Méthane : les émissions des énergies fossiles minoritaires, d'où vient le reste ?

Lorsqu'il est question d'émissions de méthane, les fuites de gaz naturel sont sans surprise souvent mentionnées. On évoque aussi fréquemment l'élevage de ruminants à cette occasion. Mais les sources de méthane sont en réalité extrêmement variées : zones humides, décharges et même termites...

Les chiffres d’émission restent très imprécis, du fait de la quantité et de la qualité des mesures qui pourtant ont été considérablement améliorées dans les années récentes grâce aux mesures satellitaires. Il est essentiel que ces mesures couvrent la totalité de la surface terrestre et prennent en compte les variations dans le temps. 

Les chiffres suivants, approximatifs, sont indiqués en pourcentage des émissions globales de méthane: 30% proviendraient de l’agriculture, 20% des combustibles fossiles, 10% des déchets, et environ 40% de sources dites naturelles (zones humides, feux de forêt, hydrates, etc.).

Trois processus de production

Trois processus expliquent la production de méthane sur notre planète : 

Le premier processus est la fermentation anaérobie de la matière organique qui conduit à une formation d’origine biogénique du méthane. Cette fermentation est développée par des archées méthanogènes sensibles à la température et qui présentent une activité maximale lorsque la température est située entre 35 et 40 °C. Cette fermentation se produit à la fois en relation avec le monde végétal (zones humides), le monde animal (pour l’essentiel dans la panse des ruminants) et le monde « anthropisé » (décharges, déchets agricoles, eaux usées). C’est principalement la cellulose qui est ainsi transformée. 

Le deuxième processus est associé à la combustion incomplète de la biomasse, lors notamment des feux de forêts et des brûlis agricoles. On parle d’une source pyrogénique de méthane.

Le troisième processus, appelé thermogénique, est lié à la formation des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) au cours des ères géologiques passées par décomposition bactérienne puis craquage thermique (pyrolyse) puis migration depuis les profondeurs de la Terre vers la surface. On parle de méthane fossile (non limité stricto sensu au méthane d’origine thermogénique) quand il est dépourvu de carbone 14, c’est-à-dire que sa production s’est faite il y a plus de 50 000 ans. Ce méthane fossile peut être d’origine anthropogénique (exploitation des mines de charbon, exploitation du gaz naturel qui est pour l’essentiel du méthane, et du pétrole) ou naturel (décomposition spontanée de clathrates ou hydrates de méthane piégés dans les océans ou les sols).

1. Les zones humides

Les zones humides sont définies comme les zones géographiques où le sol est saturé d’eau et où la profondeur de l’eau est inférieure à 1 mètre. On peut aussi définir les zones humides comme l’interface entre les écosystèmes terrestres et les écosystèmes aquatiques, que l’eau soit douce, saumâtre ou salée. 

Dans les zones inondées, la production de méthane par des archées méthanogènes recyclant la matière organique en milieu anaérobie dépend principalement de la température, de l’hydrologie, de la quantité de matière organique accumulée, du type de végétation et de la chimie des matériaux organiques. Une grande partie de cette production est oxydée en CO₂ avant d’atteindre l’atmosphère. Cependant, une fraction du méthane produit peut être émise dans l’air par diffusion, par bullage ou par transport dans le système vasculaire de certaines plantes. L’émission de bulles décroît rapidement quand l’épaisseur d’eau augmente et elle est accélérée par le vent et les courants. Très récemment, l’extension temporelle des observations directes de flux de CH₄ depuis des marécages de haute latitude a permis de révéler un phénomène non encore appréhendé : le regel des marécages en surface au cours de l’automne conduit à des émissions très importantes de méthane vers l’atmosphère.

Une grande source d’incertitude provient d’une part de la mauvaise connaissance de la surface totale des zones humides, estimée à 5,3 Mkm² et d’autre part à la variabilité hydrologique des surfaces humides, qu’elle soit saisonnière, annuelle ou interannuelle. Cette surface des zones humides est à comparer à la surface des lacs : 1 Mkm² en eau douce et 1,5 Mkm² en eau saumâtre.

La question des émissions de méthane associées à la production d’énergie hydroélectrique est parfois évoquée. Les lacs artificiels diffèrent des lacs naturels durant leur période de remplissage ; ensuite ils se comportent de la même manière. Des mesures nombreuses ont montré que la transition dure quelques années durant lesquelles les émissions de méthane et de H₂S peuvent être plus élevées. L’émission de méthane est proportionnelle à la quantité de biomasse immergée, à la température de l’eau et au temps de résidence de l’eau dans le lac.

