydrate de méthane est un clathrate , une substance chimique composée d'un composé imbriqué dans un autre. Le mot vient du latin clatratus , signifiant "barres" ou "treillis". Un composé sert d'hôte, l'autre d'invité. Dans le cas de l'hydrate de méthane, l'eau est l'hôte et le méthane est l'invité. Pour cette raison, les chimistes se réfèrent parfois aux clathrates comme des complexes hôte-invité .
L'histoire des hydrates de gaz remonte à Humphrey Davy, un chimiste de Cornouailles, en Angleterre, qui a identifié le chlore comme élément en 1810.
Davy et son assistant, Michael Faraday, ont continué à travailler avec du chlore au début des années 1800, mélangeant le gaz vert avec de l'eau et refroidissant le mélange à basse température.
Il est très probable que Davy ait observé l'étrange solide résultant de l'enchâssement des atomes de chlore dans des cristaux de glace, mais Faraday obtient le crédit officiel de la découverte. En 1823, Faraday a publié un rapport décrivant l'étrange substance et l'a appelée clathrate de chlore hydraté. D'autres types de clathrates, chacun impliquant un composé invité enfermé à l'intérieur de la structure en treillis d'un hôte, ont été rapidement découverts, mais ils sont restés une curiosité de laboratoire.
Puis, dans les années 1930, les mineurs de gaz naturel ont commencé à se plaindre d'un matériau semblable à de la glace obstruant les pipelines exposés aux températures froides. Les scientifiques ont déterminé que ce matériau n'était pas de la glace pure, mais de la glace enroulée autour du méthane. Ils n'ont pas perdu de temps à essayer de trouver des moyens d'empêcher la formation d'hydrates et se sont principalement tournés vers des produits chimiques, tels que le méthanol ou le monoéthylène glycol. Depuis lors, les sociétés minières ont ajouté ces matériaux à leurs pipelines de gaz naturel pour empêcher la formation d'hydrates.
Dans les années 1960, les scientifiques ont découvert que l'hydrate de méthane, ou « gaz naturel solide », existait dans le champ gazier de Messoyakha, dans l'ouest de la Sibérie. C'était important parce que les hydrates de gaz naturels n'avaient jamais été trouvés auparavant. Des géologues et des chimistes arrivèrent dans le vaste bassin et commencèrent à étudier les conditions dans lesquelles se formaient les hydrates. Ils ont découvert que les sédiments sous le pergélisol étaient riches en hydrates et ont commencé à rechercher des dépôts similaires dans d'autres régions de haute latitude. Bientôt, une autre équipe de chercheurs a découvert de l'hydrate de méthane dans des sédiments profondément enfouis sous le versant nord de l'Alaska.
Sur la base de ces premières découvertes, l'US Geological Survey (USGS) et le Department of Energy National Energy Technology Laboratory ont mené des recherches approfondies entre 1982 et 1992, révélant que des gisements d'hydrate de méthane pouvaient également être trouvés dans les sédiments offshore. Soudain, ce qui avait été autrefois une curiosité et une nuisance industrielle semblait être une ressource importante. Au milieu des années 1990, le Japon et l'Inde ont pris la tête de la recherche sur l'hydrate de méthane, dans le but de trouver plus de gisements et de développer des moyens d'extraire économiquement le méthane piégé. Depuis, les scientifiques ont découvert des gisements d'hydrate de méthane à de nombreux endroits, dont le delta du fleuve Mackenzie au Canada et la fosse de Nankai au large des côtes du Japon.
Ensuite, nous examinerons l'impact que l'hydrate de méthane pourrait avoir sur l'approvisionnement énergétique mondial.
Une fois que les scientifiques ont commencé à chercher des gisements d'hydrate de méthane, ils n'ont pas été déçus. Ils les ont trouvés sous le pergélisol arctique et sous le fond marin, en particulier dans les zones où une plaque tectonique glisse sur une autre. Ces régions sont appelées zones de subduction parce que le bord d'une plaque se déplace sous une autre. Par exemple, au large des côtes de Washington et de l'Oregon, la plaque Juan de Fuca glisse sous la plaque nord-américaine. Comme un morceau de bois tiré sur la pale d'un avion, les sédiments, y compris les hydrates, de la plaque Juan de Fuca sont évacués par la croûte rocheuse de la plaque nord-américaine. Cela crée une crête d'hydrates parallèle à la côte.
Des dépôts d'hydrates ont également été trouvés dans des régions où se rencontrent de grands courants océaniques. Blake Ridge est une formation située au large des côtes de la Caroline du Sud, dans des eaux allant de 6 562 à 15 748 pieds (2 000 à 4 800 mètres) de profondeur. Les géologues pensent que la crête s'est formée à l'époque oligocène, il y a environ 33,7 à 23,8 millions d'années. La mer du Groenland s'est ouverte pendant cette période, permettant à d'énormes quantités d'eau froide et dense de s'écouler vers le sud le long de la côte atlantique. Alors que cette eau froide coulait tête baissée dans l'eau chaude transportée vers le nord par le Gulf Stream, les courants ont ralenti et ont laissé tomber de grandes quantités de sédiments. La matière organique enfouie dans ces sédiments a finalement donné naissance à une grande quantité d'hydrate de méthane.
