L’expansion de l’extraction des gaz de schistes aux États-Unis au cours de la première décennie du 21ème siècle a bouleversé le bilan énergétique de ce pays. Ses volumes non utilisés in situ commencent à gonfler le marché mondial du gaz naturel liquéfié (GNL). Mais qu’est-ce qu’un gaz de schiste ? D’où provient-il ? Comment est-il extrait ? Avec quels effets sur l’environnement ?


En 2000, le gaz naturel exploité, essentiellement le méthane, était issu de trois sources : les réservoirs d’hydrocarbures dits conventionnels, la transformation pétrochimique d’hydrocarbures lourds et le biogaz. Depuis une dizaine d’années, avec la raréfaction des ressources fossiles, l’exploitation de réservoirs de gaz non-conventionnels s’est développée, principalement aux États-Unis. Dans ces réservoirs, le gaz est piégé dans une porosité microscopique peu accessible, la roche étant très faiblement perméable. Cet hydrocarbure est appelé gaz de schiste ou shale gas .

Le gaz naturel, ou méthane, est une énergie fossile produite par l’exploitation de réservoirs géologiques dits conventionnels, soit seul soit en association avec d’autres hydrocarbures (condensats, huiles). En 2017, la demande en gaz naturel était de 3 680 milliards de m3 (Gm3), croissance globale mais hétérogène : +9% par an en Chine entre 2006 et 2016 ; mais -2,3% en Europe durant la même période .


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Les réserves de gaz de schiste par pays

Globalement , les ressources de gaz de schiste estimées représentent 207 000 Gm3, soit autant que les ressources prouvées de gaz conventionnel. D’ici 2035, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), les gaz de schistes pourraient représenter plus de 20% des investissements dans le secteur de l’exploitation de gaz fossile, soit un montant de 2 400 milliards de dollars estimé sur la période 2014-2035.

Le débat sur l’exploitation de ressources d’hydrocarbures non-conventionnelles fait l’objet d’échanges tr
ès forts . Différentes visions politiques et industrielles s’affrontent. Ainsi, depuis le début des années 2000, l’essor du gaz de schiste aux États-Unis modifie le bilan énergétique de ce pays, lequel, importateur de gaz naturel, est devenu exportateur en 2017.

Dans le reste du monde, le faible niveau des connaissances scientifiques sur les impacts à moyen et long terme de l’exploitation des gaz de schistes, les risques environnementaux et industriels pressentis, ont eu pour conséquence de stopper la dynamique d’exploitation et même d’exploration. En Europe, les risques associés à la production de gaz de schiste ont ralenti, ou même arrêté leur exploration en France et en Bulgarie tandis que deux autres pays, l’Angleterre et la Pologne, ont entamé une phase d’exploration. En Asie, l’exploration a commencé et devrait se développer dans les années qui viennent.

Les réservoirs non-conventionnels sont caractérisés par une très faible perméabilité et le gaz, piégé dans une porosité microscopique peu accessible, est appelé gaz de schiste. La fracturation hydraulique, principale technique actuellement utilisée pour exploiter cette ressource, consiste à forer dans les strates peu perméables. Cette technique est aussi utilisée pour exploiter des réservoirs conventionnels ou des champs géothermiques. La fracturation in situ, induite par des surpressions de fluide de forage, crée un réseau drainant de fissures et favorise ainsi l’accès du gaz naturel au puits principal où il est collecté puis transporté et exploité.


Les technologies les plus récentes utilisent des forages horizontaux de quelques kilomètres de longueur, avec un puits principal vertical d’où rayonnent plusieurs forages horizontaux. Un seul puits en surface exploite ainsi plusieurs kilomètres carrés souterrains. Ce sont les deux ruptures technologiques que sont l’utilisation d’importants volumes de fluides et les forages horizontaux, qui ont permis l’exploitation de cette ressource non-conventionnelle aux États-Unis (Figure 2).

Plus nous avançons sur les connaissances sur le gaz de schiste, il faut noter que l’exploitation aux États-Unis a été réalisée par des compagnies privées qui protègent leurs technologies par des brevets. La recherche académique ne s’est penchée que récemment sur cette technologie.

