vignette|Stabilité des hydrates de méthane en fonction de la température. La zone de stabilité est à gauche de la courbe.
Un hydrate de méthane (ou clathrate de méthane) est un clathrate, plus précisément un clathrate hydrate, un cristal organique nanoporeux formé de molécules d’eau et de méthane. On en trouve dans les sédiments des fonds marins, sur certains talus continentaux, ainsi que dans le pergélisol des régions polaires.
La formation de ces hydrates constitue l'un des puits de carbone planétaires, mais ils sont très instables quand leur température dépasse un certain seuil.
Les hydrates de méthane sont une source potentielle d'énergie fossile pour remplacer le pétrole ; ils sont réputés présents en grande quantité, surtout en fonds marins, mais sont difficilement exploitables. Ils restent une source directe de méthane ou indirecte de dioxyde de carbone, deux puissants gaz à effet de serre.
Appelé familièrement « glace qui brûle » ou « glace de méthane », ce composé glacé est inflammable dès qu'il fond en présence d'oxygène ou d'un oxydant. À l'échelle moléculaire, un clathrate de méthane est en effet constitué d'une fine « cage » de glace dans laquelle est piégé du méthane a priori issu de la décomposition de matière organique relativement récente (par rapport à celle qui a engendré le pétrole et le gaz naturel) et effectuée par des micro-organismes anaérobies et méthanogènes.
Lors de la production de gaz naturel, d'autres hydrates peuvent se former (d'éthane et de propane). Plus la longueur de la molécule d'hydrocarbure augmente (butane, pentane), moins les hydrates formés sont stables.
Les hydrates de gaz naturels (natural gas hydrate ou NGH en anglais) sont caractérisés par une plus faible pression (, compression 1/170) et une plus haute température () que le gaz naturel liquéfié (liquified natural gas, LNG) ou le gaz naturel pour véhicules (compressed natural gas, CNG, gaz naturels comprimés).
Découverte En , dans l'océan Pacifique, le navire de recherche RV Sonne remonte, d'une profondeur de , d'hydrate de méthane« Énergie des abysses », Archimède, sur Arte, le 26 octobre 1999..
Structure vignette|Filons d'hydrate de méthane (clathrate, en blanc sur la photo) trouvés au large de l'Oregon ( environ) dans le premier mètre du sédiment.
L'hydrate de méthane est constitué de molécules d'eau formant des cages qui piègent des molécules comme le méthane ou le sulfure d'hydrogène (tous deux présents dans l'hydrate remonté par le navire Sonne). Ces cages peuvent stocker de considérables quantités de gaz (par exemple, d'hydrate peut libérer de méthane gazeux à la pression atmosphérique).
Plus précisément, la structure de base de l'hydrate de méthane correspond à la structure de des structures de clathrate de gazDossier « Les océans », Pour la science, , octobre-décembre 2011, p. 11. : cette structureOn connaît deux autres structures possibles pour les clathrates de gaz, la et la , mais elles correspondent à d'autres gaz que le méthane. (également appelée structure de Weaire-Phelan) comprend deux cages de petite taille et six cages de plus grande taille : chacune des deux cages de petite taille a la forme d'un dodécaèdre irrégulier (polyèdre formé de en forme de pentagones irréguliers et qui comprend et ) ; chacune des six cages de grande taille a la forme d'un (polyèdre formé de deux hexagones réguliers et de irréguliers et qui comprend et ) ; chacun des sommets de ces huit cages est occupé par une molécule d'eau tandis que le gaz méthane occupe l'intérieur de ces cages.
Certains de ces sommets étant communs à deux ou plusieurs cages, le nombre total de molécules d'eau de la structure de base de l'hydrate de méthane n'est que de (au lieu de 184).
Conditions de stabilité Les hydrates de méthane sont stables à forte pression et basse température (voir la courbe « conditions de stabilité » ; ordre de grandeur : à )Zhengquan Lu, Nabil Sultan, « Empirical expressions for gas hydrate stability law, its volume fraction and mass-density at temperatures to » , Département de Géosciences Marines, IFREMER, 2008..