Quelle quantité de ce carburant gelé existe à Blake Ridge et sur d'autres sites dans le monde ? Certaines estimations placent la quantité de méthane enfermée dans les hydrates entre 100 000 billions et 300 000 000 billions de pieds cubes (2 832 billions à 8 495 054 billions de mètres cubes). Comparez cela aux 13 000 000 milliards de pieds cubes (368 000 milliards de mètres cubes) de réserves de gaz naturel conventionnel restant sur la planète, et vous comprendrez pourquoi les mâchoires de la communauté scientifique sont tombées [source :Collett].
Bien sûr, trouver les gisements d'hydrates est une chose. Comme nous le verrons dans la section suivante, les sortir - et le faire en toute sécurité - est une tout autre chose.
Les avantages potentiels de la libération de méthane des champs d'hydrates de gaz doivent être mis en balance avec les risques. Et les risques sont importants. Commençons d'abord par les défis auxquels sont confrontées les sociétés minières et leurs travailleurs. La plupart des gisements d'hydrate de méthane sont situés dans les sédiments du fond marin. Cela signifie que les plates-formes de forage doivent pouvoir atteindre plus de 1 600 pieds (500 mètres) d'eau, puis, parce que les hydrates sont généralement situés loin sous terre, plusieurs milliers de pieds supplémentaires avant de pouvoir commencer l'extraction. Hydrates also tend to form along the lower margins of continental slopes, where the seabed falls away from the relatively shallow shelf toward the abyss. The roughly sloping seafloor makes it difficult to run pipeline.
Even if you can situate a rig safely, methane hydrate is unstable once it's removed from the high pressures and low temperatures of the deep sea. Methane begins to escape even as it's being transported to the surface. Unless there's a way to prevent this leakage of natural gas, extraction won't be efficient. It will be a bit like hauling up well water using a pail riddled with holes.
Believe it or not, this leakage may be the least of the worries. Many geologists suspect that gas hydrates play an important role in stabilizing the seafloor. Drilling in these oceanic deposits could destabilize the seabed, causing vast swaths of sediment to slide for miles down the continental slope. Evidence suggests that such underwater landslides have occurred in the past (see sidebar), with devastating consequences. The movement of so much sediment would certainly trigger massive tsunamis similar to those seen in the Indian Ocean tsunami of December 2004.
But perhaps the biggest concern is how methane hydrate mining could affect global warming. Scientists already know that hydrate deposits naturally release small amounts of methane. The gas works itself skyward -- either bubbling up through permafrost or ocean water -- until it's released into the atmosphere. Once methane is in the atmosphere, it becomes a greenhouse gas even more efficient than carbon dioxide at trapping solar radiation. Some experts fear that drilling in hydrate deposits could cause catastrophic releases of methane that would greatly accelerate global warming.
Does that make methane from hydrate fields off-limits? This is the question scientists from all over the world are trying to answer.
Moving MountainsOne of the largest landslides in history didn't occur on land, but underwater, just off the coast of Norway. It also didn't occur in recent history, but in the Holocene epoch, about 8,000 years ago. Known as the Storegga Submarine Landslide, the event caused massive amounts of sediments to slide about 497 miles (800 kilometers) down the continental slope. This in turn triggered a mega-tsunami, perhaps 82 feet (25 meters) high, that struck Norway and Scotland.
In 1998, Russian researchers discovered an unstable hydrate field near the site of the Storegga slide. Now scientists believe that a rapid decomposition of hydrates, related to temperature and pressure changes coming at the end of the last ice age, destabilized the sediments and caused the landslide.
In 1997, the U.S. Department of Energy (DOE) initiated a research program that would ultimately allow commercial production of methane from gas hydrate deposits by 2015. Three years later, Congress authorized funding through the Methane Hydrate Research and Development Act of 2000. The Interagency Coordination Committee (ICC), a coalition of six government agencies, has been advancing research on several fronts. Much of what we know about the basic science of methane hydrate -- how it forms, where it forms and what role it plays, both in seafloor stabilization and global warming -- has come from the ICC's research.
Interesting ideas about how to extract the methane from hydrates efficiently are also emerging. Some experts propose a technique in which miners pump hot water down a drill hole to melt the hydrate and release the trapped methane. As the methane escapes, it is pumped to the seafloor through a companion drill hole. From there, submarine pipelines carry the natural gas ashore. Unfortunately, such pipelines would need to travel over difficult underwater terrain. One solution is to build a production facility on the seafloor so it is situated near the hydrate deposits. As methane escapes from the heated sediments, workers in the plant would refreeze the gas to form "clean" methane hydrate. Submarines would then tow the frozen fuel in huge storage tanks to shallower waters, where the methane could be extracted and transported safely and efficiently.
Is all of this necessary? Won't renewable energy sources make it a waste of time to pursue another nonrenewable fossil fuel so vigorously? Realistically, fossil fuels will still be an important component of the world's overall energy mix for decades to come. According to the Energy Information Administration (EIA), total U.S. natural gas consumption is expected to increase from about 22 trillion cubic feet (0.622 trillion cubic meters) today to about 27 trillion cubic feet (0.76 trillion cubic meters) in 2030. Global natural gas consumption is expected to increase to 182 trillion cubic feet (5.15 trillion cubic meters) over the same period [source:EIA]. Tapping into the methane locked away in hydrates will obviously play a key role in meeting that demand.
That means the frozen fuel from methane hydrate can buy more time as scientists search for alternatives to power our planet. Think of it as an important stepping-stone in our transition to cleaner, greener energy sources.