Notons que les zones humides sont protégées par la Convention de Ramsar (2 février 1971, entrée en vigueur le 21 décembre 1975). Cette Convention est un traité intergouvernemental qui incarne les engagements de ses États-membres à maintenir les caractéristiques écologiques de leurs zones humides d'importance internationale et à planifier l'utilisation durable de celles-ci.

2. La culture du riz

Le riz est une culture qui peut survivre en milieu totalement saturé d’eau. C’est d’ailleurs pratiquement la seule céréale qui y survit. On peut donc considérer que la culture du riz dans les zones naturellement inondées durant les périodes de pluie est une adaptation au milieu « zone humide ».

La culture en rizière est une pratique culturale caractéristique des zones de moussons où 90% de la récolte de riz est effectuée. Le riz peut s’adapter à de nombreux environnements de croissance : zones inondées permanentes ou intermittentes, zones simplement arrosées par les pluies, zones sans ennoiement avec ou sans nappe phréatique affleurante. Une proportion croissante du riz est produite en milieu sec (upland), sans ennoiement, avec l’intérêt de ne pas émettre de méthane.

Ce n’est pas le riz qui émet plus de méthane qu’une autre plante, c’est le mode cultural dominant qui consiste à noyer la zone de culture et à la transformer en zone humide.

3. Les animaux d’élevage et les animaux sauvages 

Les animaux produisent du méthane par la digestion microbienne anaérobie dans leur système digestif et par la dégradation microbienne de leurs excréments, notamment dans les fumiers, lisiers, etc. 

Les herbivores se sont spécialisés dans la digestion des végétaux de façon à les transformer en nutriments. La panse et la capacité de ruminer sont les éléments essentiels de cette stratégie. Des micro-organismes au métabolisme anaérobie se développent et font fermenter les végétaux. Une température très stable (39 °C), un pH stable (6,5-6,8) et le flux constant de végétaux (les bovins broutent de nombreuses heures par jour) favorisent le bon fonctionnement de ce système qui produit de l’hydrogène métabolique. Les archées méthanogènes utilisent cet hydrogène avec le CO₂ et produisent du méthane. 

Ce méthane ainsi que le dioxyde de carbone sont relâchés de la panse principalement par la bouche des ruminants (éructation) et absorbés par le sang. Les émissions des ruminants sauvages sont très variables, sans que l’on en connaisse la cause : nourriture, mode de vie ou autres facteurs ; par exemple, les chevreuils et les lamas en émettent peu.

On ne doit pas attribuer la totalité des émissions de CH₄ à la seule production de viande.

Les très nombreux animaux qui utilisent la fermentation intestinale pour leur digestion émettent du méthane. Dans l’herbe, c’est la dégradation de la lignine et de la cellulose qui est associée à la production de méthane dans le rumen (premier estomac des ruminants).

Lorsque les animaux sont élevés en prairie naturelle, c’est l’ensemble du système animal-prairie qu’il faut analyser pour comprendre leur impact sur l’émission et le stockage de gaz à effet de serre. Pour les populations vivant dans des plaines herbeuses (Sahel, pampa, prairies), les ruminants transforment des matières végétales non digérées par l’homme en protéines assimilables par l'homme, ce qui a longtemps assuré la survie des populations concernées.

On ne doit pas attribuer la totalité des émissions de CH₄ à la seule production de viande car les ruminants produisent aussi du lait et du cuir qui étaient leur principal intérêt économique et social jusqu’à récemment.

Les émissions de méthane des ruminants dépendent de la nourriture que ceux-ci consomment et de son contenu en lignine et en cellulose. Le choix de l’alimentation des ruminants dans une exploitation industrielle a un impact sur les émissions de méthane des ruminants.  Les fumiers, les lisiers et l’ensemble des déchets provenant des excréments d’animaux produisent du méthane au cours de leur fermentation. Ces produits sont décomposés par les micro-organismes. 

4. Les termites 

Les termites représentent une source importante de méthane. Apparentés aux blattes et aux cafards, il y aurait 3 tonnes de termites par être humain (un termite pèse de 3 à 5 grammes). Le méthane est produit durant leur digestion du fait de la dégradation de la cellulose par les micro-organismes symbiotiques. 

Vidéo de 2016 du ministère de la Transition écologique évoquant la production de méthane par les termites.

5. Les décharges 

Les décharges contrôlées ou sauvages où sont déversées toutes sortes de déchets peuvent émettre des quantités importantes de méthane. Les matériaux organiques qui fermentent en milieu anaérobie sont source de méthane. 

