Le gaz naturel est un combustible fossile. Comme les autres combustibles fossiles tels que le charbon et le pétrole, le gaz naturel se forme à partir des plantes, des animaux et des micro-organismes qui vivaient il y a des millions d’années.
Il existe plusieurs théories différentes pour expliquer comment se forment les combustibles fossiles. La théorie la plus répandue est qu’ils se forment sous terre, dans des conditions intenses. Au fur et à mesure que les plantes, les animaux et les micro-organismes se décomposent, ils sont progressivement recouverts de couches de sol, de sédiments et parfois de roches. Au cours de millions d’années, la matière organique est comprimée. Au fur et à mesure que la matière organique s’enfonce dans la croûte terrestre, elle rencontre des températures de plus en plus élevées.
La combinaison de la compression et de la haute température entraîne la rupture des liaisons carbone dans la matière organique. Cette rupture moléculaire produit du méthane thermogénique – du gaz naturel. Le méthane, probablement le composé organique le plus abondant sur Terre, est constitué de carbone et d’hydrogène (CH4).
Les gisements de gaz naturel se trouvent souvent à proximité des gisements de pétrole. Les gisements de gaz naturel proches de la surface de la Terre sont généralement éclipsés par les gisements de pétrole voisins. Les gisements plus profonds – formés à des températures plus élevées et sous plus de pression – contiennent plus de gaz naturel que de pétrole. Les gisements les plus profonds peuvent être constitués de gaz naturel pur.
Le gaz naturel ne doit cependant pas nécessairement se former en profondeur. Il peut également être formé par de minuscules micro-organismes appelés méthanogènes. Les méthanogènes vivent dans les intestins des animaux (y compris les humains) et dans les zones à faible teneur en oxygène près de la surface de la Terre. Les décharges, par exemple, sont pleines de matières en décomposition que les méthanogènes décomposent en un type de méthane appelé méthane biogénique. Le processus de création de gaz naturel (méthane) par les méthanogènes est appelé méthanogenèse.
Bien que la plupart du méthane biogénique s’échappe dans l’atmosphère, de nouvelles technologies sont créées pour contenir et récolter cette source d’énergie potentielle.
Le méthane thermogénique – le gaz naturel formé en profondeur sous la surface de la Terre – peut également s’échapper dans l’atmosphère. Une partie du gaz est capable de s’élever à travers la matière perméable, comme la roche poreuse, et de se dissiper finalement dans l’atmosphère.
Cependant, la plupart du méthane thermogénique qui remonte vers la surface rencontre des formations géologiques trop imperméables pour qu’il puisse s’échapper. Ces formations rocheuses sont appelées bassins sédimentaires.
Les bassins sédimentaires piègent d’énormes réservoirs de gaz naturel. Pour accéder à ces réservoirs de gaz naturel, il faut forer un trou (parfois appelé puits) dans la roche pour permettre au gaz de s’échapper et d’être récolté.
Les bassins sédimentaires riches en gaz naturel se trouvent partout dans le monde. Les déserts d’Arabie saoudite, les tropiques humides du Venezuela et l’Arctique glacial de l’État américain de l’Alaska sont tous des sources de gaz naturel. Aux États-Unis, en dehors de l’Alaska, les bassins se trouvent principalement autour des États bordant le golfe du Mexique, notamment le Texas et la Louisiane. Récemment, les États du nord du Dakota du Nord, du Dakota du Sud et du Montana ont développé d’importantes installations de forage dans les bassins sédimentaires.
Types de gaz naturel
Le gaz naturel économique à extraire et facilement accessible est considéré comme « conventionnel. » Le gaz conventionnel est piégé dans un matériau perméable sous une roche imperméable.
Le gaz naturel trouvé dans d’autres contextes géologiques n’est pas toujours aussi facile ou pratique à extraire. Ce gaz est appelé « non conventionnel ». De nouvelles technologies et de nouveaux procédés sont toujours développés pour rendre ce gaz non conventionnel plus accessible et économiquement viable. Au fil du temps, le gaz qui était considéré comme » non conventionnel » peut devenir conventionnel.
