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Méthane

Dossier - Mille et une facettes du carbone
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Le carbone a été découvert dès la préhistoire et était produit par la combustion incomplète des matières organiques produisant du charbon. C'est un élément chimique de la famille des cristallogènes : ambre, encre de Chine, carbure, graphite, noir animal, charbon actif, diamant, crayon, etc... Tous ces mots ont un lien direct avec le carbone : c’est ce que ce dossier va vous faire découvrir en traitant du carbone sous un angle moins « chimique » que d’habitude.

  
DossiersMille et une facettes du carbone
 

Alessandro Volta découvre le méthane en 1776. Le méthane (CH4) est un gaz sans couleur, inodore, non-toxique se composant de quatre atomes d'hydrogène et un atome de carbone.

Le méthane est un produit de la digestion incomplète lors de la fermentation gastrique des ruminants. © 3dman eu, Pixabay, DP

C'est le responsable des célèbres et tragiques coups de grisou. Le méthane est combustible, et les mélanges d'environ 5 à 15% dans l'air sont explosifs. C'est le constituant principal du gaz naturel, un combustible fossile. Il est libéré dans l'atmosphère quand la matière organique se décompose dans des environnements avec de faibles niveaux d'oxygène : marais, termites et océans, mais aussi processus digestifs des ruminants, culture du riz et sites d'enfouissement des déchets.

Comme le dioxyde de carbone, le méthane est un gaz à effet de serre mais c'est un composé omniprésent dans l'Univers.

Molécule de méthane

Propriétés physiques

-- Point triple 90,68 K (-182,47 °C) 11,7 kPa
-- Point critique 190,45 K (-82,7 °C) 4,596 MPa
-- Masse volumique (à -164 °C) 415 kg/m³ sous forme gazeuse 0.717 kg/m³
-- Il se liquéfie à -161,4 °C
-- Il se solidifie à -182,6 °C.
-- Sa solubilité dans l'eau est de 0,4 ml pour 100 ml  à 20 °C
-- Il s'enflamme à 667 °C en présence d'oxygène.
-- 1 m³ de méthane à 15 °C (gaz naturel) libère une énergie de 9,89 kWh (35,6 MJ)

Le méthane est transporté par navires à une température de -162 °C et à une pression voisine de la pression atmosphérique. Le méthane est considéré comme dangereux, et dans les raffineries, les torchères le brûlent pour éviter les problèmes. Les gisements fossiles de gaz naturel comportent entre 50 et 60 % de méthane. Le méthane biologique, ou biogaz, qui est produit par la fermentation anaérobie de matière organique comporte 50 à 80 % de méthane.

Le biogaz produit dans les décharges pourrait être valorisé.

CH4 concentration

Contribution à l'effet de serre

Son rôle sur le climat est moins important que pour le dioxyde de carbone. On estime les émissions de CH4 à 500 Mt/an, dont 75%  de sources anthropiques. Son effet de réchauffement est 21 fois supérieur à celui du gaz carbonique.

- Les zones humides : 32% des émissions.
- Les énergies fossiles : 21% des émissions
- Les ruminants : 16% des émissions.
- Les déchets humains : 12% des émissions
- La biomasse : 10% des émissions
- Les sédiments et océans : 4% des émissions
- Les hydrates contenant du méthane (clathrates) pourraient émettre du gaz en cas de perturbation de la température océanique et/ou du dégel de certains sols de la toundra.

Equivalent méthane

Les vaches

Le méthane est un produit de la digestion incomplète lors de la fermentation gastrique des ruminants, donc ces pauvres vaches ne sont pas seules en cause. Une seule vache peut émettre 100 à 500 litres de méthane par jour. Un seul bovin peut en produire environ 65 kg par année.  À cela s'ajoutent les déjections qui continuent leur décomposition. Les bovins ont une mission : manger beaucoup et grossir vite. Une vache laitière en produit le double, car elle mange davantage. Et lorsqu'elle mange, elle fait des rots : imaginez 1,3 milliard de bovins qui font des rots avec du méthane... Bon, nous aussi on fait du méthane : 0.5 % du total des émissions animales sont humaines et la faune sauvage en produit 5 %.

Les moutons et les chèvres, encore plus

Les bactéries méthanogènes, entre un milliard et cent milliards par millilitre de liquide dans le rumen, sont minuscules. C'est elles qui absorbent l'hydrogène et produisent le méthane. 85 % du méthane sort par la bouche et le nez de l'animal. Le reste voyage à travers le gros intestin avant d'être libéré. On a découvert que le niveau baisse si la vache mange des aliments faciles à digérer, la luzerne par exemple ou de l'herbe jeune.

Les rizières

D'après des informations du Laboratoire de microbiologie IRD, Université de Provence, Marseille

Elles sont à l'origine de l'émission d'une part importante du méthane. Des chercheurs du Laboratoire de microbiologie de l'IRD à Marseille, en collaboration avec l'Institut International de Recherche sur le riz (IRRI), font des  recherches sur l'écologie des micro-organismes responsables de l'émission de méthane par les rizières. Les rizières produisent environ 60 millions de tonnes/an soit 20 à 40% des émissions. Un kilo de riz correspond à l'émission de 120g de méthane, et, pour assurer les besoins, la production de riz doit s'accroître de 60% en trente ans : on observera donc une augmentation des quantités de matière organique (racines et chaumes de riz, engrais organiques...) se décomposant dans les sols inondés des rizières.

Rizières Académie d'Orléans

C'est le méthane non consommé par les bactéries qui est émis dans l'atmosphère. Les recherches ont montré que les bactéries méthanogènes et méthanotrophes sont présentes dans tous les sols de rizière mais leur densité ne reflète pas le potentiel du sol à produire ou à consommer le méthane. C'est la disponibilité en carbone organique dans le sol qui détermine la production de méthane et c'est le méthane des zones aérobies des sols qui conditionne l'activité méthanotrophe.

Tous les sols étudiés, lorsqu'ils sont placés dans des conditions adéquates, ont un potentiel méthanotrophe supérieur au potentiel méthanogène, donc suffisant pour consommer tout le méthane produit. Des expériences dans des parcelles expérimentales de l'IRRI ont montré qu'en drainant une parcelle à deux reprises au cours d'un cycle de culture, il est possible de réduire de 80% l'émission de méthane. Le drainage intermittent apparaît comme la solution la plus réaliste et permet de contrôler certaines maladies et prédateurs du riz.