En Europe, les décharges non contrôlées devraient avoir disparu, puisque la loi les interdit. La récupération du méthane issu des décharges est développée en France, au Royaume-Uni, en Italie, au Canada…

Dans les pays émergents, les décharges ont souvent des dimensions gigantesques. Des populations, des familles en vivent, faisant un tri sélectif élaboré pour recycler tout ce qui peut avoir une valeur marchande. Le système de tri y est en général très hiérarchisé. Dans ces immenses décharges, les déchets organiques et végétaux non récupérables sont entassés et ce sont eux qui, en fermentant, produisent du méthane qui s’enflamme parfois.

6. La combustion de la biomasse

Lorsque la combustion est complète, le fait de brûler de la biomasse n’a pas d’impact climatique sur une échelle de temps comparable à celle de la croissance de la biomasse de remplacement. Cependant, la combustion est rarement complète et parfaite. La combustion incomplète produit du monoxyde de carbone CO, du méthane, des hydrocarbures, des particules de carbone, des composés soufrés… Par exemple, la fabrication traditionnelle ou moderne du charbon de bois (en particulier pour fabriquer certains aciers) consiste à chauffer le bois à l’abri de l’oxygène, ce qui produit du méthane en sous-produit du charbon de bois. Ce méthane peut et doit être collecté et utilisé.

La combustion incomplète de la biomasse est présente dans deux situations fréquentes : la culture sur brûlis et les incendies de forêts. L’agriculture itinérante sur brûlis (essartage et écobuage) est encore pratiquée par un demi-milliard de paysans. Cela consiste à brûler les broussailles (notamment celles qui résultent de la mise en jachère) pour obtenir la pousse de prairies comestibles par le bétail, à restaurer la fertilité des sols grâce à la combustion lente de matériaux organiques ou à défricher avant mise en culture. Durant la période de jachère, les herbes et broussailles poussent. Le feu nettoie la parcelle et permet de la remettre en culture. Durant la phase de brûlage à haute température avec flammes, la combustion est quasi complète et du gaz carbonique est émis. Durant la phase de combustion lente qui suit, la combustion est incomplète et du méthane est émis. La phase avec flammes dure quelques minutes tandis que la phase de combustion lente dure jusqu’à une heure et plus selon le type de végétation brûlé.

Les incendies de forêts fonctionnent de la même façon. La période de flamme à haute température est une combustion complète ; elle dure de l’ordre de quelques heures et émet du gaz carbonique. La combustion lente dure ensuite une journée ou plus et émet du méthane. Parfois, un vent violent fait redémarrer le feu après plusieurs jours et le processus recommence. L’analyse des cinquante dernières années montre une augmentation des feux de forêts, notamment dans la zone boréale (Canada, Alaska, Scandinavie, Sibérie).

7. Les sources géologiques 

Du méthane peut être émis par suintement ou dégazage (seepage) dans les bassins sédimentaires marins ou terrestres et par émissions de type volcanique et géothermale.

8. Les combustibles fossiles

Du méthane est émis par l’exploitation du charbon, du pétrole et du gaz. C’est une émission de type géologique et fossile, mais due à l’activité humaine. 

Le charbon 

Les mines de charbon sont exploitées depuis des siècles. Les coups de grisou meurtriers, c'est-à-dire l’auto-inflammation accidentelle du méthane en forte concentration (il forme un mélange explosif avec l’air à des teneurs comprises entre 5 et 15%), sont inscrits dans la culture des mineurs du monde entier.

Le méthane est produit durant le processus de constitution du charbon en fonction de la composition de la matière organique initiale et des conditions d’enfouissement de cette matière organique. Lors du creusement de la mine, la pression de confinement dans le massif baisse, le méthane diffuse dans les fissures, qui s’élargissent, et s’échappe dans la mine ou dans l’atmosphère. Le relâchement des pressions de confinement peut aussi être provoqué par l’action de la tectonique (par exemple au Chili dans la zone de subduction). Il n’y a que très peu de mesures permettant de chiffrer ces émissions.

Le gaz naturel 

Le gaz dit naturel est essentiellement du méthane, donc toutes les fuites au cours du creusement des puits, de l’exploitation, du transport, du stockage et de la distribution contribuent aux émissions de méthane. On distingue les émissions fugitives (vannes, soupapes…) et les émissions intermittentes provoquées par l’entretien et la maintenance (ce qui suppose de purger et vider les tuyaux). Des fuites apparaissent durant les opérations de forages des puits de façon plus ou moins contrôlée, durant l’extraction et durant les procédures de déshydratation, de séparation liquide/gaz, etc. Durant le transport, des fuites apparaissent dans les gazoducs, du fait de la corrosion ou de défauts de fabrication, de soudage, de matériaux. Les mouvements de sol (glissement de terrains, séismes, mouvements tectoniques) provoquent également des fuites. 