Il est clair que  la production scientifique académique issue de la recherche publique, et en partie de la recherche privée, a fortement évolué. Avant 2007, très peu de publications scientifiques sur les gaz de schistes sont parues, entre un et cinq par an. À partir de 2007, le nombre de publications suit une croissance exponentielle. Cette augmentation a pour conséquence que la connaissance sur les gaz de schistes rentre peu à peu dans le domaine public, alors qu’avant 2007 elle était confinée au milieu industriel.
 
Fig. 3 : L'essor des gaz de schistes aux Etats-Unis - Source : EIA and Labyrinth Consulting Services, Inc., via https://www.theburningplatform.com/tag/shale-gas/


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La production des gaz de schistes a connu une envolée aux États-Unis à partir de 2005, avec un nombre de puits foré qui augmente de 1200/an en moyenne sur la période 1990-2004, à près de 2300 en 2012. Après un tassement imputable à la baisse des prix du gaz, ils ont repris en 2017. Dans le même temps, la production américaine de gaz naturel augmente de 30%, les gaz de schistes couvrant 60% de la production totale en 2017. Depuis 2009, les États-Unis sont devenus le premier producteur mondial, devant la Russie (Figure 3). Cette arrivée des gaz de schistes a provoqué une surproduction du marché américain où les cours du gaz ont fortement chuté.

Des , 2007, le prix du gaz sur les grands marchés internationaux (Europe, Japon, États-Unis) étaient globalement corrélés. Sous l’effet des gaz de schistes, en 2013, le prix du gaz naturel est trois à quatre fois moins cher aux États-Unis, avec des conséquences sur la compétitivité des industries consommatrices de grandes quantités d’énergie fossile.

De ce fait , le coût du kilowatt-heure pour les industriels est en 2013 de 12 US dollars aux État-Unis et 46 US dollars en moyenne dans les pays de l’OCDE. L’avantage compétitif est tel que les États-Unis relocalisent plusieurs de leurs industries lourdes sur leur territoire (métallurgie, pétrochimie). L’offre sur-capacitaire aux États-Unis ayant entrainé une chute des cours du gaz, le nombre de forages nouveaux diminue depuis 2013.

Au debut  2010, le film de Gasland réalisé par Josh Fox lance le débat sur les conséquences environnementales de la fracturation hydraulique. Une image fait le tour du monde, celle d’un homme qui ouvre le robinet d’eau de son évier, approche un briquet, et voit une flamme orangé jaillir autour du jet d’eau. Cette flamme provient de la combustion de méthane que le film présente comme issu d’une fracturation hydraulique située près de la maison. La force de cette image a amplifié la publicité dans les médias et jeté l’opprobre sur l’exploitation des gaz de schiste, mettant en avant les nuisances environnementales supposées de la fracturation hydraulique.

La peur d’impacts environnementaux d’une part, et de nuisances envisagées pour les populations locales d’autre part, a provoqué en France une opposition à l’exploitation de cette ressource. Ainsi, la loi du 13 Juillet 2011, votée à une très forte majorité par l’Assemblée nationale, s’appuie sur le principe de précaution pour interdire l’exploitation des gaz de schistes par la technique de la fracturation hydraulique. 
 
Cette loi a entraîné de fait l’impossibilité d’utiliser les permis d’exploration qui avaient été accordés sur le territoire métropolitain. Elle autorise cependant la fracturation hydraulique dans un cadre de recherche scientifique. Enfin, lors de la Conférence environnementale de septembre 2012, le président Hollande a confirmé l’annulation de sept demandes d’exploration de ressources non-conventionnelles sur le territoire métropolitain.

La fracturation hydraulique entraîne des stress environnementaux de plusieurs types : chimiques, mécaniques et toxicologiques ; on peut en identifier cinq types. Premièrement, la circulation de fluides en profondeur peut générer une micro-sismicité induite. En effet, l’exploitation déclenche de petits séismes, comme le font d’autres technologies telles que la géothermie, la mise en eau de barrage ou l’exploitation de ressources de gaz conventionnels. 
 
Deuxièmement, il existe un risque de pollution des aquifères. Un troisième impact consiste en fuites de gaz dans l’atmosphère, surtout pendant la phase d’exploitation des puits. Les deux derniers impacts concernent la production d’importantes quantités d’eau qu’il faut traiter avant de les réinsérer dans l’environnement, et l’utilisation de réserves foncières et d’infrastructures pour l’exploitation et le transport du gaz de schiste.

