Gaz de Schistes : de la géopolitique à l’atome

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Chaque mois, le poste de Boston de la Mission pour la Science et la Technologie co-organise avec cinq autres partenaires le "Café des Sciences", un événement francophone incluant une présentation sur un sujet scientifique. Le "Café des Sciences" du 13 février s’est déroulé autour du sujet très médiatique des gaz de schistes. Les deux intervenants, Roland Pellenq, directeur de Recherche CNRS et co-directeur de l’Unité Mixte de recherche MIT-CNRS "matériaux multi-échelle pour l’énergie et l’environnement [1]" et Normand Mousseau, professeur à l’université de Montréal ont présenté les enjeux de la récente "révolution du gaz de schiste" qui s’opère aux Etats-Unis.


Café des Sciences de Boston avec (de gauche à droite) : Antoine Mynard, attaché pour la science et la technologie (Boston), Normand Mousseau et Roland Pellenq
Crédits : MS&T


Le gaz de schiste a connu une évolution importante au cours des dernières années [2]. Comme le montre le graphique ci-dessous, la production du gaz de schistes a très fortement augmenté. Il représente aujourd’hui 40% de la production totale de gaz sec aux Etats-Unis.


La production journalière de gaz de schiste aux Etats-Unis
Crédits : MS&T à partir de données de l’EIA [3]


Arrêtons-nous tout d’abord sur la dénomination "gaz de schiste". Les deux intervenants ont expliqué qu’il s’agissait là d’un abus de langage. Géologiquement, le terme "schiste" désigne une roche, à l’aspect feuilleté, formée à hautes pressions et températures dans les profondeurs de la Terre (généralement entre 2000 et 3000 mètres de profondeur). Il peut s’agir soit d’une roche métamorphique, soit d’une roche sédimentaire argileuse aussi appelée "shale". Pour les schistes métamorphiques, le processus de formation élimine toute potentielle présence d’hydrocarbures, alors que les schistes argileux en contiennent. Ces derniers sont formés au cours du temps par l’accumulation de sédiments à la surface du globe et contenaient donc des matières organiques qui sont devenues des hydrocarbures. Il serait donc plus exact de parler de "gaz de shale" ("shale gas"). Par commodité pour nos lecteurs et par habitude, nous utiliserons néanmoins ici le terme de "gaz de schistes".

L’enjeu géopolitique du gaz de schiste

Normand Mousseau a expliqué l’enjeu crucial que représente le gaz pour de nombreux pays. En effet, la majorité des pays dépendent des importations pour répondre à leurs besoins en gaz et cela représente donc un enjeu non seulement énergétique et économique fort mais également géopolitique. C’est pour cette raison que l’intérêt pour l’exploitation de ressources potentielles en gaz de schiste sur le territoire national s’est fortement accru dans de nombreux pays, aux Etats-Unis bien sûr, mais également en Europe et en Chine. En Amérique du Nord, les producteurs de gaz naturel "conventionnel", conscients des limites des réserves de ces gaz sur leur territoire, ont cherché à exploiter les ressources dites "non conventionnelles" comme les gaz de schiste. A l’échelle globale, le gaz naturel traditionnel reste encore relativement abondant, mais les réserves sont limitées à quelques régions de la planète et il coûte cher à transporter. A l’inverse, le gaz de schiste est plus globalement réparti. Il y a donc un fort intérêt pour les pays dépendants des importations de gaz naturel à l’exploiter, sur leur propre territoire.

M. Mousseau a également insisté sur la forte diminution du taux de production des puits après leur mise en service. Pour maintenir le rythme de production initial, il est nécessaire de maintenir un rythme de forage très important ce qui est techniquement complexe et très coûteux. A cela s’ajoutent des nombreux problèmes environnementaux : les importantes fuites de méthane conduisent à un fort risque d’explosion, les quantités d’eau utilisées sont colossales, les sites d’exploitation dégradent durablement les écosystèmes locaux, etc. A cela s’ajoute encore une inquiétude grandissante des populations, qui peuvent se mobiliser pour faire pression sur leur gouvernement. Il n’est donc pas certain que le gaz de schiste puisse continuer durablement à fournir une part importante du gaz naturel américain.

