Le gaz naturel, ou gaz fossile, est un mélange gazeux d’hydrocarbures constitué principalement de méthane, mais comprenant généralement une certaine quantité d’autres alcanes supérieurs, et parfois un faible pourcentage de dioxyde de carbone, d’azote, de sulfure d’hydrogène ou d’hélium. Naturellement présent dans certaines roches poreuses, il est extrait par forage et est utilisé comme combustible fossile ou par la carbochimie. Le méthane est généralement valorisé par le gaz de synthèse en méthanol. La déshydrogénation oxydative de l’éthane conduit à l’éthylène, qui peut être converti en époxyde d’éthylène, éthylène glycol, acétaldéhyde ou autres alcènes. Le propane peut être converti en propylène ou peut être oxydé en acide acrylique et acrylnitrile.
En 2018, le gaz naturel est la troisième source d’énergie primaire utilisée dans le monde, représentant 22,8 % de la consommation, après le pétrole (31,6 %) et le charbon (26,9 %) ; sa part progresse rapidement (16 % seulement en 1973), de même que sa production mondiale (+234 % en 46 ans, de 1973 à 2019, dopée par l’exploitation des gaz non conventionnels).
Corrélativement, les émissions mondiales de CO2 dues au gaz naturel s’élevaient à 6 743 Mt (millions de tonnes) en 2017, en progression de 83,4 % depuis 1990 selon l’Agence internationale de l’énergie. Elles représentent 21,2 % des émissions dues à l’énergie en 2017, contre 44,0 % pour le charbon et 34,1 % pour le pétrole. Le secteur pétrolier et gazier engendre en outre plus de 20 % des émissions mondiales de méthane, gaz dont le potentiel de réchauffement global est 25 fois plus élevé que celui du CO2.
Le gaz naturel se développait vite dans l’industrie, les usages domestiques puis la production d’électricité, depuis les années 1970, pour pratiquement devancer le charbon. Mais le renchérissement du début du XXIe siècle, les tassements de consommation des pays développés, les besoins des pays émergents et les progrès réalisés dans le traitement du charbon ont redonné au charbon un certain essor. Après une baisse de 2010 à 2014, la consommation mondiale de gaz naturel a repris sa progression depuis 2015, tirée par la Chine (+18 % en 2017, soit deux fois la croissance moyenne de 2010 à 2016) et l’Europe, qui remplacent des centrales électriques au charbon par des centrales au gaz.
Les deux principaux producteurs de gaz naturel sont, en 2019, les États-Unis (23,1 %) et la Russie (17,0 %), suivis par l’Iran, le Qatar, la Chine et le Canada. Les principaux consommateurs sont les États-Unis (21,5 %), la Russie (11,3 %), la Chine (7,8 %) et l’Iran (5,7 %). La consommation mondiale a progressé de 35,9 % entre 2009 et 2019, mais a baissé de 14 % au Royaume-Uni, 5 % en Italie et 3 % en France, et progressé de 37 % aux États-Unis, 66 % en Iran, 17 % au Japon et 241 % en Chine. En 2017, la production de gaz russe a bondi de +8 % et les États-Unis, qui étaient importateurs nets, deviennent exportateurs nets.
Les réserves restent mal connues, mais ont été accrues par l’exploitation récente de gaz non conventionnels (gaz de schiste, etc.). En 2019, selon BP, les réserves mondiales prouvées, en hausse de 17 % par rapport à 2009 et de 50 % par rapport à 1999, correspondaient à 49,8 ans de production. Elles sont géographiquement situées pour 38 % au Moyen-Orient et 32,3 % dans les pays de l’ex-URSS. La Russie, l’Iran, le Qatar et le Turkménistan détiennent à eux seuls 57,4 % des réserves mondiales.
Les Chinois ont commencé à utiliser du gaz naturel comme combustible et source d’éclairage au IVe siècle av. J.-C. Le forage systématique de puits pour l’extraction de la saumure au Ier siècle av. J.-C. (Dynastie Han) a mené à la découverte de beaucoup de « puits à feu » au Sichuan, qui produisaient du gaz naturel. Ainsi qu’il est rapporté, cela a entraîné dès le IIe siècle av. J.-C. une recherche systématique de gaz naturel. La saumure et le gaz naturel étaient conduits ensemble par des tubes de bambous. Depuis les petits puits, le gaz pouvait être acheminé directement aux brûleurs où la saumure était versée dans des cuves d’évaporation en fonte pour bouillir et produire du sel. Mais le gaz dense et âcre puisé à des profondeurs d’environ 600 m devait tout d’abord être mélangé à l’air, de crainte qu’une explosion se produise. Pour remédier à cela, les Chinois conduisaient d’abord le gaz dans un grand réservoir en bois de forme conique, placé 3 m sous le niveau du sol, où un autre conduit amenait l’air. Ce qui transformait le réservoir en grand carburateur. Pour éviter les incendies à cause d’un soudain surplus de gaz, un « tuyau repoussant le ciel » supplémentaire était utilisé comme système d’échappement.