Le biogaz est un type de gaz qui est produit lorsque la matière organique se décompose sans la présence d’oxygène. Ce processus est appelé décomposition anaérobie, et il a lieu dans les décharges ou lorsque des matières organiques telles que des déchets animaux, des eaux usées ou des sous-produits industriels se décomposent.
Le biogaz est une matière biologique qui provient de plantes ou d’animaux, qui peuvent être vivants ou non. Cette matière, comme les résidus forestiers, peut être brûlée pour créer une source d’énergie renouvelable.
Le biogaz contient moins de méthane que le gaz naturel, mais il peut être raffiné et utilisé comme source d’énergie.
Le gaz naturel profond
Le gaz naturel profond est un gaz non conventionnel. Alors que la plupart des gaz conventionnels peuvent être trouvés à quelques milliers de mètres de profondeur, le gaz naturel profond est situé dans des gisements à au moins 4 500 mètres (15 000 pieds) sous la surface de la Terre. Le forage pour le gaz naturel profond n’est pas toujours économiquement pratique, bien que les techniques pour l’extraire aient été développées et améliorées.
Schiste
Le gaz de schiste est un autre type de gisement non conventionnel. Le schiste est une roche sédimentaire à grain fin qui ne se désagrège pas dans l’eau. Certains scientifiques affirment que le schiste est si imperméable que le marbre est considéré comme « spongieux » en comparaison. Des feuilles épaisses de cette roche imperméable peuvent « prendre en sandwich » une couche de gaz naturel entre elles.
Le gaz de schiste est considéré comme une source non conventionnelle en raison des processus difficiles nécessaires pour y accéder : la fracturation hydraulique (également appelée fracking) et le forage horizontal. La fracturation est une procédure qui permet de fendre la roche à l’aide d’un jet d’eau à haute pression, puis de l' »étayer » avec de minuscules grains de sable, de verre ou de silice. Cela permet au gaz de s’écouler plus librement hors du puits. Le forage horizontal consiste à forer directement dans le sol, puis à forer latéralement, ou parallèlement, à la surface de la Terre.
Gaz de réservoir étanche
Le gaz de réservoir étanche est un gaz naturel non conventionnel piégé sous terre dans une formation rocheuse imperméable qui le rend extrêmement difficile à extraire. L’extraction du gaz des formations rocheuses « serrées » nécessite généralement des méthodes coûteuses et difficiles, comme la fracturation et l’acidification.
L’acidification est similaire à la fracturation. Un acide (généralement de l’acide chlorhydrique) est injecté dans le puits de gaz naturel. L’acide dissout la roche étanche qui bloque le flux de gaz.
Méthane de houille
Le méthane de houille est un autre type de gaz naturel non conventionnel. Comme son nom l’indique, le méthane de gisements houillers se trouve généralement le long des filons de charbon qui se trouvent sous terre. Historiquement, lorsque le charbon était exploité, le gaz naturel était intentionnellement évacué de la mine et rejeté dans l’atmosphère comme un déchet. Aujourd’hui, le méthane de houille est collecté et constitue une source d’énergie populaire.
Gaz dans les zones géopressurisées
Une autre source de gaz naturel non conventionnel est constituée par les zones géopressurisées. Les zones géopressurisées se forment à 3 000-7 600 mètres (10 000-25 000 pieds) sous la surface de la Terre. es zones se forment lorsque des couches d’argile s’accumulent rapidement et se compactent sur un matériau plus poreux, tel que du sable ou du limon. Comme le gaz naturel est expulsé de l’argile comprimée, il est déposé sous très haute pression dans le sable, le limon ou tout autre matériau absorbant situé en dessous.
Les zones géopressurisées sont très difficiles à exploiter, mais elles peuvent contenir une très grande quantité de gaz naturel. Aux États-Unis, la plupart des zones géopressurisées ont été découvertes dans la région de la côte du Golfe du Mexique.
Les hydrates de méthane
Les hydrates de méthane sont un autre type de gaz naturel non conventionnel. Les hydrates de méthane n’ont été découverts que récemment dans les sédiments océaniques et les zones de pergélisol de l’Arctique. Les hydrates de méthane se forment à basse température (environ 0°C, ou 32°F) et sous haute pression. Lorsque les conditions environnementales changent, les hydrates de méthane sont libérés dans l’atmosphère.