Si le faible coût de production du gaz de schiste est un formidable atout pour ses exploitants, il peut logiquement nuire au développement des énergies renouvelables, dont l’utilisation est encore peu compétitive économiquement. On observe aussi une augmentation de la demande en énergie dans le monde plus importante que la croissance démographique mondiale. En effet, la consommation énergétique par habitant continue d’augmenter, malgré les campagnes de sensibilisation sur les économies d’énergie et les politiques d’efficacité énergétique. Dans le contexte actuel, fournir de l’énergie à bas prix est à double tranchant : le pouvoir d’achat des consommateurs est certes augmenté mais ces derniers sont du coup moins déterminés à réduire leur consommation d’énergie.

A plus long terme, le prix du gaz naturel devrait augmenter et ainsi devenir moins compétitif par rapport aux autres sources d’énergie comme le charbon. D’après Normand Mousseau, nous risquons ainsi d’assister, dans les années à venir, à une importante augmentation de la production de charbon, ce qui implique inévitablement de très fortes quantités de carbone rejetées dans l’atmosphère. Seules des politiques publiques fortes, en faveur de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, pourraient limiter cet usage du charbon en fixant par exemple des taxes sur les émissions de carbone.

En conclusion, M. Mousseau estime que la "révolution des gaz de schistes", si elle permet de remplacer le charbon, peut se révéler bénéfique sur le long terme. Mais de manière plus réaliste, il indique que l’utilisation des gaz de schiste aura des conséquences environnementales extrêmement importantes si elle se fait aux dépends des énergies renouvelables et en parallèle d’une hausse de la production de charbon. La tendance actuelle ne porte pas à l’optimisme. De 2008 à 2012, la proportion d’utilisation du charbon est passée de 25 à 30% de la consommation mondiale d’énergie [4]. Sur la même période, la proportion d’utilisation des énergies renouvelables a baissé, passant de 9 à 8% de la consommation mondiale…

Enjeu des gaz des schistes à l’échelle nanométrique

Si l’on parle souvent des risques environnementaux liés aux gaz de schistes, on évoque rarement les enjeux à l’échelle nanométrique. Or, la compréhension de ce qu’il se passe au niveau moléculaire est primordiale, notamment en ce qui concerne les réactions entre les molécules qui constituent le ciment des puits d’exploitation.

Le gaz de schistes est constitué des molécules de gaz "emprisonnées" dans du kérogène, un charbon poreux enchâssé dans une matrice inorganique (silice, argiles, carbonates) formé il y a des centaines de millions d’années et soumis aux aléas géologiques. Contrairement aux gaz dits "conventionnels", que l’on trouve dans des "poches" peu profondes, il est nécessaire d’aller plus en profondeur et de fracturer la roche mère pour atteindre les poches de kérogène et "libérer" les particules de gaz.

Rolland Pellenq travaille sur les matériaux poreux multi-échelles, dont le comportement ne peut être compris qu’en étudiant leurs propriétés à plusieurs échelles, du nanomètre jusqu’au millimètre. La recherche sur ces matériaux demande le développement d’outils spécifiques, en expérimentation comme en simulation numérique, toute la difficulté étant de lier les propriétés observées à différentes échelles. Roland Pellenq travaille notamment sur le développement d’un modèle "bottom-up", qui consiste à s’appuyer sur la compréhension des mécanismes à petites échelles pour prédire ce qui va se passer à de plus grandes échelles. Les schistes et le ciment des puits d’extractions ont en commun d’être des matériaux "multi-échelles".