En 1776, le physicien Alessandro Volta découvre le méthane en s’intéressant au « gaz des marais », ancien nom du gaz.
Les premiers gaz combustibles utilisés en Europe, à partir de 1785, date de leur invention, seront des gaz manufacturés, c’est-à-dire des gaz fabriqués dans des usines à gaz et des cokeries, principalement à partir de la houille. Ils sont d’abord utilisés comme gaz d’éclairage, par la suite comme combustible pour les turbines et moteurs, pour le chauffage ainsi que la cuisson. L’appellation gaz de ville apparaît à cette occasion. Les gaz manufacturés seront essentiellement du gaz de houille mais aussi du gaz d’huile et du gaz de pétrole, etc. La plupart des gaz manufacturés contiendront principalement du dihydrogène, du méthane et de monoxyde de carbone.
L’histoire du gaz manufacturé est liée à l’histoire de nos villes et des grands groupes énergétiques modernes, ceux-là même qui plus tard achemineront le gaz naturel.
Le gaz de ville sera mêlé, lorsque la demande se fera plus importante à du gaz de couche et du grisou – qui a un pouvoir calorifique plus important, doit être « dilué » avant d’être injecté dans le réseau – ainsi que du gaz de pétrole liquéfié.
Les premières utilisations modernes du gaz naturel sont apparues aux États-Unis vers 1820 pour l’éclairage public.
Si le pétrole fait l’objet d’une exploitation et d’une utilisation industrielle poussées à partir des années 1850, le gaz naturel devra attendre les années 1950 pour susciter un intérêt mondial. Ses réserves et ressources, voire sa production, sont mal connues en dehors des États-Unis jusqu’à la fin des années 1960. Le gaz naturel est apparu longtemps comme une source d’énergie difficile à mettre en œuvre. Son commerce sous forme liquéfiée (GNL) n’a commencé qu’en 1964 dans des volumes très modestes.
À partir de la fin de Seconde Guerre mondiale mais surtout à partir des années 1960, l’usage du gaz naturel se répand à travers le monde et supplante progressivement les gaz manufacturés. Le gaz naturel a de nombreuses qualités, dont l’absence de toxicité. Le pouvoir calorifique du gaz naturel est double de celui du gaz de houille (9 000 cal/m3 contre 4 250).
Le gaz naturel nécessitera des aménagements particuliers de tout son réseau de distribution, appareils de chauffe et autres, méthode de stockage et de transport : canalisations, gazoducs, bateaux et port méthaniers.
En 1946, l’Assemblée nationale vote la loi de nationalisation des secteurs de l’énergie. Gaz de France (GDF) est créée. La première activité de Gaz de France durant ses premières années consiste à produire et distribuer du gaz de houille. La découverte et la mise en exploitation du gisement de gaz naturel de Lacq à la fin des années 1950 permet à Gaz de France de réorienter son activité vers celui-ci et d’abandonner progressivement le gaz de houille. Les Parisiens reçoivent le méthane juste dix ans plus tard.
Le gaz naturel se présente sous plusieurs formes, qui se distinguent par leur origine, leur composition et le type de réservoirs dans lesquelles elles se trouvent. Ce gaz est toujours composé principalement de méthane10 et issu de la désagrégation d’anciens organismes vivants.
En complément des différents types de gaz naturels cités ci-après figure le biogaz (dit biométhane quand il a été nettoyé), un substitut renouvelable issu de la décomposition de biomasse, donc certains déchets de l’activité anthropique. Idéalement, le biogaz (renouvelable) aurait vocation dans le futur à se substituer au gaz naturel fossile (émetteur net de CO2 donc participant au réchauffement climatique).
L’appellation « gaz naturel » dans le monde énergétique recouvre exclusivement la forme fossile, objet du présent article.
Le gaz conventionnel non associé est la forme la plus exploitée de gaz naturel. « Non associé » signifie qu’il n’est pas associé à un gisement de pétrole, bien que son processus de formation soit assez similaire.
On distingue le gaz thermogénique primaire (issu directement de la pyrolyse naturelle du kérogène) et le gaz thermogénique secondaire (formé par la pyrolyse du pétrole). Le gaz thermogénique comprend, outre le méthane, un taux variable d’hydrocarbures plus lourds, pouvant aller jusqu’à l’heptane (C7H16). On peut y trouver aussi du dioxyde de carbone (CO2), du sulfure d’hydrogène (aussi dit « gaz acide » (H2S) et parfois du diazote (N2) ainsi que de petites quantités d’hélium (He), mercure (Hg) et argon (Ar) ou d’autres contaminants tels que le plomb quand le gaz provient d’un gisement profond « haute température/haute pression ».
Le marché international du gaz naturel et ses réseaux de transport par gazoducs et méthaniers étaient principalement alimentés par ce type de gaz conventionnel non associé (voir section « Industrie du gaz »), mais aux États-Unis les gaz de schiste prennent une importance croissante et le biométhane injecté, encore émergent, devraient dans le cadre de la transition énergétique prendre une importance croissante.