Le United States Geological Survey (USGS) estime que les hydrates de méthane pourraient contenir deux fois la quantité de carbone que tout le charbon, le pétrole et le gaz naturel conventionnel du monde, réunis.
Dans les sédiments océaniques, les hydrates de méthane se forment sur la pente continentale lorsque les bactéries et autres micro-organismes descendent au fond de l’océan et se décomposent dans la vase. Le méthane, piégé dans les sédiments, a la capacité de « cimenter » les sédiments meubles en place et de maintenir la stabilité du plateau continental. Toutefois, si l’eau se réchauffe, les hydrates de méthane se décomposent. Cela provoque des glissements de terrain sous-marins et libère du gaz naturel.
Dans les écosystèmes de pergélisol, les hydrates de méthane se forment lorsque les masses d’eau gèlent et que les molécules d’eau créent des « cages » individuelles autour de chaque molécule de méthane. Le gaz, piégé dans un réseau d’eau gelé, est contenu à une densité beaucoup plus élevée qu’il ne le serait à l’état gazeux. Lorsque les cages de glace dégèlent, le méthane s’échappe.
Le réchauffement de la planète, période actuelle du changement climatique, influence la libération des hydrates de méthane à la fois du pergélisol et des couches de sédiments océaniques.
Il existe une grande quantité d’énergie potentielle stockée dans les hydrates de méthane. Cependant, comme il s’agit de formations géologiques si fragiles – capables de se décomposer et de perturber les conditions environnementales qui les entourent – les méthodes pour les extraire sont développées avec une extrême prudence.
Forage et transport
Le gaz naturel est mesuré en mètres cubes normaux ou en pieds cubes standard. En 2009, l’Administration américaine d’information sur l’énergie (EIA) a estimé que les réserves prouvées de gaz naturel dans le monde sont d’environ 6 289 trillions de pieds cubes (tcf).
La plupart des réserves se trouvent au Moyen-Orient, avec 2 686 tcf en 2011, soit 40 % du total des réserves mondiales. La Russie possède la deuxième plus grande quantité de réserves prouvées, avec 1 680 tcf en 2011. Les États-Unis contiennent un peu plus de 4 pour cent des réserves mondiales de gaz naturel. <
Selon l’EIA, la consommation mondiale totale de gaz naturel sec en 2010 était de 112 920 milliards de pieds cubes (bcf). Cette année-là, les États-Unis ont consommé un peu plus de 24 000 bcf, soit la plus grande consommation de toutes les nations.
Le gaz naturel est le plus souvent extrait par un forage vertical depuis la surface de la Terre. À partir d’un seul forage vertical, le puits est limité aux réserves de gaz qu’il rencontre.
La fracturation hydraulique, le forage horizontal et l’acidification sont des procédés permettant d’étendre la quantité de gaz à laquelle un puits peut accéder, et donc d’augmenter sa productivité. Cependant, ces pratiques peuvent avoir des conséquences négatives sur l’environnement.
La fracturation hydraulique, ou fracking, est un processus qui fend les formations rocheuses ouvertes avec des jets d’eau à haute pression, des produits chimiques et du sable. Le sable ouvre les roches, ce qui permet au gaz de s’échapper et d’être stocké ou transporté. Cependant, la fracturation nécessite d’énormes quantités d’eau, ce qui peut réduire radicalement la nappe phréatique d’une région et avoir un impact négatif sur les habitats aquatiques. Le processus produit des eaux usées hautement toxiques et fréquemment radioactives qui, si elles sont mal gérées, peuvent fuir et contaminer les sources d’eau souterraines utilisées pour la boisson, l’hygiène et les usages industriels et agricoles.
En outre, le fracking peut provoquer des micro-séismes. La plupart de ces tempéraments sont bien trop minuscules pour être ressentis en surface, mais certains géologues et environnementalistes préviennent que ces tremblements de terre peuvent causer des dommages structurels aux bâtiments ou aux réseaux souterrains de tuyaux et de câbles.
En raison de ces effets négatifs sur l’environnement, la fracturation a été critiquée et interdite dans certaines régions. Dans d’autres régions, le fracking représente une opportunité économique lucrative et fournit une source d’énergie fiable.