Cela devient un grand débat scientifique qui se développe autour des impacts environnementaux tels que le risque de déclenchement de sismicité, le nécessaire traitement de grands volumes d’eau polluée, ou les fuites de méthane dans l’atmosphère qui participent au réchauffement climatique. 
 
Le mitage des paysages et d’éventuels impacts sur la qualité des environnements et la santé humaine sont aussi mis en avant. Sur tous ces sujets, la connaissance scientifique est en construction ; l’ampleur du débat public a poussé certaines compagnies privées à publier leurs données. Plusieurs de ces risques sont décrits plus en détail ci-après ; et pour la plupart pourraient être anticipés avant toute exploitation[2].

Le gaz de schiste est considéré par certains pays comme un nouvel eldorado, l’exploitation de gaz de schiste leur fournit une ressource fossile à un coût compétitif qui leur permet d’envisager la ré-industrialisation de certaines régions et de développer leur économie. En revanche, le faible niveau des connaissances sur les impacts à moyen et long terme de cette exploitation, et les risques environnementaux et industriels associés, ont eu pour conséquence de ralentir, ou même d’arrêter cette dynamique dans d’autres pays.
 
Le besoin de nouvelles connaissances sur cette ressource et sur son exploitation se fait sentir. Par exemple, la construction d’un site pilote, à vocation de recherche, et ouvert à la communauté académique, permettrait de fédérer les disciplines nécessaires à une meilleure compréhension des processus souterrains et superficiels associés à la production de gaz non-conventionnels. 
 
Les résultats d’une telle démarche permettraient d’une part d’éclairer le débat public et d’assurer une transparence des informations et d’autre part d’apporter des arguments au législateur afin qu’il puisse décider en connaissance de cause et non pas sur la seule base du principe de précaution. Un tel éclairage scientifique contribuerait au débat public et participerait ainsi à la démocratie environnementale. En effet, les controverses scientifiques ne peuvent plus se tenir en dehors de la société.
 
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L'expansion de l’extraction des gaz de schistes aux États-Unis au cours de la première décennie du 21ème siècle a bouleversé le bilan énergétique de ce pays. Ses volumes non utilisés in situ commencent à gonfler le marché mondial du gaz naturel liquéfié (GNL). Mais qu’est-ce qu’un gaz de schiste ? D’où provient-il ? Comment est-il extrait ? Avec quels effets sur l’environnement ?


En 2000, le gaz naturel exploité, essentiellement le méthane, était issu de trois sources : les réservoirs d’hydrocarbures dits conventionnels, la transformation pétrochimique d’hydrocarbures lourds et le biogaz. Depuis une dizaine d’années, avec la raréfaction des ressources fossiles, l’exploitation de réservoirs de gaz non-conventionnels s’est développée, principalement aux États-Unis. Dans ces réservoirs, le gaz est piégé dans une porosité microscopique peu accessible, la roche étant très faiblement perméable. Cet hydrocarbure est appelé gaz de schiste ou shale gas .

Le gaz naturel, ou méthane, est une énergie fossile produite par l’exploitation de réservoirs géologiques dits conventionnels, soit seul soit en association avec d’autres hydrocarbures (condensats, huiles). En 2017, la demande en gaz naturel était de 3 680 milliards de m3 (Gm3), croissance globale mais hétérogène : +9% par an en Chine entre 2006 et 2016 ; mais -2,3% en Europe durant la même période .


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Les réserves de gaz de schiste par pays

Globalement , les ressources de gaz de schiste estimées représentent 207 000 Gm3, soit autant que les ressources prouvées de gaz conventionnel. D’ici 2035, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), les gaz de schistes pourraient représenter plus de 20% des investissements dans le secteur de l’exploitation de gaz fossile, soit un montant de 2 400 milliards de dollars estimé sur la période 2014-2035.