Cependant, le méthane sous forme d'hydrate est solide à des températures et des pressions plus élevées que celles nécessaires pour liquéfier le même gaz ; ainsi, le méthane pur dans l'eau pure forme des hydrates à partir d'environ dans l'eau douce à (maximum de densité de l'eau), environ dans l'eau salée à Physical and geochemical characterization of gas hydrates from different geological environments, thèse de Christophe Bourry, Laboratoire de Géochimie/Métallogénie, Département Géosciences Marines, IFREMER ; à titre de comparaison, le méthane se liquéfie à (). La glace d'eau remplit pour le méthane la fonction d'une sorte d'éponge moléculaire, qui permet de stabiliser le méthane sous forme solide. Ainsi, les hydrates de méthane sont susceptibles de se former à des conditions de température et de pression naturellement rencontrées sur la Terre, plus précisément, en sous-sol des terres émergées des régions froides d'une part, sous l'océan d'autre part.
La présence de sel (influence de l'ion chlorure Cl) rend un peu plus difficile la formation d'hydrate.
D'autres gaz de la famille du méthane (propane, butane…) sont susceptibles de former des hydrates avec l'eau, à des pressions plus fortes.
La cinétique (vitesse) de disparition des hydrates de méthane est faible. C'est la raison pour laquelle on voit des photographies de blocs d'hydrates dans des conditions manifestement de laboratoire.
La densité des hydrates étant plus faible que celle de l'eau, on ne trouve pas d'hydrate à l'intérieur des océans, la pression à la surface étant trop faible pour les stabiliser. Ils sont donc toujours fixés sur le fond.
Réservoirs naturels L'hydrate de méthane est stable à faible température et forte pression. Sur les continents, si la température du sol est suffisamment froide, l'augmentation de pression à grande profondeur favorise la stabilité de l'hydrate. Cet effet est en compétition avec le gradient géothermique ; la température augmentant avec la profondeur défavorise la formation d'hydrates. Ces hydrates sont donc stables dans une gamme de profondeur. Sur les terres émergées, dans les régions froides, les conditions de stabilité des hydrates sont susceptibles d'être rencontrées sous la surface du pergélisol, par exemple typiquement entre sous le pergélisolAlbert Pissard, « Les hydrates de méthane : réserve énorme d'énergie et danger climatique potentiel », Bulletin de la Société géographique de Liège, n° 48, 2006, p. 7-17..
En mer, la pression augmente avec la profondeur, la température restant essentiellement constante dans les grandes profondeurs. Cependant, la densité des hydrates étant plus faible que l'eau, c'est uniquement sous le fond que ces hydrates peuvent être stockés. Sous le fond marin également, le gradient géothermique défavorise la formation d'hydrates vers les grandes profondeurs et limite l'extension de la zone de stabilité d'hydrate, par exemple jusqu'à sous le fond de la mer.
Il semble que l'essentiel des hydrates découverts se situent sur les marges continentales. La rareté des hydrates sous les grands fonds marins semble due à la rareté de sources de méthane dans ces endroits où ils seraient stables World Ocean Review, Methane Hydrates.
En conséquence, les hydrates de méthane sont rencontrés dans deux milieux très différents.
Réservoir océanique Du méthane est stocké sous forme d'hydrates de méthane dans les sédiments océaniques profonds et au niveau des talus continentaux à des profondeurs de quelques centaines de mètres.
Réservoir continental On trouve également des hydrates de méthane dans le pergélisol des régions circumpolaires de l'Eurasie et de l'Amérique.