Le forage horizontal est un moyen d’augmenter la superficie d’un puits sans créer de multiples sites de forage coûteux et sensibles à l’environnement. Après avoir foré directement vers le bas à partir de la surface de la Terre, le forage peut être dirigé pour aller latéralement – horizontalement. Cela élargit la productivité du puits sans nécessiter de multiples sites de forage à la surface.
L’acidification est un processus consistant à dissoudre des composants acides et à les insérer dans le puits de gaz naturel, ce qui dissout la roche qui peut bloquer l’écoulement du gaz.
Après avoir été extrait, le gaz naturel est le plus souvent transporté par des gazoducs qui peuvent avoir un diamètre de 2 à 60 pouces.
Les États-Unis continentaux comptent plus de 210 réseaux de gazoducs qui sont constitués de 490 850 kilomètres (305 000 miles) de canalisations de transport qui transfèrent le gaz dans les 48 États. Ce système nécessite plus de 1 400 stations de compression pour s’assurer que le gaz continue son chemin, 400 installations de stockage souterrain, 11 000 emplacements pour livrer le gaz et 5 000 emplacements pour le recevoir.
Le gaz naturel peut également être refroidi à environ -162°C (-260°F) et transformé en gaz naturel liquéfié, ou GNL. Sous forme liquide, le gaz naturel n’occupe que 1/600 du volume de son état gazeux. Il peut facilement être stocké et transporté dans des endroits qui ne disposent pas de gazoducs.
Le GNL est transporté par un camion-citerne isolé spécialisé, qui maintient le GNL à son point d’ébullition. Si une partie du GNL se vaporise, elle est évacuée de la zone de stockage et utilisée pour alimenter le navire de transport. Les États-Unis importent du GNL d’autres pays, notamment de Trinité-et-Tobago et du Qatar. Cependant, les États-Unis augmentent actuellement leur production nationale de GNL.
Consommation de gaz naturel
Bien que le gaz naturel mette des millions d’années à se développer, son énergie n’a été exploitée qu’au cours des derniers milliers d’années. Vers 500 avant notre ère, des ingénieurs chinois ont utilisé le gaz naturel suintant de la terre en construisant des canalisations en bambou. Ces tuyaux transportaient le gaz pour chauffer l’eau. À la fin des années 1700, des entreprises britanniques ont fourni du gaz naturel pour éclairer les lampadaires et les maisons.
Aujourd’hui, le gaz naturel est utilisé d’innombrables façons à des fins industrielles, commerciales, résidentielles et de transport. Le ministère de l’Énergie des États-Unis (DOE) estime que le gaz naturel peut être jusqu’à 68 % moins cher que l’électricité.
Dans les foyers résidentiels, l’utilisation la plus populaire du gaz naturel est le chauffage et la cuisson. Il est utilisé pour alimenter les appareils domestiques tels que les cuisinières, les climatiseurs, les chauffages d’appoint, les lumières extérieures, les chauffages de garage et les séchoirs à linge.
Le gaz naturel est également utilisé à plus grande échelle. Dans les établissements commerciaux, comme les restaurants et les centres commerciaux, c’est un moyen extrêmement efficace et économique d’alimenter les chauffe-eau, les chauffages d’appoint, les séchoirs et les cuisinières.
Le gaz naturel est également utilisé pour chauffer, refroidir et cuisiner dans les établissements industriels. Cependant, il est également utilisé dans une variété de processus tels que le traitement des déchets, la transformation des aliments et le raffinage des métaux, de la pierre, de l’argile et du pétrole.
Le gaz naturel peut également être utilisé comme carburant alternatif pour les voitures, les bus, les camions et autres véhicules. Actuellement, on compte plus de 5 millions de véhicules au gaz naturel (VGN) dans le monde, et plus de 150 000 aux États-Unis.
Bien que les VGN coûtent initialement plus cher que les véhicules à essence, ils sont moins chers à ravitailler et sont les véhicules les plus propres du monde. Les véhicules fonctionnant à l’essence et au diesel émettent des substances nocives et toxiques, notamment de l’arsenic, du nickel et des oxydes d’azote. En revanche, les VGN peuvent émettre des quantités infimes de propane ou de butane, mais libèrent 70 % moins de monoxyde de carbone dans l’atmosphère.