Un problème majeur de l’exploitation des gaz de schiste concerne les fuites importantes de méthane, un gaz hautement inflammable et contributeur du réchauffement climatique. Selon une étude récente [5], les puits de gaz de schiste laisseraient fuir 9% de méthane. Le mauvais cimentage des puits d’extraction de gaz de schistes est l’une des raisons principales des fuites de méthane. Les puits d’extraction sont généralement cimentés sur l’ensemble de leur profondeur. Or, plus on est profond, plus les conditions de température et de pression s’intensifient (le gradient géothermique moyen est d’environ 30°C/km). A la profondeur où s’effectue la fracturation hydraulique, le ciment n’a plus les mêmes propriétés physiques. En particulier, la porosité des molécules qui constituent le ciment n’est plus la même, ce qui peut permettre au méthane de s’échapper dans l’atmosphère ou encore dans les nappes phréatiques.

Il est donc nécessaire que les entreprises qui exploitent le gaz de schiste aient une expertise importante. L’attribution du marché des gaz de schistes aux grands acteurs du monde de l’énergie est donc rassurante pour Roland Pellenq, car leurs capacités de R&D leur permet de limiter les risques liés à l’exploitation. Des recherches supplémentaires sur les réactions des molécules et les propriétés de fracturation des interfaces organiques/inorganiques seront également nécessaires pour comprendre précisément ce qu’il se passe lors de la fracturation et les risques potentiels associés.

Pour les autres risques environnementaux régulièrement évoqués, liés à l’exploitation des gaz de schistes, M. Pellenq a estimé que le risque de séismes engendrés par la fracturation hydraulique était faible ou que ces séismes seraient de très faible intensité. Il faut bien entendu néanmoins éviter de faire des extractions dans des zones sismiques. La question de l’eau et des risques de pollution est importante. Il est crucial de récupérer les énormes quantités d’eau infiltrée ainsi que le fluide de fracturation pour éviter qu’il ne se répande dans les environs. Mais selon M. Pellenq, la plupart des problèmes qui ont eu lieu dans des puits d’extraction sont liés à une mauvaise cimentation des puits.

Sources :


- [1] Pour en savoir plus sur l’UMI et ses projets de recherches, consultez "La nouvelle unité mixte MSE2 : une véritable co-entreprise entre le CNRS et le MIT" - MYNARD, A. - Bulletins Electroniques Etats-Unis - 29/06/2012 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/70414.htm
- [2] Voir nos deux précédents rapports sur la question : "L’exploitation des gaz de schistes : entre promesses économiques et conséquences environnementales" - MARTY, G., MAGAUD, M. - Rapport d’Ambassade - 1/07/2011 - http://www.bulletins-electroniques.com/rapports/smm11_023.htm et "Gaz de schistes aux Etats-Unis : recherches en vue de minimiser l’impact environnemental" - JOSEPH E., MAGAUD M., DELPORTE, V. - 1/10/2012 - http://www.bulletins-electroniques.com/rapports/smm12_031.htm
- [3] http://www.eia.gov/energy_in_brief/article/about_shale_gas.cfm
- [4] BP World Statistical Report 2012
- [5] http://www.lemonde.fr/planete/article/2013/01/04/gaz-de-schiste-des-fuites-de-methane-plus-importantes-que-prevu_1812943_3244.html

Pour en savoir plus, contacts :


- Livre "L’indépendance énérgétique" de Normand Mousseau, édition Multimondes (2009)
- Livre "La révolution des gaz de schiste" de Normand Mousseau, édition Multimondes (2010)
- Article sur le Café des Sciences du 13 février 2013 : https://www.facebook.com/media/set/?set=a.555705074448442.125303.119759874709633&type=1
- Site du Café des Sciences : http://cafesciences.org/
Code brève
ADIT : 72404

Rédacteurs :


- Céline Ramstein (deputy-envt.mst@ambafrance-us.org) ;
- Adrien Destrez (deputy2-inno@ambascience-usa.org) ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….