Inventaire Depuis les premières estimations dans les années 1970, la quantité d'hydrate de méthane dans le réservoir océanique a été révisée à la baisse mais reste considérable. Selon une estimation récenteA.V. Milkov, 2004, Global estimates of hydrate-bound gas in marine sediments: how much is really out there?, Earth-Sci. Rev., vol. 66, n° 3-4, 183-197., cette quantité serait comprise entre 1 et de gaz, soit entre 0,5 et de carbone. Le volume d'hydrates de méthane stocké dans le réservoir continental est moins connu. Selon la surface relativement faible du pergélisol ( de ) laisse penser qu'il y en a moins là que dans le réservoir océanique.. Selon Florent Dominé, du CNRS, le pergélisol est le plus gros réservoir de carbone continental de la planète : de carbone d'origine végétale s'y sont accumulées depuis la dernière glaciation ; c'est deux fois plus de carbone que n'en contient actuellement l'atmosphère..
Par comparaison, les réserves connues de pétrole en 2005 étaient d'environ (voir l'article Réserve pétrolière).
Importance pratique Incidents de gazoducs /oléoducs Les hydrates de méthane, et plus généralement d'hydrocarbures, sont à l'origine de nombreux incidents dans des gazoducs, notamment sous-marin. Les conditions de stabilité des hydrates étant localement remplies, la tuyauterie se bouche sous l'effet de la solidification du fluide transporté.
Source potentielle d'énergie vignette|redresse=1.5|Distribution mondiale des ressources supposées ou confirmées d'hydrate de méthane, 1996..
Les réserves d'hydrate de méthane sont si considérables que de nombreuses compagnies pétrolières s'y intéressent. Mais la récupération de ce composé est difficile et coûteuse, voire dangereuse pour le climat planétaire, et les difficultés techniques à son extraction semblent actuellement loin d'être résolues.
Après l'accident nucléaire de Fukushima, le Japon a un besoin vital de nouvelles sources d'énergie. Le gouvernement a déjà lancé un programme de recherche (2001-2008) visant à localiser et qualifier la ressource sous-marine potentielles du Japon, puis un plan de sept ans (« programme sur l'exploitation de l'énergie marine et des ressources marines »), voté en . Deux extractions tests sont prévues en 2012 et 2014 près de la fosse de Nankai au sud du pays où des ressources importantes ont été détectéesH. Saito et N. Suzuki, Terrestria organic matter controlling gas hydrate formation in the Nankai Trough accretionary prism, offshore Shikoku, Japan - Journal of Geochemical Exploration, 95 (2007) 88-100.Vers des expériences sous-marines d'extraction d'hydrate de méthane (Bulletin ADIT/Ambassade de France au Japon / BE Japon 501, 18/05/2009).. Le test in situ de récolte stabilisée durant deux semaines commence en Marion Garreau (avec AFP), 2013, De la « glace qui brûle » extraite : un siècle d'indépendance énergétique ?, 2013-03-12.
Des hydrates de méthane ont déjà pu être exploités à Messoyakha, petit champ gazier peu profond de Sibérie occidentale situé juste à la limite de stabilité des hydrates de méthane. En conséquence, sa partie basse était un gisement de gaz « normal » (du gaz libre dans du sable) tandis que le haut était rempli d'hydrates. L'exploitation du gaz conventionnel a réduit la pression et a déstabilisé les hydrates, dont le méthane a alors pu être utilisé.
Les industriels doivent tester en mer des méthodes de décompression des hydrates permettant de le récupérer intégralement. C'est un des projets du Japonais JOGMECsite internet de JOGMEC.
Un projet allemand baptisé SUGAR (acronyme de Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport), lancé à l'été 2008 par l'institut Leibniz pour les sciences marines de KielIFM-GEOMAR ; Kieler Leibniz Institut für Meereswissenschaften, sous tutelle des ministères fédéraux de l'économie et de la technologie (BMWi) et de l'enseignement et la recherche (BMBF) avec l'appui de économiques et scientifiques et un budget initial de près de d'euros, vise à extraire du méthane marin et à stocker à sa place du capté à la sortie de centrales thermiques ou d'autres installations industriellesCommuniqué relatif au projet SUGAR. Extraction du méthane