Utilisant la nouvelle technologie des piles à combustible, l’énergie du gaz naturel est également utilisée pour produire de l’électricité. Au lieu de brûler du gaz naturel pour obtenir de l’énergie, les piles à combustible produisent de l’électricité grâce à des réactions électrochimiques. Ces réactions produisent de l’eau, de la chaleur et de l’électricité sans aucun autre sous-produit ou émission. Les scientifiques poursuivent leurs recherches sur cette méthode de production d’électricité afin de l’appliquer de manière abordable aux produits électriques.
Le gaz naturel et l’environnement
Le gaz naturel doit généralement être traité avant de pouvoir être utilisé. Lorsqu’il est extrait, le gaz naturel peut contenir une variété d’éléments et de composés autres que le méthane. De l’eau, de l’éthane, du butane, du propane, des pentanes, du sulfure d’hydrogène, du dioxyde de carbone, de la vapeur d’eau et parfois de l’hélium et de l’azote peuvent être présents dans un puits de gaz naturel. Afin d’être utilisé comme source d’énergie, le méthane est traité et séparé des autres composants. Le gaz qui est utilisé pour l’énergie dans nos maisons est du méthane presque pur.
Comme les autres combustibles fossiles, le gaz naturel peut être brûlé pour produire de l’énergie. En fait, c’est le combustible qui brûle le plus proprement, ce qui signifie qu’il dégage très peu de sous-produits.
Lorsque les combustibles fossiles sont brûlés, ils peuvent libérer (ou émettre) différents éléments, composés et particules solides. Le charbon et le pétrole sont des combustibles fossiles aux formations moléculaires très complexes, et contiennent une grande quantité de carbone, d’azote et de soufre. Lorsqu’ils sont brûlés, ils libèrent de grandes quantités d’émissions nocives, notamment des oxydes d’azote, du dioxyde de soufre et des particules qui dérivent dans l’atmosphère et contribuent à la pollution atmosphérique.
A l’inverse, le méthane contenu dans le gaz naturel a une constitution moléculaire simple : CH4. Lorsqu’il est brûlé, il n’émet que du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau. Les humains exhalent ces deux mêmes composants lorsqu’ils respirent.
Le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau, ainsi que d’autres gaz comme l’ozone et l’oxyde nitreux, sont connus sous le nom de gaz à effet de serre. L’augmentation des quantités de gaz à effet de serre dans l’atmosphère est liée au réchauffement climatique et pourrait avoir des conséquences environnementales désastreuses.
Bien que la combustion du gaz naturel émette toujours des gaz à effet de serre, elle émet près de 30 % de CO2 de moins que le pétrole et 45 % de CO2 de moins que le charbon.
Sécurité
Comme toute activité extractive, le forage du gaz naturel peut entraîner des fuites. Si la foreuse touche une poche de gaz naturel à haute pression inattendue, ou si le puits est endommagé ou se rompt, la fuite peut être immédiatement dangereuse.
Parce que le gaz naturel se dissout si rapidement dans l’air, il ne provoque pas toujours une explosion ou une brûlure. Cependant, les fuites constituent un danger pour l’environnement qui laisse également échapper de la boue et du pétrole dans les zones environnantes.
Si la fracturation hydraulique a été utilisée pour agrandir un puits, les produits chimiques issus de ce processus peuvent contaminer les habitats aquatiques locaux et l’eau potable avec des matériaux hautement radioactifs. Le méthane non confiné libéré dans l’air peut également obliger les gens à évacuer temporairement la zone.
Les fuites peuvent également se produire lentement au fil du temps. Jusque dans les années 1950, la fonte était un choix populaire pour les canalisations de distribution, mais elle laisse échapper une grande quantité de gaz naturel. Les canalisations en fonte deviennent fuyardes après des années de cycles de gel et de dégel, de trafic aérien intense et de tensions dues au sol qui se déplace naturellement. Les fuites de méthane provenant de ces canalisations de distribution représentent plus de 30 % des émissions de méthane dans le secteur de la distribution du gaz naturel aux États-Unis. Aujourd’hui, les pipelines sont fabriqués à partir d’une variété de métaux et de plastiques pour réduire les fuites.