thumb|upright=1.55|Processus de houillification ; transformation de couches plus ou moins épaisses de débris végétaux (en vert à gauche) en charbon (houille, en noir à droite), au cours des âges géologiques, processus très lent allant des quelques millions à quelques centaines de millions d'années. thumb|upright=1.55|Bloc de houille montrant la structure du charbon et les pans de fracturation, horizontaux et verticaux dans ce cas thumb|upright=1.55|Schéma des plans de failles/microfissures dans les 3 dimensions d'un charbon et voies privilégiées d'extraction de l'eau ou du gaz contenu par la matrice charboneuse (micro et nanoporoité) et les zones de fractures. thumb|upright=1.55|Représentation de la fosse l'Éclaireur de la Compagnie des mines de Douchy, ancien charbonnage constitué d'un seul puits situé à Rœulx, dans le Nord.
Le « gaz de couche » parfois dit « gaz de houille » L'expression « gaz de houille » est utilisé par le ministre français Arnaud Montebourg (Montebourg plaide pour le gaz de houille "made in France" (Le Monde). (expression qui a aussi un autre sens) ou gaz de charbon, est un gaz, principalement constitué de méthane, qui est piégé (adsorbé) au cœur de la matrice solide du charbon (charbon bitumineux et anthracite surtout) dans les bassins houillers, dans les micropores du charbon non exploité ou incomplètement exploité. Ce gaz a d'abord été connu comme « grisou », si redouté des mineurs en raison des explosions souvent mortelles de poches de gaz accumulé dans certaines galeries.
Classé dans la famille des gaz de roche-mère et localement extrait de couches de charbon non exploitable car (comme dans le cas des charbons de bas-rang du bassin de la Powder River), il est (selon un bilan de l'IFP publié en 2013) exploité industriellement R. Vially – G. Maisonnier – T. Rouaud (2013), Hydrocarbures de roche-mère, État des lieux, Énergies nouvelles, IFP, 22 janvier 2013 (avec encadré sur "l’exploitation du gaz de houille en France : l’exemple de Gazonor", anciennement méthamine p 31 sur 121. Son origine géologique est principalement « thermogénique », mais il contient une certaine proportion de « gaz biogénique »Romeo M. Flores (2014) Coal and Coalbed Gas Fueling the Future (chapitre 10), 2014, Pages 587–614 (d'origine bactérienne, produit par certaines archaeobacteriae dites « méthanogènes »Abbanat, D. R., Aceti, D. J., Baro, S. F., Terlesky, K. C., &Ferry, J. G. (1989). Microbiology and biochemistry of themethanogenic archaeobacteria. Advance Space Research, 9,101-105). À grande profondeur là où le charbon n'a pas été exploité, ce gaz est présent sous forme quasi-liquide en raison de la pression à laquelle il est soumis, mais il est généralement fortement « adsorbé » dans la matrice charbonneuse.
Les caractéristiques physiques et chimiques du charbon, ainsi que sa profondeur (pression/température) conditionnent la plus ou moins grande capacité d'un charbon à adsorber et désorber le méthane à un « rythme d'exploitation » plus ou moins rapide (variable dans l'espace et dans le temps). Selon sa nature et son histoire géologique le charbon est en effet plus ou moins saturé en gaz de coucheJohn C. Crelling et al. ; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry; Online: 2010-04-15 ; DOI: 10.1002/14356007.a07_153.pub4 (Lien/Sommaire). Dans les meilleurs gisements (par exemple le bassin houiller de la rivière Powder dans le Wyoming), contrairement à beaucoup de « gaz naturels conventionnels », le méthane de houille contient très peu d'hydrocarbures plus lourds (tels que le propane ou le butane, peu d'azote (moins de 3 %) et peu de (moins de 3 %Rodney H. De Bruin, Robert M. Lyman, Richard W. Jones et Lance W. Cook, Coalbed methane in Wyoming ; source : entreprise de forage gazier opérant dans le "Powder River Basin" (Wyoming). “Black Diamond Energy, Inc.”; ( basée à Buffalo).). Toutefois, certaines veines de charbon (telles que celles de certaines régions de l’llawarra Coal Measures, dans le NSW, Australie) contiennent naturellement peu de méthane et beaucoup de .