Lorsque l’émission de méthane est concentrée, elle est généralement « torchée », c’est-à-dire transformée en CO₂ par combustion avec l’oxygène de l’air dans une torchère. Le principe est le suivant : le méthane termine toujours sa vie en CO₂, après au moins une dizaine d’années, le torchage accélère le processus. Il est en effet souhaitable de réduire au maximum la durée de vie du méthane dans l’atmosphère, puisqu’il est beaucoup plus actif que le CO₂. Le torchage est fréquemment incomplet et du méthane est émis.

Aujourd’hui, la part des fuites serait en décroissance sous l’effet des objectifs réglementaires. En Europe et aux États-Unis, des statistiques précises des émissions de méthane sont tenues à jour et les mesures atmosphériques, principalement par satellite, se sont beaucoup développées. Les accidents comme celui du gisement de méthane Elgin en mer du Nord qui a débuté en 2012 produisent des émissions temporaires de grandes quantités de méthane. L’accident d’Elgin a été réparé en un temps record (accident le 25 mars, obturation du puits le 16 mai) : durant cette période, les émissions étaient estimées à 200 000 m³ de méthane par jour.

Récemment, les exploitations de gaz de roche-mère ont été associées à des émissions supplémentaires de méthane à l’occasion de l’ensemble des phases d’exploration, d’exploitation et de transport de ce gaz. Les fuites de transport et d’exploitation sont les mêmes que les fuites de l’industrie conventionnelle du méthane, ce qui ne les justifie évidemment pas. En principe, ce n’est pas l’intérêt de l’industriel de perdre le gaz qui est sa raison d’être. Durant la phase d’exploration, il est vraisemblable que des technologies pas encore totalement matures conduisent à des fuites de méthane supérieures à celles du gaz conventionnel.

Le pétrole 

Les données concernant les émissions de méthane de l’industrie pétrolière sont insuffisantes. Les torchères qui brûlent sur les champs pétroliers, sur les raffineries, sur les plateformes offshore et les navires FPSO (Floating Production, Storage and Offloading) sont la preuve qu’il y a du méthane émis et qu’il est transformé pour l’essentiel en CO₂, très souvent incomplètement à cause de réglages insuffisamment précis des torchères.

Les pétroliers se préoccupent de façon croissante de ce méthane pour le réinjecter dans les puits et pallier la déplétion du gisement ou pour l’exploiter soit dans les turbines à gaz du site, soit dans des installations voisines.

9. Deux sources potentielles de méthane : le pergélisol des zones humides arctiques et les hydrates de méthane marins

Le pergélisol (permafrost en anglais) désigne un sol dont la température est en permanence en dessous de 0 °C au moins deux années de suite. Le sol des régions de hautes latitudes, en particulier lorsque le climat est continental, subit des cycles thermiques annuels présentant des écarts importants. En cas de réchauffement par rapport à l’état climatique moyen, le pergélisol superficiel peut dégeler chaque année sur une épaisseur allant de quelques centimètres à quelques décimètres. L’eau superficielle est alors liquide et l’activité biologique et végétale se développe. La couche qui gèle et dégèle chaque année est appelée « couche active » ou « mollisol ». Dans les zones humides boréales, les émissions de méthane se produisent comme dans les autres zones humides. La production de méthane augmente lorsque la température superficielle augmente du fait de l’insolation et de la diminution de l’albédo du sol lorsque le couvert neigeux laisse place au sol sombre.

On peut s’attendre à ce que le réchauffement conduise à une déstabilisation des hydrates de méthane présents en grande profondeur (plusieurs centaines de mètres en milieu terrestre) dans le pergélisol. Cependant, il règne une grande incertitude sur la constante du temps que prendra cette déstabilisation. Actuellement, ces zones d'émissions ne semblent pas visibles sur les cartes de concentrations globales de méthane obtenues par satellites. 

Une autre source potentielle d’émissions de méthane, cette fois-ci uniquement en milieu océanique, est susceptible de contribuer au bilan du méthane : les hydrates de méthane trouvés généralement sous des profondeurs d’eau excédant 500 mètres, c'est-à-dire là où la pression est suffisamment élevée pour qu’ils soient thermodynamiquement stables.