Le débat sur l’exploitation de ressources d’hydrocarbures non-conventionnelles fait l’objet d'échanges très forts . Différentes visions politiques et industrielles s’affrontent. Ainsi, depuis le début des années 2000, l’essor du gaz de schiste aux États-Unis modifie le bilan énergétique de ce pays, lequel, importateur de gaz naturel, est devenu exportateur en 2017.
Dans le reste du monde, le faible niveau des connaissances scientifiques sur les impacts à moyen et long terme de l’exploitation des gaz de schistes, les risques environnementaux et industriels pressentis, ont eu pour conséquence de stopper la dynamique d’exploitation et même d’exploration. En Europe, les risques associés à la production de gaz de schiste ont ralenti, ou même arrêté leur exploration en France et en Bulgarie tandis que deux autres pays, l’Angleterre et la Pologne, ont entamé une phase d’exploration. En Asie, l’exploration a commencé et devrait se développer dans les années qui viennent.

Les réservoirs non-conventionnels sont caractérisés par une très faible perméabilité et le gaz, piégé dans une porosité microscopique peu accessible, est appelé gaz de schiste. La fracturation hydraulique, principale technique actuellement utilisée pour exploiter cette ressource, consiste à forer dans les strates peu perméables. Cette technique est aussi utilisée pour exploiter des réservoirs conventionnels ou des champs géothermiques. La fracturation in situ, induite par des surpressions de fluide de forage, crée un réseau drainant de fissures et favorise ainsi l’accès du gaz naturel au puits principal où il est collecté puis transporté et exploité.


Les technologies les plus récentes utilisent des forages horizontaux de quelques kilomètres de longueur, avec un puits principal vertical d’où rayonnent plusieurs forages horizontaux. Un seul puits en surface exploite ainsi plusieurs kilomètres carrés souterrains. Ce sont les deux ruptures technologiques que sont l’utilisation d’importants volumes de fluides et les forages horizontaux, qui ont permis l’exploitation de cette ressource non-conventionnelle aux États-Unis (Figure 2).

Plus nous avançons sur les connaissances sur le gaz de schiste, il faut noter que l’exploitation aux États-Unis a été réalisée par des compagnies privées qui protègent leurs technologies par des brevets. La recherche académique ne s’est penchée que récemment sur cette technologie.
Il est clair que  la production scientifique académique issue de la recherche publique, et en partie de la recherche privée, a fortement évolué. Avant 2007, très peu de publications scientifiques sur les gaz de schistes sont parues, entre un et cinq par an. À partir de 2007, le nombre de publications suit une croissance exponentielle. Cette augmentation a pour conséquence que la connaissance sur les gaz de schistes rentre peu à peu dans le domaine public, alors qu’avant 2007 elle était confinée au milieu industriel. Fig. 3 : L'essor des gaz de schistes aux Etats-Unis - Source : EIA and Labyrinth Consulting Services, Inc., via https://www.theburningplatform.com/tag/shale-gas/


             La production des gaz de schistes a connu une envolée aux États-Unis à partir de 2005, avec un nombre de puits foré qui augmente de 1200/an en moyenne sur la période 1990-2004, à près de 2300 en 2012. Après un tassement imputable à la baisse des prix du gaz, ils ont repris en 2017. Dans le même temps, la production américaine de gaz naturel augmente de 30%, les gaz de schistes couvrant 60% de la production totale en 2017. Depuis 2009, les États-Unis sont devenus le premier producteur mondial, devant la Russie (Figure 3). Cette arrivée des gaz de schistes a provoqué une surproduction du marché américain où les cours du gaz ont fortement chuté.

Des , 2007, le prix du gaz sur les grands marchés internationaux (Europe, Japon, États-Unis) étaient globalement corrélés. Sous l’effet des gaz de schistes, en 2013, le prix du gaz naturel est trois à quatre fois moins cher aux États-Unis, avec des conséquences sur la compétitivité des industries consommatrices de grandes quantités d’énergie fossile.

De ce fait , le coût du kilowatt-heure pour les industriels est en 2013 de 12 US dollars aux État-Unis et 46 US dollars en moyenne dans les pays de l’OCDE. L’avantage compétitif est tel que les États-Unis relocalisent plusieurs de leurs industries lourdes sur leur territoire (métallurgie, pétrochimie). L’offre sur-capacitaire aux États-Unis ayant entrainé une chute des cours du gaz, le nombre de forages nouveaux diminue depuis 2013.