Le gaz associé est présent en solution dans le pétrole, séparé de ce dernier lors de l’extraction. Il a longtemps été considéré comme un déchet et, en tant que tel, été détruit en torchère, ce qui est un gaspillage énergétique et une pollution inutile, qui a au moins l’avantage d’atténuer le réchauffement climatique car le potentiel de réchauffement global du CO2 est 25 fois moindre que celui du méthane. Il est de plus en plus réinjecté dans le gisement géologique (ce qui contribue à y maintenir la pression afin de maximiser l’extraction du pétrole) ou valorisé énergétiquement. En 2016, près de 150 km3 étaient encore brûlés en torchère par an, en légère baisse d’environ 10 % en 20 ans malgré la progression de près de 20 % de l’extraction de gaz naturel.
A l’instar de la tourbe, c’est un combustible fossile mais dont le cycle est relativement rapide. Les gisements biogéniques (environ 20 % des réserves connues de gaz conventionnel) sont en général petits, dispersés et situés à faible profondeur. Il a moins de valeur (par mètre cube) que le gaz thermogénique, car il contient une part significative de gaz non combustibles (dioxyde de carbone notamment) et ne fournit pas d’hydrocarbures plus lourds que le méthane.
Le charbon contient naturellement du méthane et du dioxyde de carbone dans ses pores. Historiquement, ce gaz a surtout été connu pour la menace mortelle qu’il présente sur la sécurité des mineurs – il est alors resté dans la mémoire collective sous le nom de grisou. Cependant, son exploitation est en plein développement, en particulier aux États-Unis. L’exploitation porte sur des strates de charbon riches en gaz et trop profondes pour être exploitées de façon conventionnelle. Il y a eu des essais en Europe également, mais la plupart des charbons européens sont assez pauvres en méthane[réf. nécessaire]. La Chine s’intéresse également de plus en plus à l’exploitation de ce type de gaz naturel.
Certains schistes contiennent du méthane issu de la dégradation du kérogène présent dans le schiste et piégé dans ses feuillets et micro-fissures. Mais, comme pour le gaz de couche, il existe deux grandes différences par rapport aux réserves de gaz conventionnel. La première est que le schiste est à la fois la roche source du gaz et son réservoir. La seconde est que l’accumulation n’est pas discrète (beaucoup de gaz réuni en une zone restreinte) mais continue (le gaz est présent en faible concentration dans un énorme volume de roche), ce qui exige une technique spécifique.
Depuis 2004, la technique principalement retenue est l’hydrofracturation associée à un forage horizontal dirigé. Elle permet d’atteindre et de disloquer un plus grand volume de schiste avec un seul forage. Le schiste est pré-fracturé par des trains d’explosions puis une injection sous très haute pression d’un fluide de fracturation constitué d’eau, de sable et d’additifs (toxiques pour certains) étend cette fracturation. Chaque puits peut être fracturé (stimulé) plusieurs dizaines de fois. Chaque fracturation consomme de 7 à 28 millions de litres d’eau dont une partie seulement est récupérée.
Cette pratique, notamment aux États-Unis, est de plus en plus contestée, dénoncée comme affectant le sous-sol, les écosystèmes en surface et la santé. Les fuites de gaz semblent fréquentes et pourraient contaminer des puits. L’utilisation de produits toxiques risque de polluer les nappes phréatiques. L’eau de fracturation remonte avec des contaminants indésirables pour la santé et les écosystèmes (sels, métaux et radionucléides) pour toute personne vivant près d’une source d’extraction. L’exploitation en France demeure fortement décriée. Jean-Louis Borloo, comme ministre de l’Écologie, a autorisé les premiers forages exploratoires dans le sud de la France avant que le gouvernement n’annule ces autorisations.
En 2019, selon BP, la production mondiale de gaz naturel a atteint 3 989 Gm3 (milliards de mètres cubes), en progression de 3,4 % par rapport à 2018 et de 35,9 % depuis 2009. La production des États-Unis progresse de 10,2 % ; leur part de marché passe à 23,1 %, loin devant la Russie (17 %).
Les statistiques de production gazière diffèrent selon les sources, car les modes de calcul peuvent ou non inclure le gaz associé brûlé en torchère, ou donner des volumes de gaz avant ou après séchage et extraction des contaminants , etc. Les données de l’Agence internationale de l’énergie sont un peu plus élevées que celles de BP, avec une production mondiale de 4 089 Gm3 pour 2019s 1 contre 3 868 Gm3 selon BP. La production, qui était de 1 224 Gm3 en 1973, a progressé de 234 % en 46 anss 1. La part du gaz naturel dans l’approvisionnement en énergie primaire était en 2018 de 22,8 % contre 26,9 % pour le charbon et 31,6 % pour le pétrole ; cette part a fortement progressé : elle n’était que de 16,0 % en 1973.
En 2017, la production de gaz russe a bondi de 8 % et les États-Unis, d’importateur net sont devenus exportateur grâce au gaz de schiste.
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Sources : Wikipédia, YouTube.