Son comportement in situ (en profondeur et sous haute pression) est encore mal compris (il ne peut être dans ces conditions assimilé à un gaz parfait, de plus sa composition varie, de même que celle des charbons dans lesquels il est adsorbé), mais dans certaines conditions, il peut être désorbé et valorisé comme source d'énergie ou de carbone pour la carbochimie, mais c’est aussi un puissant gaz à effet de serre s’il est perdu dans l’atmosphère et, comme toutes les sources d’énergies fossiles, il produit du quand on le brûle.
Vocabulaire Les anglophones utilisent le sigle CBM pour « coalbed methane » qui désigne de manière générale le méthane houiller, alors que le sigle ECBM (pour enhanced coal bed methane) désigne le méthane extrait de la houille au moyen des techniques modernesJohn Gale et Paul Freund ; “Coal-Bed Methane Enhancement with Sequestration Worldwide Potential” ; Environmental Geosciences, AAPG/DEG ; online: 28 JUN 2008 ; Volume 8, Issue 3, pages 210–217, septembre 2001DOI: 10.1046/j.1526-0984.2001.008003210.x (Résumé).
Il fait partie des « gaz naturels non conventionnels » (avec les gaz de schiste, les hydrates de méthane (clathrates sous-marins ou des pergélisols), ou le dissous dans certaines eaux souterraines salines)Hitoshi Koide, Kenichi Yamazaki ; « Subsurface Disposal with Enhanced Gas Recovery and Biogeochemical Carbon Recycling » ; Environmental Geosciences ; Volume 8, Issue 3, pages 218–224, septembre 2001 (en ligne 2008/06/28) AAPG/DEG ; DOI: 10.1046/j.1526-0984.2001.008003218.x.
En Australie, on parle de « coal seam gas » (en abrégé CSG"Jargon Buster".BG Group consulté 2010-07-18).).
De petites failles ou fractures naturelles des couches de charbon (dites « cleats » pour les anglophones) peuvent également accumuler du grisou si elles ne sont pas remplies d'eau, par exemple après un pompage ou dans une zone de cône de rabattement de nappe.
Caractérisation et typologies des gaz de couche Selon l'origine, thermique ou biogénique Le gaz désorbé d'une couche de charbon est le plus souvent principalement d'origine thermique, étant issu de la dégradation de la matière organique par pyrolyse lente sous l'effet de la pression et de la chaleur au fur et à mesure que le charbon s'enfonce dans le sous-sol. Cependant la part biogénique (produite par des microbes en phase anaérobie, il y a des millions d'années) varie de 10 % à plus de 90 %[Chapter 10 ; Coal and Coalbed Gas: Outlook] ; Coal and Coalbed Gas ; Fueling the Future, 2014, Pages 587–614(résumé), et certains gisements présentent une part biogénique plus importante, voire dominante, notamment dans certains charbons sub-bitumineux et de haut rang d'houillification : on en connait dans plus de trente bassins houillers dans le monde, le plus riche étant est celui du « Bassin houiller de la rivière Powder » (Powder River Basin) dans le Wyoming riche en mines à ciel ouvert. Dans ces charbons sub-bitumineux, environ 89 % du méthane est d'origine biogénique et le gaz biogénique de ce bassin représente environ 15 % des ressources en gaz de couche des États-Unis, la production en charbon représentant environ 40 % de la production totale des États-Unis (en 2011).
L'analyse isotopique du gaz permet de préciser son origine.
Selon la technologie En raison du comportement différent des gaz adsorbés dans un charbon, la composition du gaz extrait à partir d'une même couche de charbon (quel que soit son rang) peut considérablement varier selon la profondeur et les techniques de « stimulation », « désorption » et extraction utilisées : technique passive de récupération (pour le grisou), active (du pompage à la désorption par mise en dépression, éventuellement après une activation par cavitation ou fracturation du gisement) et plus ou moins assistée ou réactivée par des techniques de stimulation du gisement, par fracturation hydraulique, injection de produits chimiques, etc.) (voir exemple ; tableau ci-dessous, pour l'Allemagne sur la base des données disponibles en 2002, selon Thielemann (2002).