Au debut  2010, le film de Gasland réalisé par Josh Fox lance le débat sur les conséquences environnementales de la fracturation hydraulique. Une image fait le tour du monde, celle d’un homme qui ouvre le robinet d’eau de son évier, approche un briquet, et voit une flamme orangé jaillir autour du jet d’eau. Cette flamme provient de la combustion de méthane que le film présente comme issu d’une fracturation hydraulique située près de la maison. La force de cette image a amplifié la publicité dans les médias et jeté l’opprobre sur l’exploitation des gaz de schiste, mettant en avant les nuisances environnementales supposées de la fracturation hydraulique.

La peur d’impacts environnementaux d’une part, et de nuisances envisagées pour les populations locales d’autre part, a provoqué en France une opposition à l’exploitation de cette ressource. Ainsi, la loi du 13 Juillet 2011, votée à une très forte majorité par l’Assemblée nationale, s’appuie sur le principe de précaution pour interdire l’exploitation des gaz de schistes par la technique de la fracturation hydraulique.  Cette loi a entraîné de fait l’impossibilité d’utiliser les permis d’exploration qui avaient été accordés sur le territoire métropolitain. Elle autorise cependant la fracturation hydraulique dans un cadre de recherche scientifique. Enfin, lors de la Conférence environnementale de septembre 2012, le président Hollande a confirmé l’annulation de sept demandes d’exploration de ressources non-conventionnelles sur le territoire métropolitain.

La fracturation hydraulique entraîne des stress environnementaux de plusieurs types : chimiques, mécaniques et toxicologiques ; on peut en identifier cinq types. Premièrement, la circulation de fluides en profondeur peut générer une micro-sismicité induite. En effet, l’exploitation déclenche de petits séismes, comme le font d’autres technologies telles que la géothermie, la mise en eau de barrage ou l’exploitation de ressources de gaz conventionnels.  Deuxièmement, il existe un risque de pollution des aquifères. Un troisième impact consiste en fuites de gaz dans l’atmosphère, surtout pendant la phase d’exploitation des puits. Les deux derniers impacts concernent la production d’importantes quantités d’eau qu’il faut traiter avant de les réinsérer dans l’environnement, et l’utilisation de réserves foncières et d’infrastructures pour l’exploitation et le transport du gaz de schiste.

Cela devient un grand débat scientifique qui se développe autour des impacts environnementaux tels que le risque de déclenchement de sismicité, le nécessaire traitement de grands volumes d’eau polluée, ou les fuites de méthane dans l’atmosphère qui participent au réchauffement climatique.  Le mitage des paysages et d’éventuels impacts sur la qualité des environnements et la santé humaine sont aussi mis en avant. Sur tous ces sujets, la connaissance scientifique est en construction ; l’ampleur du débat public a poussé certaines compagnies privées à publier leurs données. Plusieurs de ces risques sont décrits plus en détail ci-après ; et pour la plupart pourraient être anticipés avant toute exploitation[2].

Le gaz de schiste est considéré par certains pays comme un nouvel eldorado, l’exploitation de gaz de schiste leur fournit une ressource fossile à un coût compétitif qui leur permet d’envisager la ré-industrialisation de certaines régions et de développer leur économie. En revanche, le faible niveau des connaissances sur les impacts à moyen et long terme de cette exploitation, et les risques environnementaux et industriels associés, ont eu pour conséquence de ralentir, ou même d’arrêter cette dynamique dans d’autres pays. Le besoin de nouvelles connaissances sur cette ressource et sur son exploitation se fait sentir. Par exemple, la construction d’un site pilote, à vocation de recherche, et ouvert à la communauté académique, permettrait de fédérer les disciplines nécessaires à une meilleure compréhension des processus souterrains et superficiels associés à la production de gaz non-conventionnels.  Les résultats d’une telle démarche permettraient d’une part d’éclairer le débat public et d’assurer une transparence des informations et d’autre part d’apporter des arguments au législateur afin qu’il puisse décider en connaissance de cause et non pas sur la seule base du principe de précaution. Un tel éclairage scientifique contribuerait au débat public et participerait ainsi à la démocratie environnementale. En effet, les controverses scientifiques ne peuvent plus se tenir en dehors de la société. 
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