+ Teneurs mesurées en Allemagne pour cinq composants (en % du volume extrait)du gaz de couche (en gras) et du gaz de mine/grisou selon Thielemann ()Thielemann T. (2002): http://www.thomas-thielemann.de/17_kohlefloezgas%20%281%29.pdf Kohleflözgas in Deutschland]. – BGR Commodity Top News, 17: 4 Seiten; Hannover (via geozentrum-hannover.) ; PDF, 4 pages, en allemand Gaz (Composé chimique) Symbole chimique Gaz de couche Gaz de mine/grisou (activement pompé) Gaz de mine/grisou spontanément désorbé dans les mines désaffectées Méthane CH4 90 - 95 Vol.-% 25 - 60 Vol.-% 30 - 95 Vol.-% Dioxyde de carbone CO 2 - 4 Vol.-% 1 - 6 Vol.-% 1 - 15 Vol.-% Monoxyde de carbone CO 0 Vol.-% 0,1 - 0,4 Vol.-% 0 Vol.-% Oxygène O2 0 Vol.-% 7 - 17 Vol.-% 0 Vol.-% Azote N2 1 - 8 % 4 - 40 % 5 - 32 %
Histoire Ce gaz a d'abord été connu comme « grisou », si redouté des mineurs en raison des explosions souvent mortelles de poches de gaz accumulé dans certaines galeries.
Des colons américains du Wyoming en ont aussi trouvé de petites quantités, d'origine a priori biogénique et issu de charbons de bas rang superficiels ou d'origine thermique et provenant alors de charbons de haut rang, en forant des puits de prélèvement d'eau dans des zones charbonneuses superficielles, en particulier dans le bassin de la Powder River lors de forages peu profonds visant à trouver de l'eau dans les années 1950 (source : Olive, 1957 cité par JonesDeBruin1990). Quelques forges ou ranches de cette région en ont ainsi utilisé pour leurs besoins en énergie dès 1916De Bruin, R. H., & Lyman, R. M. (1999), Coalbed methane in Wyoming.
À la fin du , alors que les gisements pétroliers et gaziers conventionnels s’épuisent, une filière industrielle « gaz de houille » apparait (dans les années 1980 aux États-Unis). En 2013, elle est principalement active aux États-Unis, au Canada et se développe en Australie qui en possède aussi de riches gisements, mais la Chine, la Russie et moindrement l‘Inde disposent des principales ressources mondiales. En Europe, le Royaume-Uni, la Pologne, la France et la Belgique font de la prospection (étudient l'exploitation du grisou de dégazage de mines ou de site en attente d'être exploité par des galeries de minesWeddige, A. & Bosten, J. (1944) Künstliche Ausgasung eines Abbaufeldes und Nutzbarmachen des Methans für die Gasversorgung (Dégazage artificiel d'une zone minière et exploitation du méthane pour l'approvisionnement en gaz). – Glückauf , 80 (23/24): 241-250; Essen.
L'industrie minière et gazière porte ses efforts sur les méthodes permettant de le désorber de sa matrice en exploitant des puits spéciaux aboutissant à des forages dirigés, horizontaux ou suivant le pendage de la veine de charbon, l'absence de galeries et de personnel réduisant le coût.
Essentiellement constitué de méthane, le gaz de couche est aussi un puissant gaz à effet de serre (le méthane est à court terme plus de vingt fois plus actif que le en termes de facteur de réchauffement de l’atmosphère.), ce qui explique pour partie que cette exploitation soit source de controverses.
Technologies d’extraction L'extraction du gaz de couche se fait selon deux approches.
La récupération « passive » du grisou Le grisou est « naturellement » exprimé dans tous les vides creusés dans le charbon et a fortiori par des mines de charbon anciennes.